Sökandet efter extrasolära planeter genomgår för närvarande ett seismiskt skifte. Med utplaceringen av Kepler Space Telescope och Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), upptäckte forskare tusentals exoplaneter, av vilka de flesta upptäcktes och bekräftades med indirekta metoder.

Men under de senaste åren, och med lanseringen av James Webb Space Telescope (JWST), har fältet övergått till en karaktärisering. I denna process förlitar sig forskare på emissionsspektra från exoplanetatmosfärer för att söka efter de kemiska signaturer vi associerar med liv (biosignaturer).

Det finns dock en del kontroverser om vilken typ av signaturer forskare bör leta efter. I grund och botten använder astrobiologi livet på jorden som en mall när man söker efter indikationer på utomjordiskt liv, ungefär som hur exoplanetjägare använder jorden som en standard för att mäta "bebobarhet".

Men som många forskare har påpekat har livet på jorden och dess naturliga miljö utvecklats avsevärt över tiden. I en nyligen publicerad tidning till arXiv preprint-server, visade ett internationellt team hur astrobiologer kunde leta efter liv på TRAPPIST-1e baserat på vad som fanns på jorden för miljarder år sedan.

Teamet bestod av astronomer och astrobiologer från Global Systems Institute och institutionerna för fysik och astronomi, matematik och statistik och naturvetenskap vid University of Exeter. De fick sällskap av forskare från School of Earth and Ocean Sciences vid University of Victoria och Natural History Museum i London.

Uppsatsen som beskriver deras fynd, "Biosignaturer från fotosyntetiserande liv före syre på TRAPPIST-1e," kommer att publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

TRAPPIST-1-systemet har varit i fokus ända sedan astronomer bekräftade närvaron av tre exoplaneter 2016, som växte till sju året därpå. Som ett av många system med en lågmassa, kallare M-typ (röd dvärg) förälderstjärna, finns det olösta frågor om huruvida någon av dess planeter kan vara beboelig. Mycket av detta gäller den variabla och instabila naturen hos röda dvärgar, som är benägna att utvidga aktivitet och kanske inte producerar tillräckligt med de fotoner som behövs för att driva fotosyntesen.

Med så många steniga planeter som hittats kretsande röda dvärgsolar, inklusive den närmaste exoplaneten till vårt solsystem (Proxima b), anser många astronomer att dessa system skulle vara den idealiska platsen att leta efter utomjordiskt liv. Samtidigt har de också betonat att dessa planeter skulle behöva ha tjocka atmosfärer, inneboende magnetfält, tillräckliga värmeöverföringsmekanismer eller allt det ovanstående. Att avgöra om exoplaneter har dessa förutsättningar för liv är något som JWST och andra nästa generations teleskop – som ESO:s föreslagna Extremely Large Telescope (ELT) – förväntas möjliggöra.

Men även med dessa och andra nästa generations instrument är det fortfarande frågan om vilka biosignaturer vi ska leta efter. Som nämnts har vår planet, dess atmosfär och allt liv som vi känner det utvecklats avsevärt under de senaste 4 miljarder åren. Under den arkeiska eonen (ca. 4 till 2,5 miljarder år sedan) bestod jordens atmosfär till övervägande del av koldioxid, metan och vulkaniska gaser, och lite mer än anaeroba mikroorganismer fanns. Först under de senaste 1,62 miljarder åren dök det första flercelliga livet upp och utvecklades till sin nuvarande komplexitet.

Dessutom innebär antalet evolutionära steg (och deras potentiella svårighet) som krävs för att komma till högre nivåer av komplexitet att många planeter kanske aldrig utvecklar komplext liv. Detta överensstämmer med Great Filter Hypothesis, som säger att även om liv kan vara vanligt i universum, så kanske inte avancerat liv. Som ett resultat kan enkla mikrobiella biosfärer som liknar de som existerade under arkean vara de vanligaste. Nyckeln är alltså att utföra sökningar som skulle isolera biosignaturer som överensstämmer med primitivt liv och de förhållanden som var vanliga för jorden för miljarder år sedan.

Som Dr. Jake Eager-Nash, en postdoktor vid University of Victoria och huvudförfattaren till studien, förklarade för Universe Today via e-post:

"Jag tror att jordens historia ger många exempel på hur bebodda exoplaneter kan se ut, och det är viktigt att förstå biosignaturer i sammanhanget med jordens historia eftersom vi inte har några andra exempel på hur liv på andra planeter skulle se ut. Under arkeiska tider, när liv tros först ha uppstått, det var en period på upp till runt en miljard år innan syreproducerande fotosyntes utvecklades och blev den dominerande primära producenten, syrekoncentrationerna var riktigt låga Så om bebodda planeter följer en liknande bana som jorden skulle kunna spendera lång tid i en period som denna utan biosignaturer av syre och ozon, så det är viktigt att förstå hur arkeiska biosignaturer ser ut."

För sin studie skapade teamet en modell som övervägde arkeiska förhållanden och hur förekomsten av tidiga livsformer skulle konsumera vissa element samtidigt som andra tillfördes. Detta gav en modell där enkla bakterier som lever i haven konsumerar molekyler som väte (H) eller kolmonoxid (CO), vilket skapar kolhydrater som energikälla och metan (CH₄ ) som avfall. De övervägde sedan hur gaser skulle utbytas mellan havet och atmosfären, vilket leder till lägre koncentrationer av H och CO och högre koncentrationer av CH₄ . Sa Eager-Nash:

"Archean-liknande biosignaturer tros kräva närvaro av metan, koldioxid och vattenånga skulle krävas såväl som frånvaro av kolmonoxid. Detta beror på att vattenånga ger dig en indikation på att det finns vatten, medan en atmosfär med både metan och kolmonoxid indikerar att atmosfären är i ojämvikt, vilket betyder att båda dessa arter inte borde existera tillsammans i atmosfären eftersom atmosfärskemin skulle omvandla allt det ena till det andra, om det inte finns något, som liv som upprätthåller denna ojämvikt Frånvaron av kolmonoxid är viktig eftersom man tror att livet snabbt skulle utveckla ett sätt att konsumera denna energikälla."

När koncentrationen av gaser är högre i atmosfären kommer gasen att lösas upp i havet och fylla på väte och kolmonoxid som förbrukas av de enkla livsformerna. När biologiskt producerade metannivåer ökar i havet kommer det att släppas ut i atmosfären, där ytterligare kemi uppstår, och olika gaser transporteras runt planeten. Utifrån detta fick teamet en övergripande sammansättning av atmosfären för att förutsäga vilka biosignaturer som kunde detekteras.

"Vad vi finner är att kolmonoxid sannolikt finns i atmosfären på en arkeisk planet som kretsar kring en M-dvärg," sa Eager-Nash. "Detta beror på att värdstjärnan driver kemi som leder till högre koncentrationer av kolmonoxid jämfört med en planet som kretsar runt solen, även när du har livskrävande denna [förening]."

I åratal har forskare övervägt hur en circumsolar beboelig zon (CHZ) skulle kunna utvidgas till att omfatta jordliknande förhållanden från tidigare geologiska perioder. På liknande sätt har astrobiologer arbetat för att kasta ett bredare nät på de typer av biosignaturer som är associerade med äldre livsformer (såsom retinal-fotosyntetiska organismer). I den här senaste studien har Eager-Nash och hans kollegor etablerat en serie biosignaturer (vatten, kolmonoxid och metan) som kan leda till upptäckten av liv på arkeiska stenplaneter som kretsar kring solliknande och röda dvärgsolar.

Mer information: Jake K. Eager-Nash et al., Biosignaturer från fotosyntetiserande liv före syre på TRAPPIST-1e, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2404.11611

Journalinformation: arXiv , Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society

Tillhandahålls av Universe Today