Жизнь раскрашивает облака: как цвет атмосферы может выдать инопланетную жизнь

В поиске жизни за пределами Земли ученые привыкли смотреть в двух направлениях. Вниз, на поверхность планеты, в надежде разглядеть признаки растительности. И вверх, в ее атмосферу, пытаясь уловить химический дисбаланс, например, одновременное присутствие кислорода и метана. У обоих подходов есть общая проблема — облака.

Плотный облачный покров мешает. Он скрывает поверхность и искажает химический состав атмосферы, превращая перспективные миры в закрытые для исследования.

Но могут ли они быть не помехой, а подсказкой?

Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, предлагает рассмотреть проблему под другим углом. Ученые из Института Карла Сагана и других центров выдвигают гипотезу: искать жизнь нужно не сквозь облака, а в них. И помочь в этом может их цвет.

Почему атмосфера может быть домом?

Идея о том, что жизнь может существовать в атмосфере, не нова. На Земле микроорганизмы обнаруживают на высотах в десятки километров, вплоть до стратосферы. Для них облака — это динамичная среда, богатая влагой и микроэлементами.

Однако условия там экстремальные. Главная угроза — жесткое ультрафиолетовое излучение, особенно на больших высотах. Чтобы выжить, микробы выработали эффективный защитный механизм: они синтезируют специальные молекулы — биопигменты. Это природные красители, которые поглощают опасное излучение и рассеивают его энергию в виде тепла.

Именно эти пигменты придают микробным колониям цвет: желтый, оранжевый, розовый. Самые известные из них — каротиноиды. Вы видите их каждый день в моркови или осенних листьях. В атмосфере они служат чем-то вроде солнцезащитного крема для одноклеточных. И именно эти цветные молекулы, по мнению авторов исследования, могут стать заметной биосигнатурой — признаком жизни, который мы теоретически способны увидеть даже на расстоянии в десятки световых лет.

Как измерить цвет бактерии?

Но нельзя просто заявить, что цветные бактерии в облаках сделают планету, скажем, розоватой. Нужны точные данные.

Исследователями был проведен прямой эксперимент. Они взяли семь штаммов реальных микроорганизмов, выделенных из стратосферы Земли, вырастили их в лаборатории и с помощью спектрометра точно измерили, как колонии этих бактерий отражают свет. Спектр отражения — это, по сути, уникальный световой отпечаток объекта, показывающий, сколько света он отражает на каждой конкретной длине волны, от ультрафиолетовой до инфракрасной.

Результаты показали, что у каждой культуры микробов есть свой характерный. Пигменты создают четкие провалы в спектре в видимой части — там, где они поглощают свет для защиты. Так была получена первая в мире база данных спектров для высотных микроорганизмов. Это и есть те самые данные, которые можно использовать для моделирования.

Увидим ли мы это с Земли?

Имея на руках точные спектры бактерий, команда перешла к следующему этапу. Они создали компьютерные модели нескольких гипотетических экзопланет, похожих на Землю. Среди сценариев были планеты-океаны и планеты-снежки. Затем в атмосферу этих виртуальных миров добавили облака.

Часть моделей содержала обычные, стерильные облака из водяного пара. Другие — облака, заселенные измеренными в лаборатории микроорганизмами. Ученые варьировали плотность облачного покрова (от 50% до 100%) и концентрацию в них биомассы. После был произведен расчет: как будет выглядеть суммарный спектр света, отраженного всей планетой, для удаленного наблюдателя?

Присутствие пигментированной жизни в облаках заметно меняет общий спектр планеты. На фоне отраженного света от безжизненных облаков, океана или снегов появляются характерные провалы поглощения, созданные биопигментами. Сигнал достаточно силен, чтобы его могли зафиксировать телескопы следующего поколения, такие как проектируемая Habitable Worlds Observatory.

Самый важный результат связан с планетами, полностью покрытыми облаками. Раньше такие миры считались почти безнадежными для поиска жизни на поверхности. Новая работа утверждает обратное. Именно на таких планетах, где нет шума от отраженного света океанов и континентов, сигнал от биосферы в облаках может оказаться наиболее чистым и очевидным.

Новый взгляд на поиск жизни

Это исследование не утверждает, что на ближайшей экзопланете есть розовые облака, полные бактерий. Оно лишь дает астрономам новый, математически обоснованный инструмент поиска.

Мы получили третий путь поиска жизни, дополняющий анализ газов и наблюдение за поверхностью.

Возможно, первый признак внеземной жизни, который мы обнаружим, будет не радиосигналом или кислородом в атмосфере, а едва уловимым цветовым оттенком в облаках далекого мира.

Источник: The Astrophysical Journal Letters