Телескоп Уэбба достаточно мощен, чтобы увидеть множество биосигнатур на экзопланетах

Часто считается, что это долгожданное достижение выходит за рамки наших нынешних обсерваторий, но новое исследование утверждает, что космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) может его осуществить.

Большинство экзопланет, найденные до сих пор, были обнаружены транзитным методом. Когда планета проходит перед своей звездой с нашей точки зрения. Несмотря на то, что мы не можем наблюдать за планетой напрямую, мы можем видеть падение яркости звезды на доли процента. Наблюдая за звездами с течением времени, мы можем обнаружить регулярные провалы яркости, указывающие на присутствие планеты.

Яркость звезды падает, потому что планета блокирует часть звездного света. Но если у планеты также есть атмосфера, небольшое количество света пройдет через нее, прежде чем достигнет нас. В зависимости от химического состава атмосферы будут поглощаться определенные длины волн, образуя спектры поглощения в спектрах звездного света. Мы уже давно можем идентифицировать атомы и молекулы по их спектрам поглощения и излучения, поэтому можем определить состав атмосферы планеты с помощью транзитного метода.

Несмотря на то, что идея проста, воплотить ее в жизнь непросто. Во-первых, звездный свет — это не просто постоянный поток света. Есть вспышки, звездные пятна и другие турбулентности, которые вызывают шум в сигнале. Из-за этого трудно даже просто обнаружить планетарные провалы яркости. И хотя планета блокирует менее процента света, количество звездного света, проходящего через атмосферу экзопланеты, действительно ничтожно. Для обнаружения атмосферных спектров потребуется несколько проходов с чрезвычайно подробными наблюдениями за спектрами.

Мы сделали это с несколькими экзопланетами, например, обнаружив присутствие воды и органических соединений, но это было сделано для больших газовых планет с плотной атмосферой. Мы не смогли сделать это с каменистыми мирами, похожими на Землю. Наши телескопы просто недостаточно чувствительны для этого. Но новое исследование, доступное на сервере препринтов arXiv, показывает, что JWST может обнаруживать определенные химические биосигнатуры в зависимости от их содержания в атмосфере.

Команда смоделировала атмосферные условия для пяти широких типов земных миров: мир океана, вулканически активный мир, каменистый мир в период бомбардировки, суперземля и мир, подобный Земле, когда возникла жизнь. Они предположили, что все эти миры имеют поверхностное давление менее 5 земных атмосфер, и рассчитали спектры поглощения для нескольких органических молекул, таких как метан, аммиак и монооксид углерода. Эти молекулы также могут быть образованы небиологическими методами, но они представляют собой хорошую основу для проверки концепции.

Ученые обнаружили, что при достаточно толстой атмосфере JWST, в частности, его прибор NIRSpec G395M/H, может подтвердить присутствие этих молекул в пределах 10 прохождений от планеты. Проще всего это было бы сделать с суперземлями и другими мирами с плотной атмосферой, но это все же возможно для потенциально обитаемых миров.

Учитывая количество необходимых транзитов, нашим лучшим шансом для обнаружения биосигнатур с помощью JWST были бы близкие по орбите миры красных карликов, таких как система Trappist-1, в которой есть несколько потенциально обитаемых планет размером с Землю. Учитывая совпадение биологического и небиологического происхождения, наблюдений JWST может быть недостаточно, чтобы подтвердить существование жизни, но это исследование показывает, что мы очень близки к этой способности.