Wirtualna Ziemia pozbawiona życia
Poszukiwanie organizmów żywych poza Układem Słonecznym należy do szybko rozwijających się obszarów badań naukowych. Dotychczas astronomowie zidentyfikowali ponad 6 tys. egzoplanet, a część z nich poddają szczegółowym obserwacjom, analizując skład ich atmosfer. Szczególną uwagę zwracają na związki chemiczne, których obecność może wiązać się z procesami biologicznymi. Duże zainteresowanie wzbudzają planety posiadające gazowe otoczki przypominające atmosferę Ziemi. Mogą one zatrzymywać odpowiednią ilość energii cieplnej, pozwalając na utrzymywanie się wody w stanie ciekłym na powierzchni. Jest to jeden z najważniejszych warunków umożliwiających rozwój znanych nam form życia.
Samo występowanie odpowiednich warunków nie oznacza jednak, że na danej planecie rozwinęły się organizmy żywe. Z tego powodu badacze potrzebują wiedzy na temat tego, jakie cechy atmosfery mogą powstawać wyłącznie wskutek procesów niebiologicznych. Dopiero dysponując takim punktem odniesienia, będą mogli wskazywać planety, których właściwości atmosferyczne trudno wyjaśnić bez uwzględnienia oddziaływania życia.
W nowym projekcie badawczym naukowcy z University of Washington przygotowali rozbudowaną symulację naszej planety, z której usunęli wszystkie elementy związane z życiem. Celem było stworzenie modelu pokazującego ewolucję Ziemi bez udziału organizmów. Wyniki badań przedstawiono na łamach czasopisma „The Planetary Science Journal”.
Przygotowana symulacja objęła 5 miliardów lat ewolucji procesów geochemicznych. Uwzględniono w niej zarówno okres od narodzin Ziemi, około 4,5 miliarda lat temu, jak i kolejne 500 milionów lat jej hipotetycznej przyszłości. Model przedstawiał zmiany zachodzące w wymianie substancji chemicznych pomiędzy jądrem, płaszczem, skorupą, powierzchnią oraz atmosferą planety. Udało się za jego pomocą prawidłowo odtworzyć 19 parametrów Ziemi, między innymi przepływ energii cieplnej przez jej płaszcz. Nie uwzględniono natomiast żadnego oddziaływania organizmów żywych.
W jaki sposób odróżnić biologiczne ślady od innych procesów?
Opracowane narzędzie umożliwia również prognozowanie zmian atmosferycznych na różnych planetach skalistych. Jednym z jego zastosowań może być wyszukiwanie potencjalnych oznak życia poprzez porównywanie wyników symulacji z rzeczywistymi właściwościami atmosfer obserwowanych egzoplanet. Szczególnie interesujące będą przypadki, w których pomiary nie pokrywają się z przewidywaniami modelu.
Dzięki takim analizom można będzie lepiej zrozumieć różnice między planetami posiadającymi warunki odpowiednie do zamieszkania, ale pozbawionymi życia, a tymi, na których występują organizmy. Symulacja może także wspomóc interpretację danych uzyskiwanych podczas obserwacji odległych atmosfer i ocenę, czy ich charakterystyka może świadczyć o istnieniu życia na powierzchni.
Atmosfery planet podlegają wpływom wielu zjawisk niezwiązanych z biologią. Należą do nich między innymi emisje gazów i energii cieplnej z wnętrza globu, a także promieniowanie docierające od gwiazdy macierzystej. Jednocześnie to właśnie w składzie atmosfery astronomowie poszukują oznak, które mogłyby wskazywać na obecność organizmów żywych.
Przykładem takich oddziaływań jest ziemski obieg gazów. Rośliny i zwierzęta stale dostarczają do atmosfery między innymi tlen oraz metan. Substancje te reagują ze sobą, co prowadzi do wzajemnego ograniczania ich ilości. Gdyby hipotetyczna cywilizacja pozaziemska analizowała atmosferę naszej planety, mogłaby uznać, że ich stała obecność wymaga istnienia procesu biologicznego, który nieustannie uzupełnia oba gazy.
Nowe narzędzie do analizy skalistych egzoplanet
Uwzględnienie tych zależności skłoniło zespół do rozbudowania wcześniejszych modeli Ziemi. Do dotychczasowych symulacji dodano procesy zachodzące na powierzchni oraz w atmosferze, uzyskując bardziej kompleksowe odwzorowanie obiegu substancji chemicznych pomiędzy poszczególnymi częściami planety.
Powstały model można przystosować do analizowania różnych skalistych egzoplanet, które interesują astrobiologów. Wystarczy wprowadzić podstawowe dane dotyczące wybranego obiektu, a następnie przeprowadzić symulację jego właściwości. Pozwala ona sprawdzić, czy obserwowany skład atmosfery można odtworzyć, zakładając wyłącznie występowanie procesów niebiologicznych. Jeżeli przewidywania nie będą odpowiadały wynikom obserwacji, planeta może zostać zakwalifikowana do bardziej szczegółowych analiz.
Według autorów projektu opracowanie takiego narzędzia przybliża naukowców do ustalenia, w jakich miejscach Wszechświata mogą występować organizmy żywe. Model obejmuje jednocześnie jądro, płaszcz, powierzchnię i atmosferę Ziemi, a jego kalibracja na podstawie naszej planety zapewnia punkt wyjścia do prowadzenia symulacji dotyczących innych światów. Wyniki prac mogą być również przydatne podczas opracowywania przyszłych teleskopów, które będą służyć do obserwowania i badania odległych planet.
Mariusz Drzewiecki
