Att upptäcka exoplaneter är nästan rutin nu. Vi har hittat över 5 500 exoplaneter, och nästa steg är att studera deras atmosfärer och leta efter biosignaturer. Rymdteleskopet James Webb leder vägen i det arbetet. Men i vissa exoplanetatmosfärer kan blixten göra JWST:s jobb svårare genom att skymma vissa potentiella biosignaturer samtidigt som de förstärker andra.
Att upptäcka biosignaturer i atmosfären på avlägsna planeter är fyllt med svårigheter. De annonserar inte sin närvaro, och signalerna vi får från exoplanetatmosfärer är komplicerade. Ny forskning lägger ytterligare en komplikation till ansträngningen. Den säger att blixtar kan maskera närvaron av saker som ozon, en indikation på att komplext liv kan existera på en planet. Det kan också förstärka närvaron av föreningar som metan, vilket anses vara en lovande biosignatur.
Den nya forskningen har titeln "The effect of lightning on the atmospheric chemistry of exoplanets and potential biosignatures", och den har godkänts för publicering i tidskriften Astronomy and Astrophysics . Den är tillgänglig på arXiv förtrycksserver. Huvudförfattare är Patrick Barth, forskare från rymdforskningsinstitutet vid Österrikiska vetenskapsakademin.
Medan vi har upptäckt över 5 500 exoplaneter, är bara 69 av dem i de potentiellt beboeliga zonerna runt sina stjärnor. De är steniga planeter som får tillräckligt med energi från sina stjärnor för att potentiellt kunna behålla flytande vatten på sina ytor. Vårt sökande efter biosignaturer är fokuserat på detta lilla antal planeter.
Det viktiga nästa steget är att avgöra om dessa planeter har atmosfärer och sedan vad sammansättningen av dessa atmosfärer är. JWST är vårt mest kraftfulla instrument för dessa ändamål. Men för att förstå vad JWST visar oss i avlägsna atmosfärer måste vi veta vad dess signaler säger oss. Forskning som denna hjälper forskare att förbereda sig för JWST:s observationer genom att uppmärksamma dem på potentiella falska positiva och maskerade biosignaturer.
I sin forskning kombinerade författarna laboratorieexperiment med fotokemisk och radiativ överföringsmodellering. Atmosfärer kan vara utomordentligt komplexa, och inga två exoplaneter kommer sannolikt att ha samma atmosfäriska egenskaper. Men fysik och kemi dikterar vad som kan hända, och fotokemiska och strålningsöverföringsmodeller kan hantera tusentals olika typer av kemiska reaktioner i atmosfärer.
I laboratorieexperimenten stod gnistorladdningen för blixten. Forskarna fokuserade på atmosfärer som innehåller N2 , CO2 och H2 och de olika produkter som blixten producerade. Annan forskning har gjort detsamma, men det här arbetet är annorlunda. Tidigare forskning fokuserade på antingen enskilda produkter eller endast ett litet antal produkter. Men Barth och hans kollegor utökade det arbetet. De studerade produktionen av ett större antal kemikalier.
Det gjorde det möjligt för dem att "... undersöka trender i våra experiment angående oxidationstillståndet hos blixtprodukter och påverkan av vattenånga," förklarar de. "Vi var särskilt intresserade av blixtens effekt på produktionen av potentiella (anti-)biosignaturer i samband med aktuella och kommande observationer av exoplanetära atmosfärer."
Forskarna fann att blixtens effekt på biosignaturer beror på typen av atmosfär och mängden blixtar. De tittade på två breda typer av atmosfärer:reducerande och oxiderande. En reducerande atmosfär har inget syre eller andra oxiderande gaser och kan inte producera några oxiderade föreningar. En oxiderande atmosfär är motsatsen. Det innehåller syre, vilket producerar oxiderade föreningar.
Deras resultat visar att för en planet med ytvatten och beboeliga förhållanden med en något reducerande eller lätt oxiderande atmosfär är det mindre sannolikt att blixtar producerar falska positiva resultat. Författarna förutspår att "... för den typ av atmosfärer som studeras här, kan blixten inte producera ett falskt positivt NH3 eller CH4 biosignatur." De säger att det också är osannolikt att blixtar skulle kunna producera en falsk positiv N2 O biosignatur.
Men blixten producerade några föreningar, inklusive CO och NO. Forskarna använde produktionshastigheterna för båda kemikalierna för att beräkna hur blixtar påverkar atmosfärens kemiska sammansättning. Därefter tillämpade de den modellen på planeter i jordstorlek i solens beboeliga zoner och TRAPPIST-1 för både oxiska och anoxiska atmosfärer. De genomförde simuleringar av dessa scenarier på planeter med och utan biosfärer. De beräknade också de simulerade spektra från dessa världar för att identifiera kemiska signaturer.
Deras resultat? "Vi finner att blixten inte kan producera en falsk-positiv CO-antibiosignatur på en bebodd planet", förklarar författarna. "I en syrerik atmosfär kan dock blixthastigheter endast ett fåtal gånger högre än den moderna jordens masker maskera O3 [ozon] biosignatur."
Men i andra situationer kan blixten förhindra falska positiva resultat. I en anoxisk atmosfär på en planet som kretsar kring en gammal röd dvärg, kan blixtar som är vanligare än jordens ta bort en typ av förvirrande falskt positiva.
"På liknande sätt, i en anoxisk, abiotisk atmosfär på en planet som kretsar kring en sen M-dvärg, kan blixtar med blixthastigheter tio gånger eller mer än den moderna jorden ta bort den abiotiska ozonfunktionen som produceras av CO2 fotolys, förhindrar en falsk-positiv biosignaturdetektering", förklarar de. Att säga att det är komplicerat är en underdrift.
Det finns ännu en twist. Blixtnedslag kanske inte förhindrar andra viktiga falska positiva. "... blixten kanske inte kan förhindra alla falskt positiva O2 scenarier för CO2 -rika jordlevande planeter som kretsar kring ultracoola M-dvärgar," skriver författarna.
De med ett öga för ironi kanske lägger märke till några här. Forskare är ganska säkra på att blixten spelade en roll i livet på jorden genom att ge den energiska gnistan som fick bollen i rullning. Men det faktum att blixten också kan göra det svårare för oss att upptäcka livet är lite ironiskt.
Men ironi är ett mänskligt påhitt. Naturen bryr sig inte. Den gör vad den gör, och det är upp till oss att ta reda på det.
"Sammanfattningsvis ger vårt arbete nya begränsningar för fullständig karakterisering av atmosfäriska processer och ytprocesser på exoplaneter", avslutar författarna.
Mer information: Patrick Barth et al, Effekten av blixt på den atmosfäriska kemin hos exoplaneter och potentiella biosignaturer, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.13682
Journalinformation: arXiv , Astronomie och astrofysik
Tillhandahålls av Universe Today
