Det extremt kraftfulla rymdteleskopet James Webb lanseras snart. När den väl är utplacerad och på plats vid Earth-Sun Lagrange Point 2, kommer den att börja arbeta. En av dess uppgifter är att undersöka exoplaneternas atmosfärer och leta efter biosignaturer. Det borde vara enkelt, eller hur? Skanna bara av atmosfären tills du hittar syre, stäng sedan din bärbara dator och bege dig till puben: Fanfar, konfetti, Nobelpris.
Naturligtvis vet Universe Today-läsare att det är mer komplicerat än så. Mycket mer komplicerat.
I själva verket är närvaron av syre inte nödvändigtvis tillförlitlig. Det är metan som kan skicka en starkare signal som indikerar närvaron av liv.
Syre kan tyckas vara det självklara att leta efter i en planets atmosfär när man söker efter tecken på liv, men så är inte fallet. Dess närvaro eller brist på sådan är inte en tillförlitlig indikator. Jordens historia gör det tydligt.
Den moderna jordens atmosfär innehåller cirka 21 % syre, och vi vet att det mesta kommer från organismer i planetens hav. Men det finns ett problem: när cyanobakterier på den antika jorden började producera syre som en biprodukt av fotosyntesen, tog det fortfarande väldigt lång tid innan atmosfären blev syresatt, möjligen en miljard år.
Tänk om vi undersökte en exoplanet, hittade inget syre och sedan gick vidare, utan att inse att det fanns liv där nere, i början av att syresätta den världen? Tänk om vi var en miljard år för tidiga och livet inte har syresatt exoplanetens atmosfär ännu? Steniga planeter har många syre sjunker , och biologiskt producerat syre skulle inte hittas fritt i atmosfären förrän dessa sänkor blev mättade.
Konstnärens uppfattning om den tidiga jorden efter flera stora asteroidnedslag som flyttade magma till ytan. Kredit: Simone Marchi/SwRI
Det är vad som hände på jorden, och det är vad vi förväntar oss kan hända i andra steniga världar. På jorden driver geologisk aktivitet upp magma från manteln till jordskorpan. Mycket av mantelmaterialet, som till exempel järn, binder till atmosfäriskt syre och drar det ut ur atmosfären.
Detta är en anledning till att planetforskare fokuserar på andra saker, som metan (CH4). I en ny artikel undersökte forskare potentialen för metan att signalera biologisk aktivitet. De säger att rikligt med metan i en planets atmosfär sannolikt inte kommer från vulkaner och troligen har ett biologiskt ursprung.
Tidningens titel är ' Riklig atmosfärisk metan från vulkanism på jordiska planeter är osannolikt och stärker argumenten för metan som en biosignatur. ” Huvudförfattaren är Nicholas Wogan från Institutionen för jord- och rymdvetenskap, University of Washington och från Virtual Planetary Laboratory vid U of W. Uppsatsen publiceras i The Planetary Science Journal.
Att upptäcka potentiella biosignaturer som metan i atmosfären på avlägsna exoplaneter är knepigt. Men när något som metan väl upptäcks väntar hårdare arbete. Dess närvaro måste undersökas i sammanhanget av planeten själv.
Visat med sin primära spegel fullt utplacerad, är NASAs James Webb rymdteleskop det största och mest tekniskt komplexa rymdvetenskapsteleskop som NASA någonsin har byggt. En dag, förhoppningsvis snart, kommer den äntligen att lanseras. Kredit: NASA/Chris Gunn
Biosignaturforskare har inte väntat passivt på att rymdteleskopet James Webb ska lanseras. De har tänkt mycket på att upptäcka biosignaturer med teleskopet. Forskare har föreslagit att planetariska atmosfärer med rikligt med metan och koldioxid i ojämvikt kan vara en stark biosignatur. I sin artikel påpekar författarna att '... få studier har undersökt möjligheten till icke-biologisk CH4 och CO2 och relaterade kontextuella ledtrådar.' I det här fallet betyder icke-biologiska vulkaner.
Forskartrion undersökte vulkaniska falska positiva effekter till CH4+CO2-biosignaturen på två typer av planeter: en med endast undervattens vulkanisk avgasning, en vattenvärld och en mer som jorden, med både undervattensavgasning och undervattensavgasning. Denna figur från studien visar några av de parametrar som används i modellerna. Bildkredit: Wogan et al, 2020.
Författarna ville använda en termodynamisk modell för att undersöka huruvida avgasning från vulkanisk magma på jordliknande planeter kunde sätta CH4och CO2in i atmosfären. I huvudsak fann de att vulkaner sannolikt inte kommer att producera samma metanmängder som biologiska källor kunde. Det är inte omöjligt, bara osannolikt.
Det beror till stor del på att väte gillar att stanna i magma. H2O är mycket lösligt i magma, vilket begränsar mängden H som avgas och begränsar följaktligen hur mycket CH4 som finns i en planets atmosfär. En annan anledning är att CH4 i sig kräver lågtemperaturmagma för att avgasa, medan majoriteten av jordens magma är högre temperatur.
En siffra från studien. (a) och (b) visar normaliserad metanproduktion för en havsvärld och en jordliknande värld. (c) och (c) visar metanproduktion multiplicerad med jordens magmaproduktionshastighet. För den moderna jordens magmaproduktionshastighet kommer vulkaner sannolikt att producera försumbar CH4, vilket stärker argumentet för metan som biosignatur. Bildkredit: Wogan et al, 2020
I de osannolika fall där vulkanism kunde producera stora mängder metan, fann författarna, skulle de också producera koldioxid. Den antika arkeiska jorden var mycket mer vulkaniskt aktiv än den moderna jorden. Under den arkeiska eonen var jordens värmeflöde upp till tre gånger mer än det är för närvarande. Enligt studien kunde den ha producerat 25 gånger mer magma än den moderna jorden och mycket mer metan. Men samma aktivitet som producerade allt det där metanet skulle också producera mycket mer koldioxid. Det, påpekar författarna, är ett detekterbart falskt positivt. Men om rikligt med metan upptäcks utan åtföljande mängder CO2, då är det en mer pålitlig biosignatur.
En konstnärs illustration av den tidiga arkeiska jorden, när planeten var mycket mer vulkaniskt aktiv. Bildkredit: Av Tim Bertelink – Eget arbete, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=57273984
Författarna säger att det skulle vara svårt att förklara detektering av metan och koldioxid utan att åberopa biologiska källor, åtminstone för alla planeter som liknar jorden. De drog också slutsatsen att en liten eller försumbar mängd kolmonoxid som detekteras i en atmosfär stärker CH4+ CO2biosignatur eftersom '... livet lätt förbrukar atmosfärisk CO, medan reducering av vulkaniska gaser sannolikt orsakar CO att byggas upp i en planets atmosfär.'
Forskarna avslutar med en varning och påpekar att allt detta arbete är baserat på vad vi vet om jorden och andra planeter i vårt eget solsystem. Hur långt den kunskapen kan utvidgas till tusentals olika exoplaneter är oklart.
'Dessa slutsatser bör tas med försiktighet eftersom de är baserade på vad man förstår om processer som sker på jorden och vårt solsystem, vilket kan vara ett mycket sparsamt urval av vad som är möjligt', skriver de.
Mer:
- Publicerad Forskning: Riklig atmosfärisk metan från vulkanism på jordiska planeter är osannolik och stärker argumenten för metan som en biosignatur
- University of Washington: Virtual Planetary Laboratory
- Universum idag: Mars Express såg samma metanspik som nyfikenhet upptäckte från Mars yta