Livet på jorden är beroende av sex viktiga grundämnen:kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel. Dessa grundämnen kallas CHNOPS, och tillsammans med flera mikronäringsämnen och flytande vatten är de vad livet behöver.
Forskare får grepp om att upptäcka exoplaneter som kan vara tillräckligt varma för att ha flytande vatten på sina ytor, beboelighetens mest grundläggande signal. Men nu försöker de förbättra sitt spel genom att hitta CHNOPS i exoplanetatmosfärer.
Vi är bara i början av att förstå hur exoplaneter kan stödja liv. För att öka vår förståelse måste vi förstå tillgängligheten av CHNOPS i planetariska atmosfärer.
En ny tidning publicerad på arXiv förtrycksservern undersöker problemet. Den har titeln "Habitability constraints by tillgänglighet av näringsämnen i atmosfärer av steniga exoplaneter." Huvudförfattare är Oliver Herbort från institutionen för astrofysik vid universitetet i Wien och en ARIEL-postdoktor. Uppsatsen har godkänts av International Journal of Astrobiology .
På vår nuvarande tekniska nivå har vi precis börjat undersöka exoplanetatmosfärer. JWST är vårt främsta verktyg för uppgiften, och den är bra på det. Men JWST är upptagen med andra uppgifter. 2029 kommer ESA att lansera ARIEL, Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large. ARIEL kommer enbart att fokusera på exoplanetatmosfärer.
I väntan på det teleskopets uppdrag förbereder sig Herbort och hans medforskare för resultaten och vad de betyder för beboelighet. "Den detaljerade förståelsen av själva planeterna blir viktig för att tolka observationer, särskilt för upptäckten av biosignaturer", skriver de. I synnerhet granskar de idén om luftbiosfärer. "Vi strävar efter att förstå förekomsten av dessa näringsämnen i atmosfärer som visar närvaron av vattenmolnkondensat, vilket potentiellt tillåter förekomsten av luftbiosfärer."
Vår systerplanet Venus har en yta som inte kan överlevas. Den extrema värmen och trycket gör planetens yta obeboelig med alla mått vi kan fastställa. Men vissa forskare har föreslagit att liv skulle kunna existera i Venus atmosfär, till stor del baserat på upptäckten av fosfin, en möjlig indikator på liv. Detta är ett exempel på hur en luftbiosfär kan se ut.
"Det här konceptet med luftbiosfärer utökar möjligheterna för potentiell beboelighet från närvaron av flytande vatten på ytan till alla planeter med flytande vattenmoln", förklarar författarna.
Författarna undersökte idén om luftbiosfärer och hur upptäckten av CHNOPS spelar in i dem. De introducerade konceptet med näringstillgänglighetsnivåer i exoplanetatmosfärer. Inom deras ram krävs närvaro av vatten oavsett tillgång på andra näringsämnen. "Vi ansåg vilken atmosfär som helst utan vattenkondensat som obeboelig", skriver de, en nick till vattnets företräde. Forskarna tilldelade olika nivåer av beboelighet baserat på närvaron och mängderna av CHNOPS-näringsämnena.
För att utforska deras ram för näringstillgänglighet vände sig forskarna till simuleringar. De simulerade atmosfärerna höll olika nivåer av näringsämnen, och forskarna tillämpade sitt koncept om näringstillgänglighet. Deras resultat syftar till att förstå inte beboelighet utan den kemiska potentialen för beboelighet. En planets atmosfär kan förändras drastiskt av liv, och denna forskning syftar till att förstå atmosfärens potential för liv.
"Vårt tillvägagångssätt syftar inte direkt till förståelsen av biosignaturer och atmosfärer hos planeter, som är bebodda, utan för de förhållanden under vilka prebiotisk kemi kan uppstå", skriver de. I deras arbete är den lägsta atmosfäriska koncentrationen för att ett näringsämne ska vara tillgängligt 10 9 , eller en ppb (part per billion.)
"Vi finner att för de flesta atmosfärer vid ( p gas, T gas) punkter, där flytande vatten är stabilt, finns CNS-bärande molekyler i koncentrationer över 10 9 ," skriver de. De fann också att kol i allmänhet finns i varje simulerad atmosfär och att svaveltillgängligheten ökar med yttemperaturen. Med lägre yttemperaturer, kväve (N2 , NH3 ) förekommer i ökande mängder. Men med högre yttemperaturer kan kvävet bli utarmat.
Fosfor är en annan sak. "Det begränsande elementet i CHNOPS-elementen är fosfor, som mestadels är bundet i planetskorpan", skriver de. Författarna påpekar att, förr i tiden i jordens atmosfär, begränsade fosforbrist biosfären.
En biosfär från luften är en intressant idé. Men det är inte huvuddraget i forskarnas ansträngningar att upptäcka exoplanetatmosfärer. Ytlivet är deras heliga graal. Det borde inte vara någon överraskning att det fortfarande handlar om flytande vatten, allt i beaktande. "I likhet med tidigare arbete tyder våra modeller på att den begränsande faktorn för beboelighet på ytan av en planet är närvaron av flytande vatten", skriver författarna. I deras arbete, när ytvatten var tillgängligt, var CNS tillgängligt i den lägre atmosfären nära ytan.
Men ytvatten spelar flera roller i atmosfärisk kemi. Det kan binda till vissa näringsämnen under vissa omständigheter, vilket gör dem otillgängliga, och under andra omständigheter kan det göra dem tillgängliga.
"Om vatten finns tillgängligt vid ytan, lagras de element som inte finns i gasfasen i jordskorpans kondensat", skriver författarna. Kemisk vittring kan då göra dem tillgängliga som näringsämnen. "Detta ger en väg för att övervinna bristen på atmosfäriskt fosfor och metaller, som används i enzymer som driver många biologiska processer."
Detta komplicerar saker i världar täckta av hav. Prebiotiska molekyler kanske inte är tillgängliga om det inte finns någon möjlighet för vatten och sten att interagera med atmosfären. "Om det verkligen kan visas att liv kan bildas i ett vattenhav utan något exponerat land, blir denna begränsning svagare, och potentialen för ytans beboelighet blir främst en fråga om vattenstabilitet", skriver författarna.
Vissa av modellerna är överraskande på grund av atmosfäriskt flytande vatten. "Många av modellerna visar närvaron av en flytande vattenzon i atmosfären, som är lös från ytan. Dessa regioner kan vara av intresse för bildandet av liv i former av luftbiosfärer", skriver Herbort och hans kollegor.
Om det är en sak som forskning som denna visar, är planetariska atmosfärer utomordentligt komplexa och kan förändras dramatiskt över tiden, ibland på grund av livet i sig. Den här forskningen är meningsfull för att försöka förstå det hela. Att betona komplexiteten är det faktum att forskarna inte inkluderade stjärnstrålning i sitt arbete. Inklusive det skulle ha gjort ansträngningen svårhanterlig.
Frågan om beboelighet är komplicerad, förvirrad av vår brist på svar på grundläggande frågor. Måste en planets skorpa vara i kontakt med vatten och atmosfären för att CHNOPS-näringsämnena ska vara tillgängliga? Jorden har en tillfällig luftbiosfär. Kan luftbiosfärer vara en viktig del av exoplaneternas beboelighet?
Men bortom alla simuleringar och modeller, hur kraftfulla de än är, vad forskarna behöver mest är mer data. När ARIEL lanseras kommer forskarna att ha mycket mer data att arbeta med. Forskning som denna kommer att hjälpa forskare att förstå vad ARIEL finner.
Mer information: Oliver Herbort et al, Habitability constraints by näringstillgänglighet i atmosfärer av steniga exoplaneter, arXiv (2024). arxiv.org/abs/2404.04029
Tillhandahålls av Universe Today
