Новые результаты, опубликованные 13 апреля в журнале AGU Advances, подчеркивают потребность в телескопах следующего поколения, способных характеризовать планетную среду и искать многочисленные свидетельства существования жизни в дополнение к обнаружению кислорода.
«Это полезно, потому что это показывает, что есть способы получить кислород в атмосфере без жизни, но есть и другие наблюдения, которые вы можете сделать, чтобы помочь отличить эти ложные срабатывания от реальных», – сказал первый автор Джошуа Криссансен-Тоттон, научный сотрудник Sagan. на кафедре астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крус. "Для каждого сценария мы пытаемся сказать, что ваш телескоп должен уметь отличать это от биологического кислорода."
В ближайшие десятилетия, возможно, к концу 2030-х годов, астрономы надеются получить телескоп, способный снимать изображения и спектры потенциально похожих на Землю планет вокруг звезд, подобных Солнцу. Соавтор Джонатан Фортни, профессор астрономии и астрофизики и директор Лаборатории других миров UCSC, сказал, что идея состоит в том, чтобы нацеливаться на планеты, достаточно похожие на Землю, чтобы на них могла появиться жизнь и характеризовать их атмосферы.
«Было много дискуссий о том, является ли обнаружение кислорода« достаточным »признаком жизни», – сказал он. "Эта работа действительно свидетельствует о необходимости знать контекст вашего обнаружения. Какие еще молекулы обнаружены помимо кислорода или не обнаружены, и что это говорит вам об эволюции планеты?"
Это означает, что астрономам понадобится телескоп, чувствительный к широкому диапазону длин волн, чтобы обнаруживать различные типы молекул в атмосфере планеты.
Исследователи основывали свои выводы на подробной, сквозной вычислительной модели эволюции каменистых планет, начиная с их расплавленного происхождения и заканчивая миллиардами лет похолодания и геохимических циклов. Варьируя начальный набор летучих элементов на своих модельных планетах, исследователи получили удивительно широкий спектр результатов.
Кислород может начать накапливаться в атмосфере планеты, когда высокоэнергетический ультрафиолетовый свет расщепляет молекулы воды в верхних слоях атмосферы на водород и кислород.
Легкий водород предпочтительно улетает в космос, оставляя кислород позади. Другие процессы могут удалять кислород из атмосферы.
Окись углерода и водород, выделяемые, например, при дегазации из расплавленной породы, вступают в реакцию с кислородом, а выветривание породы также поглощает кислород. Это лишь некоторые из процессов, которые исследователи включили в свою модель геохимической эволюции каменистой планеты.
«Если вы запустите модель для Земли, используя то, что мы считаем первоначальным инвентарем летучих веществ, вы всегда будете получать один и тот же результат – без жизни вы не получите кислород в атмосфере», – сказал Криссансен-Тоттон. "Но мы также нашли несколько сценариев, в которых можно получить кислород без жизни."
Например, планета, которая в остальном похожа на Землю, но начинается с большего количества воды, в конечном итоге превратится в очень глубокие океаны, оказывая огромное давление на кору. Это эффективно останавливает геологическую деятельность, включая все процессы, такие как таяние или выветривание горных пород, которые могут удалить кислород из атмосферы.
В противном случае, когда планета начинается с относительно небольшим количеством воды, поверхность магмы изначально расплавленной планеты может быстро замерзнуть, в то время как вода остается в атмосфере. Эта "паровая атмосфера" помещает достаточно воды в верхние слои атмосферы, чтобы обеспечить накопление кислорода, поскольку вода распадается и водород выходит.
«Типичная последовательность состоит в том, что поверхность магмы затвердевает одновременно с конденсацией воды на поверхности в океаны», – сказал Криссансен-Тоттон. "На Земле, когда вода конденсировалась на поверхности, скорость утечки была низкой. Но если вы сохраняете паровую атмосферу после того, как расплавленная поверхность затвердеет, есть окно примерно в миллион лет, когда кислород может накапливаться, потому что в верхних слоях атмосферы высока концентрация воды и нет расплавленной поверхности, которая могла бы потреблять кислород, образующийся при утечке водорода."
Третий сценарий, который может привести к образованию кислорода в атмосфере, связан с планетой, которая в остальном похожа на Землю, но начинается с более высокого отношения углекислого газа к воде. Это приводит к неуправляемому парниковому эффекту, в результате чего вода становится слишком горячей, чтобы вода могла когда-либо конденсироваться из атмосферы на поверхность планеты.
«В этом сценарии, похожем на Венеру, все летучие вещества начинаются в атмосфере, и лишь немногие из них остаются в мантии, чтобы выделиться и поглотить кислород», – сказал Криссансен-Тоттон.
Он отметил, что предыдущие исследования были сосредоточены на атмосферных процессах, тогда как модель, используемая в этом исследовании, исследует геохимическую и термическую эволюцию мантии и коры планеты, а также взаимодействия между земной корой и атмосферой.
«Это не требует больших вычислительных затрат, но есть много движущихся частей и взаимосвязанных процессов», – сказал он.
Помимо Криссансен-Тоттон и Фортни, в число соавторов входят Фрэнсис Ниммо, профессор наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Санта-Круз, и Николас Воган из Вашингтонского университета в Сиэтле.
Это исследование было поддержано НАСА.