Биосигнатуры водородных атмосфер
Наблюдательный сдвиг - палка о двух концах. Он позволяет обнаружить первых представителей нового класса объектов гораздо раньше, чем типичных, зато потом приходится долго силиться понять всю картину. Горячие юпитеры - редкое явление, просто они лучше всего видны и на транзитах, и на допплеровской спектроскопии. Сейчас никого не удивишь тем, что первые найденные экзопланеты были именно такими, но тогда это изрядно порвало шаблон планетологам. В Солнечной-то системе на них - ни намека.
Теперь мы ищем не просто планеты, а жизнь на них. Пока что у нас есть только один способ найти ее признаки - транзитная спектроскопия, наблюдение планетных атмосфер "на просвет", когда они проходят между своей звездой и нами. Какой наблюдательный сдвиг можно при этом использовать?
Одна идея, при близком рассмотрении, оказывается намного круче, чем сначала можно подумать - искать на планетах с водородными атмосферами. Точнее, на транзитных скалистых или водных землях и суперземлях, чьи атмосферы состоят из водорода с гелием, а условия на поверхности позволяют существовать жидкой воде. То есть, плотность планеты-кандидата должна указывать на преимущественно скалистый состав и не слишком высокую плотность атмосферы, а глубокий транзитный спектр - на ее низкую молекулярную массу.
В такой атмосфере биосигнатуры будут гораздо заметнее, чем на аналоге Земли, и дело не только в шкале высоты!
На Земле мы дышим кислородом, и привыкли думать, что биосфера может быть бодрой только в сильном окислителе. Но жизнь запрягла кислород просто потому, что он выделяет очень много энергии при взаимодействии с органикой, а еще образуется при той форме фотосинтеза, которая возобладала на Земле, и накапливается в атмосфере. Водород тоже запасает химическую энергию, просто "с противоположным знаком". И в таком количестве, что мы изо всех сил стремимся запрячь ее в ракетные и автомобильные двигатели.
Вот эти товарищи обитают в нас, млекопитающих, и могут делать метан из водорода и органики (с) wiki.
Как может быть устроена эта водородная жизнь? На Земле есть метаногенные бактерии, которые могут восстанавливать водородом углекислый газ и органику. Серьезным препятствием для дальнейшего развития является то, что жизнь сама по себе построена из довольно восстановленных соединений. Может, водородные фотосинтетики извлекают углерод и кислород из метана и воды, и выделяют водород в атмосферу, откуда им дышат все остальные. Кислород они при этом не сбрасывают, а используют для "наработки второго компонента топлива". Нитратов, перхлоратов, металлов в высоких степенях окисления. Многие из таких соединений обладают хорошими запасами энергии, но при этом удерживать их внутри клетки гораздо проще, чем иметь дело с кислородом, как он есть.
Да наверняка же фантасты про это писали)
Где-то в ста парсеках от нас по плоскости эклиптики некий астроном приоткрыл форточку, чтобы впустить в комнату побольше водорода и унять головокружение. Он разглядывает транзитные спектры Земли, и всем своим семи глазам не верит. Там же кислород! Двадцать процентов его! И они в нем живут! Ужас!! Ну и бедолаги, черезо что им пришлось пройти, чтобы приспособиться??
Мы подтверждаем - да, через многое)
Если жизнь может дышать водородом, это сразу дает огромные наблюдательные преимущества экзобиологам. Водородные атмосферы гораздо более пухлые, чем тяжелые кислородные. Чем тоньше атмосфера, тем сложнее получить ее транзитный спектр, а шкала высоты в водороде раз в пятнадцать больше, чем в азоте и кислороде. Глубина и информативность транзитных спектров прямо пропорциональны протяженности атмосферы, и пределы обнаружения биосигнатур можно смело делить на эту цифру.
Титан обладает столь выдающейся атмосферой благодаря низкой гравитации, но шкалу высоты демонстрирует отлично. У нас еще нет подходящих фоток экзо-земель, но типичная протяженность водородной атмосферы у легкой планеты - как на правой фотке. Сравните с нашей Землей на левой) (c) wiki
Более того, водород - гораздо менее "злой" газ, чем кислород. Он несет в себе огромную энергию, но высвобождает ее не так охотно, как последний. Окислительные биосигнатуры, такие как закись азота, да и сам кислород, гораздо устойчивее в водородной атмосфере, чем восстановительные - в кислородной.
Значит, к пятнадцатикратному понижению порогов обнаружимых концентраций добавляется еще и огромный рост самих концентраций. А так же - списка веществ и их комбинаций, которые могут существовать в атмосфере и сосуществовать друг с другом, будучи разбавленными инертным водородом, а не жгучим кислородом. По отдельности любое соединение - весьма ненадежная биосигнатура, а вот несколько их, способных реагировать друг с другом, но сосуществующих - совсем другое дело.
Не просто метан в кислородной атмосфере, а одновременно метан, фосфин, диметилсульфид и озон, говорящий нам, что кислорода много. Не просто закись азота, а N2O, NO, SO2, органические нитраты, и много чего еще. В будущем (если терраскоп не прокатит), весомость суммарной биосигнатуры будут определять в первую очередь не самими концентрациями и термодинамической нестабильностью, а чем-то вроде произведения этих величин на факториал числа взаимно-неустойчивых соединений. В водороде их способность сосуществовать друг с другом определяет только кинетика, и метрика неравновесности может достигать фантастических значений. В кислороде они окисляются гораздо раньше, чем встретят друг друга и надумают прореагировать.
Уточним: играет роль не принципиальная способность соединений реагировать друг с другом, а то, насколько они охотно это делают.
То же самое свойство водорода, которое позволяет биосигнатурам накапливаться в водородной атмосфере, дает жизни и еще одно преимущество. Как обычной, так и разумной. Водород не совсем инертный, но он гораздо менее активен, чем кислород. В кислородной атмосфере устойчивы окислители и некоторые восстановители. В водородной - восстановители и гораздо более широкий круг окислителей. Жизни и технологии в такой атмосфере доступен гораздо более разнообразный круг химических соединений и материалов. Железо не ржавеет, пластик не прогорает. Можно делать жидкие провода из сплава натрия с калием, и ничего не думать о пожарной безопасности (хотя лучше держать от воды подальше, да). И не думать ни о пероксид-дисмутазах, ни о флюсах для пайки, ни обо всем остальном таком)
Теперь мы ищем не просто планеты, а жизнь на них. Пока что у нас есть только один способ найти ее признаки - транзитная спектроскопия, наблюдение планетных атмосфер "на просвет", когда они проходят между своей звездой и нами. Какой наблюдательный сдвиг можно при этом использовать?
Одна идея, при близком рассмотрении, оказывается намного круче, чем сначала можно подумать - искать на планетах с водородными атмосферами. Точнее, на транзитных скалистых или водных землях и суперземлях, чьи атмосферы состоят из водорода с гелием, а условия на поверхности позволяют существовать жидкой воде. То есть, плотность планеты-кандидата должна указывать на преимущественно скалистый состав и не слишком высокую плотность атмосферы, а глубокий транзитный спектр - на ее низкую молекулярную массу.
В такой атмосфере биосигнатуры будут гораздо заметнее, чем на аналоге Земли, и дело не только в шкале высоты!
На Земле мы дышим кислородом, и привыкли думать, что биосфера может быть бодрой только в сильном окислителе. Но жизнь запрягла кислород просто потому, что он выделяет очень много энергии при взаимодействии с органикой, а еще образуется при той форме фотосинтеза, которая возобладала на Земле, и накапливается в атмосфере. Водород тоже запасает химическую энергию, просто "с противоположным знаком". И в таком количестве, что мы изо всех сил стремимся запрячь ее в ракетные и автомобильные двигатели.
Вот эти товарищи обитают в нас, млекопитающих, и могут делать метан из водорода и органики (с) wiki.
Как может быть устроена эта водородная жизнь? На Земле есть метаногенные бактерии, которые могут восстанавливать водородом углекислый газ и органику. Серьезным препятствием для дальнейшего развития является то, что жизнь сама по себе построена из довольно восстановленных соединений. Может, водородные фотосинтетики извлекают углерод и кислород из метана и воды, и выделяют водород в атмосферу, откуда им дышат все остальные. Кислород они при этом не сбрасывают, а используют для "наработки второго компонента топлива". Нитратов, перхлоратов, металлов в высоких степенях окисления. Многие из таких соединений обладают хорошими запасами энергии, но при этом удерживать их внутри клетки гораздо проще, чем иметь дело с кислородом, как он есть.
Да наверняка же фантасты про это писали)
Где-то в ста парсеках от нас по плоскости эклиптики некий астроном приоткрыл форточку, чтобы впустить в комнату побольше водорода и унять головокружение. Он разглядывает транзитные спектры Земли, и всем своим семи глазам не верит. Там же кислород! Двадцать процентов его! И они в нем живут! Ужас!! Ну и бедолаги, черезо что им пришлось пройти, чтобы приспособиться??
Мы подтверждаем - да, через многое)
Если жизнь может дышать водородом, это сразу дает огромные наблюдательные преимущества экзобиологам. Водородные атмосферы гораздо более пухлые, чем тяжелые кислородные. Чем тоньше атмосфера, тем сложнее получить ее транзитный спектр, а шкала высоты в водороде раз в пятнадцать больше, чем в азоте и кислороде. Глубина и информативность транзитных спектров прямо пропорциональны протяженности атмосферы, и пределы обнаружения биосигнатур можно смело делить на эту цифру.
Титан обладает столь выдающейся атмосферой благодаря низкой гравитации, но шкалу высоты демонстрирует отлично. У нас еще нет подходящих фоток экзо-земель, но типичная протяженность водородной атмосферы у легкой планеты - как на правой фотке. Сравните с нашей Землей на левой) (c) wiki
Более того, водород - гораздо менее "злой" газ, чем кислород. Он несет в себе огромную энергию, но высвобождает ее не так охотно, как последний. Окислительные биосигнатуры, такие как закись азота, да и сам кислород, гораздо устойчивее в водородной атмосфере, чем восстановительные - в кислородной.
Значит, к пятнадцатикратному понижению порогов обнаружимых концентраций добавляется еще и огромный рост самих концентраций. А так же - списка веществ и их комбинаций, которые могут существовать в атмосфере и сосуществовать друг с другом, будучи разбавленными инертным водородом, а не жгучим кислородом. По отдельности любое соединение - весьма ненадежная биосигнатура, а вот несколько их, способных реагировать друг с другом, но сосуществующих - совсем другое дело.
Не просто метан в кислородной атмосфере, а одновременно метан, фосфин, диметилсульфид и озон, говорящий нам, что кислорода много. Не просто закись азота, а N2O, NO, SO2, органические нитраты, и много чего еще. В будущем (если терраскоп не прокатит), весомость суммарной биосигнатуры будут определять в первую очередь не самими концентрациями и термодинамической нестабильностью, а чем-то вроде произведения этих величин на факториал числа взаимно-неустойчивых соединений. В водороде их способность сосуществовать друг с другом определяет только кинетика, и метрика неравновесности может достигать фантастических значений. В кислороде они окисляются гораздо раньше, чем встретят друг друга и надумают прореагировать.
Уточним: играет роль не принципиальная способность соединений реагировать друг с другом, а то, насколько они охотно это делают.
То же самое свойство водорода, которое позволяет биосигнатурам накапливаться в водородной атмосфере, дает жизни и еще одно преимущество. Как обычной, так и разумной. Водород не совсем инертный, но он гораздо менее активен, чем кислород. В кислородной атмосфере устойчивы окислители и некоторые восстановители. В водородной - восстановители и гораздо более широкий круг окислителей. Жизни и технологии в такой атмосфере доступен гораздо более разнообразный круг химических соединений и материалов. Железо не ржавеет, пластик не прогорает. Можно делать жидкие провода из сплава натрия с калием, и ничего не думать о пожарной безопасности (хотя лучше держать от воды подальше, да). И не думать ни о пероксид-дисмутазах, ни о флюсах для пайки, ни обо всем остальном таком)