Hvordan måler vi tegn på liv i rummet?

Ligesom en forbrydelse efterlader sig spor, som politiet kan efterforske, så vil liv på andre planeter også skabe spor, som vi måske kan se – og, hvis vi er meget heldige – også forstå.

Disse spor hedder biosignaturer. Vi har i mange år ledt efter biosignaturer i vores eget solsystem, især på Mars, men i de kommende år skal eftersøgningen udvides til Venus, Jupiters måne Europa samt Saturns måner Enceladus og Titan.

I Solsystemet foregår eftersøgningen ved hjælp af rumsonder, men nu har James Webb-teleskopet givet os helt nye muligheder for at lede efter liv på exoplaneter mange lysår borte.

Det sker ved en præcis analyse af atmosfæren omkring en exoplanet, og det er denne metode, vi vil se nærmere på i denne artikel.

Metoden har været kendt i mange år, men det er først med James Webb-teleskopet, at det er blevet muligt at gennemføre så præcise målinger på en exoplanet mange lysår borte, at man med sikkerhed kan afgøre, om atmosfæren indeholder biosignaturer.

Her taler vi kun om liv, som vi kender det. Hvis der findes livsformer helt forskellige fra dem, vi kender fra Jorden, vil det sikkert også efterlade spor – men vi vil næsten sikkert ikke kunne genkende sporene som biosignaturer.

Eksempler på biosignaturer

Hvis der er liv på en planet, kan dette liv ikke undgå at påvirke atmosfæren.

Jorden er jo et godt eksempel, da indholdet af ilt i atmosfæren jo skyldes de grønne planter.

Hvis der ikke hele tiden produceres ilt, så vil ilten hurtigt forsvinde, fordi den går i kemisk forbindelse med klipper.

Resultatet er, at Jordens atmosfære ikke er i kemisk ligevægt, fordi den hele tiden kræver, at der bliver tilført ilt - men som vi skal se, er ilt alligevel ikke et helt sikkert tegn på liv.

Vi giver en kort oversigt over nogle af de vigtigste biosignaturer:

Ilt

Det har altid være anset for et sikkert tegn på liv, da ilten i Jordens atmosfære jo er produceret af planter.

Men det er man ikke længere så sikker på, da en løbsk drivhuseffekt også kan skabe en i hvert fald kortlivet iltatmosfære.

Ved en løbsk drivhuseffekt kan der komme meget vanddamp op i atmosfæren, som sollyset spalter i ilt og brint.

Brinten forsvinder ud i rummet, men ilten bliver tilbage. Da ilt er kemisk meget reaktiv, vil ilt produceret på denne måde hurtigt forsvinde, da ilten let går i kemisk forbindelse med klipper.

Så vidt vi ved, er det kun liv, der kan vedligeholde en vedvarende produktion af ilt og på den måde opretholde en iltrig atmosfære i flere milliarder år.

Ilt alene er derfor kun et sandsynligt, men ikke helt sikkert, tegn på liv.

Metan

Her på Jorden produceres det meste metan i atmosfæren af både mikroorganismer og dyr, men kan også produceres ved geologiske processer.

Så metan alene er ikke et sikkert tegn på liv.

Mars er et godt eksempel. Man har fundet meget små mængder metan på Mars, men ikke hele tiden og ikke alle steder.

Om dette metan kommer fra mikroorganismer eller geologi, ved man stadig ikke. Men der må dannes metan hele tiden, for kommer den først op i atmosfæren, vil den nedbrydes i løbet af bare 300 år af Solens ultraviolette stråling.

Mars har nemlig ikke noget ozonlag, der kan blokere for UV-stråling fra Solen.

Nogle målinger tyder på, at produktionen på bare 270 ton metan om året både er meget lokaliseret til enkelte steder og måske også er årstidsafhængig. Det kunne tyde på en biologisk produktion, men man kan stadig ikke udelukke en geologisk kilde til metanen.

Af denne grund er fundet af meget små mængder metan alene på Mars ikke set som et bevis for liv, men kun som et tegn på, at der kan være liv.

Metan og ilt

Helt anderledes stiller sagen sig, hvis man finder både metan og ilt i atmosfæren.

Ilt nedbryder nemlig lynhurtigt metan, der har formlen CH₄. Et kulstofatom i et metanmolekyle vil nemlig meget hellere kombinere sig med ilt end med brint, så metan + ilt omdannes hurtigt til CO₂ og vand.

Finder man metan og ilt sammen, som tilfældet er i Jordens atmosfære, så skal der hele tiden produceres ret betydelige mængder af metan, og det er svært at forestille sig uden liv.

Jordens atmosfære er altså ikke i kemisk ligevægt, og det anses for et ret sikkert tegn på liv.

CO2 uden CO

Vi opfatter jo CO₂ som en drivhusgas og ikke som et tegn på liv.

Men sagen er anderledes, hvis vi finder en planet med CO₂, men næsten ingen CO (kulilte) i atmosfæren.

Vulkaner kan udsende meget store mængder af både CO₂ og CO, men her på Jorden ved vi, at mange mikroorganismer kan udnytte CO i deres stofskifte, så hvis man ikke finder CO eller kun meget lidt CO kan det være tegn på liv, fordi mikroorganismer så at sige har ’spist’ kulilten.

Hvor og hvordan leder man efter biosignaturer?

Når James Webb skal lede efter biosignaturer ved at analysere en atmosfære, så skal målingerne foretages, når en exoplanet i sin bane kommer ind foran den stjerne, planeten kredser om.

Noget af lyset fra stjernen vil da passere gennem planetens atmosfære, før det når frem til teleskopet.

I atmosfæren absorberes visse bølgelængder afhængig af, hvilke molekyler der findes i atmosfæren.

Det lys, som har passeret gennem planetens atmosfære, danner derfor et spektrum, hvor der er en række mørke linjer. Hver mørk linje markerer en bølgelængde, hvor atmosfæren har absorberet lyset fra stjernen.

Det er disse mørke linjer, som viser atmosfærens kemiske sammensætning.

Men observationstid på James Webb teleskopet er kostbar, så teleskopet bliver kun rettet mod planeter, hvor man på forhånd er nogenlunde sikker på at kunne få gode målinger.

Derfor har man gennem flere år udarbejdet forskellige lister over planeter, som kunne være egnede til en nøjere undersøgelse.

En af disse lister hedder WASP. Navnet er en forkortelse for Wide Angle Search for Planets, og det er et samarbejde mellem otte observatorier, der begyndte allerede i 2006.

Til søgningen er anvendt specialbyggede teleskoper udstyret med vidvinkel-kameraer med stort synsfelt. De planeter, som blev fundet på denne måde, hedder derfor alle WASP efterfulgt af et nummer, og WASP-listen nærmer sig nu de 200 planeter.

Den første planet, James Webb undersøgte, blev taget fra WASP-listen, ikke fordi man her forventede at finde tegn på liv, men fordi man her kunne afprøve James Webb.

Valget faldt på WASP 39b, der har en afstand på godt 700 lysår.

Planeten er af den type, som man kalder for en ’hot Jupiter’ - det er en gasplanet ligesom Jupiter, men meget varm.

Temperaturen på planeten er målt til over 800 grader, og forklaringen er, at WASP 39b kredser om en stjerne på Solens størrelse i en afstand på kun 7 millioner kilometer og med en omløbstid på bare fire døgn.

Den høje temperatur betyder, at WASP 39b er blæst op, præcis som en varmluftballon. Så selv om planeten kun har en masse på 28 procent af Jupiters masse, så har den en radius større end Jupiter.

Massefylden er under 0,2 g/cm³, altså fem gange mindre end vands massefylde, hvilket er helt ekstremt lavt for en planet.

Naturligvis har man siden opdagelsen forsøgt at analysere planetens atmosfære med rumteleskoperne Hubble og Spitzer – og man fandt da også CO₂, CO, vanddamp, natrium og kalium.

Den store overraskelse var også at finde svovldioxid, SO₂, i så store mængder, at den må være dannet ved en fotokemisk proces (en proces drevet af lyset fra stjernen) mellem svovlbrinte og vanddamp.

Som ventet fandt man ingen biosignaturer eller andre spor af liv, men nu ved vi, hvad James Webb kan præstere, når den i de kommende år begynder at undersøge mere ’livsvenlige’ planeter.

Hvad bliver næste skridt?

Tiden på James Webb er meget kostbar, så nu hvor jagten på biosignaturer for alvor går ind, skal planeten udvælges meget nøje ud fra to kriterier:

• Planeten skal være af nogenlunde samme type som Jorden, da det vil øge muligheden for at finde liv, som vi kender det, og som kan skabe biosignaturer, vi kan genkende. Det kræver, at planeten kredser i den såkaldt ’beboelige zone’ omkring stjernen, hvor temperaturen er egnet for liv.
  
• Mulighed for at få gode observationer. Det kræver, at planeten set fra Jorden med mellemrum kommer ind foran sin stjerne, og at der er en ikke alt for tynd atmosfære. Atmosfæren skal helst være uden et tæt skylag, der gør det umuligt at måle på de nedre atmosfærelag.

Selv om man har både WASP-listen og andre lister over mulige mål for teleskopet, så er der for tiden mindre end 10 virkelig gode kandidater, men man leder naturligvis hele tiden efter nye muligheder.

Der er mange hensyn at tage, og blandt dem er typen af stjerne, planeten kredser omkring.

De fleste exoplaneter, vi kender, kredser om små røde dværgstjerner, mindre og koldere end Solen – og det kan være et problem. Små stjerner har så lille en masse, at de er lang tid om at dannes ved sammentrækning af en gasmasse.

I denne fase kan selv små stjerner være ret så uregerlige og udsende store mængder af stråling med høj energi.

Når hertil kommer, at planeter omkring små stjerner ofte har en tendens til at dannes i baner meget tæt på stjernen, så har vi et problem.

I den fase, hvor den røde stjerne er ved at ’falde til ro’, kan den nemlig med sin stråling stort set fjerne atmosfæren fra en planet tæt på.

Og hvis en planet omkring en rød dværgstjerne skal have en så høj temperatur, at den er beboelig, så skal den være meget tæt på sin stjerne og løber derved en høj risiko for at ende uden en atmosfære.

Tre af de ellers gode planeter på listen stammer fra det meget omtalte Trappist-system, hvor hele syv planeter danner et meget, meget lille planetsystem om en meget, meget lille rød stjerne.

Nu skal man så undersøge, om disse tre planeter har en atmosfære, hvor man kan finde biosignaturer.

Det kan gøres ret simpelt ved at måle temperaturforskellen mellem dagside og natside. Da en atmosfære kan fordele varmen, så vil forskellen mellem nat og dag være mindre på en planet med atmosfære end en uden atmosfære.

Det er dog sikkert, at James Webb i de kommende år vil forsøge at foretage en række målinger på exoplaneter, hvor der skulle være muligheder for at finde liv.

Kan teorien følge med?

James Webb kan levere præcise målinger, men disse målinger skal jo analyseres.

Det er let nok at afgøre, hvilke luftarter der findes i atmosfæren, men det er langt vanskeligere at undersøge, hvor meget af de forskellige luftarter atmosfæren indeholder, samt atmosfærens temperatur.

Disse beregninger kræver et indgående kendskab til det, som med et fint ord hedder opaciteten for en lang række luftarter.

Sagt simpelt, så er opaciteten et mål for, hvor uigennemsigtig en bestemt luftart er overfor strålingen fra stjernen.

Fortolkningen af et spektrum er helt afhængig af nogle meget præcise formler for opacitet.

De formler, vi bruger i dag, er gode nok til de fleste målinger, men ikke til at analysere de meget præcise målinger fra James Webb.

Massachusetts Institute of Technology, som er et af de absolut førende forskningscentre i USA, har set på dette problem, hvor man har undersøgt konsekvensen af, at formlerne for opacitet ikke er helt præcise.

Man kan læse om undersøgelserne her.

For at studere problemet nøjere analyserede man et spektrum fra en planet, først med de normalt anvendte formler for opacitet.

Da formlerne ikke var helt præcise, justerede de formlerne en lille smule for at se, hvad der skete. På den måde skabte de otte modeller for planeten, som i princippet alle kunne være mulige, ud fra den viden vi har i dag.

Resultatet var, at man ikke med sikkerhed kunne afgøre, om atmosfærens temperatur var 30 grader eller over 300 grader, eller om der var 5 procent eller 25 procent af en bestemt gas i atmosfæren.

Så afhængigt af hvilken model man anvendte, kunne man konkludere, at der var tale om enten en varm ørkenplanet, eller en planet, der mere eller mindre lignede Jorden, eller noget helt tredje.

Så nu ligger bolden hos teoretikerne.

Man skal dykke dybt ned i opacitetsberegningerne for at være sikker på, at de meget nøjagtige spektre fra James Webb bliver fortolket korrekt.