Huipputehokas James Webb -avaruusteleskooppi laukaistaan pian. Kun se on otettu käyttöön ja paikallaan Earth-Sun Lagrange Point 2:ssa, se alkaa toimia. Yksi sen tehtävistä on tutkia eksoplaneettojen ilmakehää ja etsiä biosignatuureja. Sen pitäisi olla yksinkertaista, eikö? Selaa ilmapiiriä, kunnes löydät happea, sulje sitten kannettava tietokone ja suuntaa pubiin: Fanfaari, konfetti, Nobel-palkinto.
Tietenkin Universe Todayn lukijat tietävät, että se on monimutkaisempi. Paljon monimutkaisempi.
Itse asiassa hapen läsnäolo ei välttämättä ole luotettavaa. Se on metaani, joka voi lähettää voimakkaamman signaalin, joka osoittaa elämän olemassaolon.
Happi saattaa tuntua itsestään selvältä asialta, jota planeetan ilmakehästä etsitään, kun etsitään elämän merkkejä, mutta näin ei ole. Sen olemassaolo tai puuttuminen ei ole luotettava indikaattori. Maan historia tekee tämän selväksi.
Nykyajan maapallon ilmakehä sisältää noin 21 % happea, ja tiedämme, että suurin osa siitä tulee planeetan valtamerien eliöistä. Mutta siinä on ongelma: kun syanobakteerit muinaisella maapallolla alkoivat tuottaa happea fotosynteesin sivutuotteena, kesti silti hirvittävän kauan ennen kuin ilmakehä hapettui, mahdollisesti miljardi vuotta.
Entä jos tutkisimme eksoplaneettaa, emme löytäneet happea, ja sitten jatkaisimme tietämättämme, että siellä oli elämää alhaalla, kun maailma hapetettiin? Entä jos olisimme miljardi vuotta liian aikaisin, eikä elämä ole vielä hapettanut eksoplaneetan ilmakehää? Kallioplaneetoilla on monia happi laskeutuu , ja biologisesti tuotettua happea ei löydettäisi vapaana ilmakehästä ennen kuin ne nielut kyllästyisivät.
Taiteilijan käsitys varhaisesta maapallosta useiden suurten asteroiditörmäysten jälkeen, jotka siirtävät magmaa pintaan. Luotto: Simone Marchi/SwRI
Näin tapahtui maan päällä, ja sitä odotamme tapahtuvan muissa kivimaailmassa. Maapallolla geologinen toiminta vaivaa magmaa vaipasta maankuoreen. Suuri osa vaippamateriaalista, kuten esimerkiksi rauta, sitoutuu ilmakehän happeen ja vetää sen pois ilmakehästä.
Tämä on yksi syy, miksi planeettatieteilijät keskittyvät muihin asioihin, kuten metaaniin (CH4). Uudessa artikkelissa tutkijat tutkivat metaanin mahdollisuuksia signaalin biologiseen aktiivisuuteen. He sanovat, että planeetan ilmakehässä oleva runsas metaani ei todennäköisesti ole peräisin tulivuorista ja sillä on todennäköisesti biologinen alkuperä.
Lehden otsikko on ' Runsas ilmakehän metaani vulkanismista maanpäällisillä planeetoilla on epätodennäköistä ja vahvistaa metaania biosignaturena. Pääkirjoittaja on Nicholas Wogan Washingtonin yliopiston Earth and Space Sciences -osastolta ja Virtuaalinen planeettalaboratorio W:n yliopistossa. Paperi on julkaistu The Planetary Science Journalissa.
Mahdollisten biosignatuurien, kuten metaanin, havaitseminen kaukaisten eksoplaneettojen ilmakehässä on hankalaa. Mutta kun jotain metaanin kaltaista havaitaan, odottaa kovempi työ. Sen läsnäoloa on tutkittava planeetan itsensä yhteydessä.
NASAn James Webb -avaruusteleskooppi on suurin ja teknisesti monimutkaisin avaruustieteellinen teleskooppi, jonka NASA on koskaan rakentanut. Eräänä päivänä, toivottavasti pian, se vihdoin käynnistyy. Kiitokset: NASA/Chris Gunn
Biosignatuuritutkijat eivät ole odottaneet toimettomana James Webbin avaruusteleskoopin laukaisua. He ovat pohtineet paljon biosignatuurien havaitsemista kaukoputkella. Tutkijat ovat ehdottaneet, että planeetan ilmakehät, joissa on runsaasti metaania ja hiilidioksidia epätasapainossa, voisivat olla vahva biosignature. Kirjoittajat huomauttavat artikkelissaan, että '...harvat tutkimukset ovat tutkineet ei-biologisen CH4:n ja CO2:n mahdollisuutta ja niihin liittyviä kontekstuaalisia vihjeitä.' Tässä tapauksessa ei-biologinen tarkoittaa tulivuoria.
Tutkijakolmio tutki vulkaanisia vääriä positiivisia tuloksia CH4+CO2-biosignatuurille kahden tyyppisillä planeetoilla: toisella vain sukellusveneen vulkaaninen kaasunpoisto, vesimaailma ja toinen maapallon kaltainen, sekä merenalaisten että subaerialien kaasujen poisto. Tämä tutkimuksen kuva esittää joitakin malleissa käytettyjä parametreja. Kuvan luotto: Wogan et al, 2020.
Kirjoittajat halusivat käyttää termodynaamista mallia tutkiakseen, voisiko vulkaanisen magman kaasuttaminen Maan kaltaisilla planeetoilla aiheuttaa CH4ja CO2ilmakehään. Pohjimmiltaan he havaitsivat, että tulivuoret eivät todennäköisesti tuottaisi samoja metaanimääriä kuin biologiset lähteet. Se ei ole mahdotonta, vain epätodennäköistä.
Tämä johtuu suurelta osin siitä, että vety haluaa pysyä magmassa. H2O on erittäin liukoinen magmaan, mikä rajoittaa poistuvan H:n määrää ja siten rajoittaa CH4:n määrää planeetan ilmakehässä. Toinen syy on se, että CH4 itsessään vaatii matalan lämpötilan magmaa poistuakseen kaasusta, kun taas suurin osa maapallon magmasta on korkeampaa lämpötilaa.
Luku tutkimuksesta. (a) ja (b) osoittavat normalisoitua metaanin tuotantoa valtamerimaailmassa ja Maan kaltaisessa maailmassa. (c) ja (c) osoittavat metaanin tuotannon kerrottuna Maan magman tuotantonopeudella. Nykyaikaisen Maan magman tuotantonopeuden kannalta tulivuoret tuottavat todennäköisesti mitätöntä CH:a4, joka vahvistaa metaanin käyttöä biosignatuurina. Kuvan luotto: Wogan et al, 2020
Niissä epätodennäköisissä tapauksissa, joissa vulkanismi voisi tuottaa suuria määriä metaania, kirjoittajat havaitsivat, ne tuottaisivat myös hiilidioksidia. Muinainen arkeinen maapallo oli paljon vulkaanisesti aktiivisempi kuin nykyinen maa. Arkean eonin aikana maapallon lämpövirta oli jopa kolme kertaa suurempi kuin se on tällä hetkellä. Tutkimuksen mukaan se olisi voinut tuottaa 25 kertaa enemmän magmaa kuin nykyinen Maa ja paljon enemmän metaania. Mutta sama toiminta, joka tuotti kaiken metaanin, tuottaisi myös paljon enemmän hiilidioksidia. Se, kirjoittajat huomauttavat, on havaittavissa oleva väärä positiivinen. Mutta jos runsaasti metaania havaitaan ilman mukana tulevia CO-määriä2, se on luotettavampi biosignatuuri.
Taiteilijan esitys varhaisesta arkeisesta maapallosta, jolloin planeetta oli paljon vulkaanisesti aktiivisempi. Kuvan luotto: Tim Bertelink – Oma työ, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=57273984
Kirjoittajat sanovat, että olisi vaikea selittää metaanin ja hiilidioksidin havaitsemista ilman biologisia lähteitä, ainakin kaikkien samankaltaisten planeettojen osalta. He myös päättelivät, että pieni tai mitätön määrä ilmakehässä havaittua hiilimonoksidia vahvistaa CH:ta4+ CO2biosignatuuri, koska '...elämä kuluttaa helposti ilmakehän hiilidioksidia, kun taas vulkaanisten kaasujen vähentäminen aiheuttaa todennäköisesti hiilimonoksidin kertymistä planeetan ilmakehään.'
Tutkijat päättävät varoituksen huomauttaen, että tämä työ perustuu siihen, mitä tiedämme maasta ja muista oman aurinkokuntamme planeetoista. On epäselvää, kuinka pitkälle tämä tieto voidaan laajentaa tuhansiin erilaisiin eksoplaneettoihin.
'Näihin johtopäätöksiin tulee suhtautua varoen, koska ne perustuvat siihen, mitä ymmärretään maapallolla ja aurinkokunnassamme tapahtuvista prosesseista, mikä saattaa olla hyvin harvaa mahdollista', he kirjoittavat.
Lisää:
- Julkaistu tutkimus: Runsas ilmakehän metaani vulkanismista maanpäällisillä planeetoilla on epätodennäköistä ja vahvistaa metaania biosignatuurina
- Washingtonin yliopisto: Virtuaalinen planeettalaboratorio
- Universumi tänään: Mars Express näki saman metaanipiikin, jonka Curiosity havaitsi Marsin pinnalta