I jagten på liv i rummet ser astronomerne på fjerne planeters atmosfære

Ingredienserne, der skal til for at skabe liv, findes i hele universet.

Jorden er ganske vist det eneste sted, vi ved med sikkerhed, at der er liv, men at finde ikke-jordisk liv er ét af den moderne astronomi og planetvidenskabs hovedmål.

Vi er to forskere, der studerer exoplaneter og astrobiologi.

Takket være næste generation af teleskoper som James Webb Space-teleskopet, vil forskere som os snart være i stand til at måle den kemiske sammensætning af atmosfærer på planeter omkring andre stjerner.

Håbet er, at én eller flere af disse planeter vil have en kemisk markør, som indikerer liv.

Beboelige exoplaneter

Der eksisterer muligvis liv i vores solsystem, hvor der er flydende vand – som de underjordiske grundvandsbassiner på Mars eller i oceanerne på Jupiters måne, Europa.

Jagten på liv på disse lokationer er imidlertid utroligt vanskelig, da de er svære at nå, og fordi det vil kræve en sonde, som returnerer fysiske prøver til Jorden.

Mange astronomer mener, at der er en god chance for, at der findes liv på planeter, der kredser om andre stjerner, og det er muligt, at det er hér, liv først vil blive fundet.

Teoretiske beregninger indikerer, at der er omkring 300 millioner potentielt beboelige planeter alene i Mælkevejens galakse og adskillige beboelige planeter på størrelse med Jorden inden for blot 30 lysår fra Jorden – hvilket praktisk talt er menneskehedens galaktiske naboer.

Indtil videre har astronomerne opdaget mere end 5.000 exoplaneter, hvoraf hundredvis potentielt er beboelige, ved hjælp af indirekte metoder, der måler, hvordan en planet påvirker sin nærliggende stjerne.

Disse målinger kan give astronomerne information om en exoplanets masse og størrelse, men ikke meget andet.

Jagten på biomarkører

For at finde liv på en fjern planet vil astrobiologerne studere stjernelys, der har interageret med en planets overflade eller atmosfære.

Hvis atmosfæren eller overfladen har set liv, kan lyset bære et spor, kaldet en ‘biomarkør’.

I den første halvdel af sin eksistens var Jordens atmosfære uden ilt, selvom den var vært for simpelt, encellet liv.

Jordens biomarkør var meget svag i denne tidlige periode. Det ændrede sig brat for 2,4 milliarder år siden, da en ny algefamile udviklede sig.

Algerne brugte en fotosynteseproces, der producerer fri ilt – ilt, der ikke er kemisk bundet til noget andet grundstof.

Forskellige farver

Lige siden har Jordens iltfyldte atmosfære efterladt en stærk og let påviselig biomarkør på lyset, der passerer gennem den.

Når lys reflekteres tilbage fra overfladen af et materiale eller passerer gennem en gas, er der større sandsynlighed for, at visse bølgelængder af lyset forbliver fanget i gassen eller materialets overflade end andre.

Denne selektive indfangning af lysets bølgelængde er grunden til, at objekter har forskellige farver.

Blade er grønne, fordi klorofyl er rigtig god til at absorbere lys i de røde og blå bølgelængder. Når lys rammer et blad, absorberes de røde og blå bølgelængder, og det betyder, at det for det meste er grønt lys, som øjet ser.

Mønstret på manglende lys bestemmes af den specifikke sammensætning af det materiale, lyset interagerer med.

Sammensætningen af atmosfære eller overflade

På denne måde kan astronomerne lære noget om sammensætningen af en exoplanets atmosfære eller overflade ved at måle den specifikke farve af lys, der kommer fra en planet.

Denne metode kan bruges til at afdække tilstedeværelsen af visse atmosfæriske gasser, der er associeret med liv – som ilt eller metan – fordi disse gasser efterlader meget specifikke markører i lyset.

Det kan også bruges til at afdække ejendommelige farver på overfladen af en planet.

På Jorden, for eksempel, fanger klorofyl og andre pigmenter, som planter og alger bruger til fotosyntese, specifikke lysbølgelængder.

Disse pigmenter producerer karakteristiske farver, som vi kan registrere ved at bruge et følsomt infrarødt kamera.

Hvis man ser denne farve reflektere fra overfladen af en fjern planet, kan det potentielt tyde på tilstedeværelsen af klorofyl.

Teleskoper i rummet og på Jorden

Der skal et utroligt kraftigt teleskop til for at opdage disse subtile ændringer i lyset, der kommer fra en potentielt beboelig exoplanet.

Indtil videre er det nye James Webb Space-teleskop det eneste teleskop, der er i stand til en sådan bedrift.

Da James Webb-teleskopet for alvor blev rullet ud i juli 2022, blev det rettet mod den store gasplanet WASP-96b godt 1.100 lysår borte.

James Webb-teleskopet foretog en aflæsning af exoplanetens spektrum, som viste tilstedeværelsen af vand og skyer, men en planet så stor og varm som WASP-96b er næppe vært for liv.

Imidlertid viser disse tidlige data, at James Webb-teleskopet er i stand til at finde svage kemiske markører i lys, der kommer fra exoplaneter.

Stærkeste tegn på liv

I de kommende måneder er James Webb-teleskopet indstillet til at rette sine spejle mod TRAPPIST-1e, en potentielt beboelig planet på størrelse med Jorden blot 39 lysår fra os.

James Webb-teleskopet leder efter biomarkører ved at studere planeter, når de passerer foran deres værtsstjerner, og fange lys fra stjerner, der filtrerer gennem planetens atmosfære.

Men James Webb-teleskopet var ikke designet for at søge efter liv, så teleskopet er kun i stand til at granske nogle få af de nærmeste, potentielt beboelige verdener.

James Webb-teleskopet kan også kun registrere ændringer i det atmosfæriske niveau af kuldioxid, metan og vanddamp.

Selvom visse kombinationer af disse gasser muligvis indikerer, at der er liv, er teleskopet ikke i stand til at registrere tilstedeværelsen af ubundet oxygen, som er det stærkeste tegn på liv.

Som at bruge hånden til at blokere for sollys

Førende koncepter for fremtidige og endnu stærkere rumteleskoper inkluderer planer om at blokere det skarpe lys fra en planets værtsstjerne for at afsløre stjernelys, der reflekteres tilbage fra planeten.

Denne idé svarer til at bruge hånden til at blokere for sollys for bedre at kunne se noget i det fjerne.

Fremtidige rumteleskoper kan bruge små, interne afskærmninger eller store, eksterne, paraplylignende rumfartøjer til at gøre dette. Når først stjernelyset er blokeret, er det meget lettere at studere lys, der bliver kastet tilbage fra en planet.

Der er også tre enorme, jordbaserede teleskoper under konstruktion, som vil være i stand til at søge efter biomarkører: Giant Magellen-teleskopet, Thirty Meter-teleskopet og European Extremely Large-teleskopet.

Alle disse teleskoper er langt kraftigere end eksisterende teleskoper på Jorden, og på trods af handicappet ved, at Jordens atmosfære forvrænger stjernelys, kan disse teleskoper muligvis undersøge atmosfærerne i de nærmeste verdener for ilt.

Er det biologi eller geologi?

Selv hvis de bruger de kraftigeste teleskoper i de kommende årtier, vil astrobiologer kun være i stand til at finde stærke biomarkører produceret af verdener, der er blevet helt transformeret af liv.

Desværre kan de fleste gasser, der udledes af terrestrisk liv, også produceres af ikke-biologiske processer – både køer og vulkaner udleder metan.

Fotosyntese producerer ilt, men det gør sollys også, når det spalter vandmolekyler til ilt og brint. Der er risiko for, at astronomer vil støde på falske positiver, når de leder efter ikke-jordisk liv.

For at udelukke falske positiver skal astronomer have tilstrækkelig indsigt i en planet af interesse for at forstå, om dens geologiske eller atmosfæriske processer muligvis efterligner biomarkører.

Den næste generation af studier om exoplaneter har potentialet til at opfylde de krav om ekstraordinære beviser, som vi forlanger af forskningen, for at bevise eksistensen af liv.

Den første publicering af data fra James Webb Space-teleskopet giver os en fornemmelse af de spændende fremskridt, der snart er på vej.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.