У пошуках життя на інших планетах присутність кисню в атмосфері планети є однією з потенційних ознак біологічної активності, які можуть бути виявлені майбутніми телескопами. Однак нове дослідження описує кілька сценаріїв, в яких безжиттєва скеляста планета навколо зірки, подібної до сонця, може еволюціонувати, щоб мати кисень у своїй атмосфері.
Нові результати, опубліковані в AGU Advances, підкреслюють необхідність телескопів наступного покоління, здатних характеризувати планетарне середовище і шукати численні лінії доказів існування життя на додаток до виявлення кисню.
«Це корисно, тому що показує, що є способи отримати кисень в атмосфері без життя, але є й інші спостереження, які ви можете зробити, щоб допомогти відрізнити ці помилкові спрацьовування від реального життя», - сказав автор дослідження Джошуа Кріссансен. «Для кожного сценарію ми намагаємося сказати, що повинен був би зробити ваш телескоп, щоб відрізнити звичайний кисень від біологічного кисню».
У найближчі десятиліття, можливо, до кінця 2030-х років, астрономи сподіваються отримати телескоп, здатний отримувати прямі зображення і спектри потенційно схожих на Землю планет навколо сонцеподібних зірок.
Співавтор роботи Джонатан Фортні, професор астрономії та астрофізики і директор Лабораторії інших світів Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, сказав, що ідея полягає в тому, щоб націлитися на планети, досить схожі на Землю, щоб на них могло виникнути життя, і охарактеризувати їх атмосферу.
«Було багато дискусій про те, чи є виявлення кисню» достатньою «ознакою життя», - сказав він. "Ця робота дійсно доводить необхідність знати контекст вашого виявлення. Які молекули знайдені крім кисню, або не знайдені, і що це говорить вам про еволюцію планети? "
Це означає, що астрономам знадобиться телескоп, чутливий до широкого діапазону довжин хвиль, щоб виявити різні типи молекул в атмосфері планети.
Дослідники ґрунтували свої висновки на детальній, наскрізній обчислювальній моделі еволюції скелястих планет, починаючи з їх розплавленого походження і проходячи через мільярди років охолодження і геохімічного циклу. Варіюючи початковий запас летючих елементів на своїх модельних планетах, дослідники отримали дивовижно широкий діапазон результатів.
Кисень може почати накопичуватися в атмосфері планети, коли високоенергетичне ультрафіолетове світло розщеплює молекули води у верхніх шарах атмосфери на водень і кисень. Легкий водень переважно відлетучується в космос, залишаючи кисень позаду.
Інші процеси можуть видаляти кисень з атмосфери. Наприклад, монооксид вуглецю і водень, що виділяються при дегазації з розплавленої породи, вступають в реакцію з киснем, а вивітрювання породи також поглинає кисень. Це лише деякі з процесів, які дослідники включили в свою модель геохімічної еволюції скелястої планети.
«Якщо ви запустите модель для Землі з тим, що, як ми думаємо, було початковим запасом летючих речовин, ви надійно отримаєте один і той же результат кожен раз - без життя ви не отримуєте кисень в атмосфері», - сказав Джошуа Кріссансен. - Але ми також знайшли кілька сценаріїв, коли можна отримати кисень без життя ".
Наприклад, планета, яка в іншому схожа на Землю, але починається з більшої кількості води, в кінцевому підсумку буде мати дуже глибокі океани, які чинять величезний тиск на кору. Це ефективно зупиняє геологічну діяльність, включаючи всі процеси, такі як плавлення або вивітрювання гірських порід, які видаляють кисень з атмосфери.
У протилежному випадку, коли планета починається з відносно невеликої кількості води, магматична поверхня спочатку розплавленої планети може швидко затвердіти, поки вода залишається в атмосфері. Ця «парова атмосфера» поміщає достатньо води у верхні шари атмосфери, щоб забезпечити накопичення кисню, коли вода розпадається і водень виходить.
«Типова послідовність полягає в тому, що поверхня магми затверджує одночасно з конденсацією води в океани на поверхні», - сказав Джошуа Кріссансен. "На Землі, коли вода конденсувалася на поверхні, швидкість витоку була низькою. Але якщо ви збережете парову атмосферу після того, як розплавлена поверхня затвердіє, є вікно приблизно в мільйон років, коли кисень може накопичуватися, тому що у верхніх шарах атмосфери висока концентрація води і немає розплавленої поверхні, щоб споживати кисень, що утворюється при виході водню.
Третій сценарій, який може призвести до появи кисню в атмосфері, пов'язаний з планетою, яка в іншому схожа на Землю, але починається з більш високого ставлення вуглекислого газу до води. Це призводить до некерованого парникового ефекту, в результаті чого вода стає занадто гарячою, щоб коли-небудь конденсуватися з атмосфери на поверхню планети.
«У цьому сценарії, схожому на Венеру, всі летючі речовини починаються в атмосфері, і лише деякі з них залишаються в мантії, щоб виділитися і поглинути кисень».
Вчені відзначили, що попередні дослідження були зосереджені на атмосферних процесах, в той час як модель, що використовується в цьому дослідженні, досліджує геохімічну і теплову еволюцію мантії і кори планети, а також взаємодію між корою і атмосферою.