Vi vet att det finns tusentals exoplaneter där ute, med många miljoner fler som väntar på att bli upptäckta. Men de allra flesta exoplaneter är helt enkelt obeboeliga. För de få som kan vara beboeliga kan vi bara avgöra om de är det genom att undersöka deras atmosfärer. LIFE, den stora interferometern för exoplaneter, kan hjälpa.
Sökandet efter biosignaturer på potentiellt beboeliga exoplaneter håller på att värmas upp. JWST har framgångsrikt samlat in vissa atmosfäriska spektra från exoplanetatmosfärer, men den har många andra jobb att göra och att observera tid är mycket efterfrågad. Ett planerat rymdteleskop vid namn LIFE är dedikerat till att hitta biosignaturer för exoplaneter, och nyligen gav forskare det ett test:kan det upptäcka jordens biosignaturer?
Som en interferometer består LIFE av fem separata teleskop som kommer att arbeta unisont för att utöka teleskopets arbetsstorlek. LIFE utvecklas av ETH Zürich (Federal Institute of Technology Zürich) i Schweiz. LIFE kommer att observeras i mitten av infrarött, där spektrallinjerna från de viktiga bioindikativa kemikalierna ozon, metan och dikväveoxid kan hittas.
LIFE kommer att ligga vid Lagrange Point 2, cirka 1,5 miljoner km (1 miljon miles) bort, där JWST också finns. Från den platsen kommer den att observera en lista över exoplanetmål i hopp om att hitta biosignaturer. "Vårt mål är att upptäcka kemiska föreningar i ljusspektrumet som antyder liv på exoplaneterna", förklarade Sascha Quanz, professor för exoplaneter och boende vid ETH Zürich, som leder LIFE-initiativet.
LIFE är fortfarande bara ett koncept och forskare ville testa dess prestanda. Eftersom det inte har byggts ännu använde ett team av forskare jordens atmosfär som ett testfall. De behandlade jorden som om den vore en exoplanet och testade LIFEs metoder mot jordens kända atmosfäriska spektrum under olika förhållanden. De använde ett verktyg som heter LIFEsim för att arbeta med datan. Forskare använder ofta simulerad data för att testa uppdragskapacitet, men i det här fallet använde de riktiga data.
Deras resultat publiceras i The Astronomical Journal . Forskningen har titeln "Large Interferometer For Exoplanets (LIFE). XII. Detekterbarheten av Capstone-biosignaturer i det mellaninfraröda - sniffa exoplanetär skrattgas och metylerade halogener." Huvudförfattare är Dr Daniel Angerhausen, astrofysiker och astrobiolog vid ETH i Zürich.
I ett verkligt scenario skulle jorden bara vara en avlägsen, nästan omöjlig att urskilja fläck. Allt som LIVET skulle se är planetens atmosfäriska spektrum, som skulle förändras över tiden beroende på vilka vyer teleskopet fångade och, kritiskt, hur länge det observerade det.
Dessa spektra skulle samlas in över tiden, och det leder till en viktig fråga:hur skulle observationsgeometrin och årstidsvariationerna påverka LIFEs observationer?
Lyckligtvis för forskargruppen har vi gott om observationer av jorden för dem att arbeta med. Forskarna arbetade med tre olika observationsgeometrier:två vyer från polerna och en från ekvatorialområdet. Ur dessa tre synpunkter arbetade de med atmosfäriska data från januari och juli, vilket står för de största säsongsvariationerna.
Även om planetariska atmosfärer kan vara extremt komplexa, fokuserar astrobiologer på vissa aspekter för att avslöja en planets potential att vara värd för liv. Av särskilt intresse är kemikalierna N2 0, CH3 Cl och CH3 Br (lustgas, klormetan och brommetan), som alla kan framställas biogent. "Vi använder en uppsättning scenarier härledda från kemiska kinetikmodeller som simulerar atmosfärssvaret för olika nivåer av biogen produktion av N2 O, CH3 Cl och CH3 Br i O2 -rika jordiska planetatmosfärer för att producera framåtmodeller för vår LIFEsim-observationssimulatorprogramvara", skriver författarna.
I synnerhet ville forskarna veta om LIFE kommer att kunna detektera CO2 , vatten, ozon och metan på planeten jorden på cirka 30 ljusår bort. Dessa är tecken på en tempererad, livsuppehållande värld – särskilt ozon och metan, som produceras av livet på jorden – så om LIV kan upptäcka biologisk kemi på jorden på detta sätt kan det upptäcka det på andra världar.
LIFE kunde detektera CO2 , vatten, ozon och metan på jorden. Den upptäckte också några ytförhållanden som indikerar flytande vatten. Spännande nog berodde LIFEs resultat inte på vilken vinkel jorden ses från. Detta är viktigt eftersom vi inte vet vilka vinklar LIVET kommer att observera exoplaneter från.
Säsongsfluktuationer är den andra frågan, och de var inte lika lätta att observera. Men lyckligtvis ser det ut som att det inte kommer att vara en begränsande faktor. "Även om atmosfärisk säsongsvariation inte är lätt att observera, visar vår studie att nästa generations rymduppdrag kan bedöma om närliggande tempererade terrestra exoplaneter är beboeliga eller till och med bebodda", säger Quanz.
Det räcker dock inte att upptäcka de önskade kemikalierna. Den kritiska biten är hur lång tid det tar. Att bygga en rymdinterferometer som detekterade dessa kemikalier men som tog för mycket tid att göra det skulle inte vara praktiskt eller effektivt. "Vi använder resultaten för att härleda observationstider som behövs för att detektera dessa scenarier och tillämpar dem för att definiera vetenskapliga krav för uppdraget", skriver forskargruppen i sin artikel.
För att måla en större bild av LIFEs observationstider tog forskarna fram en lista med mål. De skapade en "... avståndsfördelning av HZ-planeter med radier mellan 0,5 och 1,5 jordradier runt M och FGK-typ stjärnor inom 20 pc av solen som är detekterbara med LIV." Data för dessa mål kommer från NASA och från annan tidigare forskning.
Resultaten visar att det bara behövs några få dagar för vissa mål, medan det för andra kan ta upp till 100 dagar att upptäcka relevanta mängder.
Det teamet kallar "gyllene mål" är det enklaste att observera. Planeter i Proxima Centauri är ett exempel på den här typen av mål. Endast några dagars observation behövs för dessa planeter. Det kommer att ta ungefär tio dagar av observationer med LIFE att observera "vissa standardscenarier som tempererade, jordlevande planeter runt M-stjärnvärdar vid fem pc", skriver forskarna. De mest utmanande fallen som fortfarande är möjliga är exoplaneter som är jordtvillingar cirka 5 parsek bort. Enligt resultaten behöver LIFE mellan cirka 50–100 dagars observation för att upptäcka biosignaturerna.
LIVET är fortfarande bara ett potentiellt uppdrag vid denna tidpunkt. Det är inte det första föreslagna uppdraget som enbart skulle fokusera på exoplaneternas beboelighet. År 2023 föreslog NASA Habitable Worlds Observatory (HWO). Dess mål är att direkt avbilda minst 25 potentiellt beboeliga världar och sedan söka efter biosignaturer i deras atmosfärer.
Men enligt författarna visar deras resultat att LIV är det bästa alternativet.
"Om det finns exoplanetära stjärnsystem av sen typ i solområdet med planeter som uppvisar globala biosfärer som producerar N2 O och CH3 X-signaler kommer LIFE att vara det bäst lämpade framtida uppdraget för att systematiskt söka efter och så småningom upptäcka dem", avslutar de.
Mer information: Daniel Angerhausen et al, Large Interferometer For Exoplanets (LIFE). XII. Detekterbarheten av Capstone-biosignaturer i det mellaninfraröda — sniffa exoplanetär skrattgas och metylerade halogener, The Astronomical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-3881/ad1f4b
Tillhandahålls av Universe Today
