U potrazi za životom u univerzumu, polju poznatom kao astrobiologija, naučnici se oslanjaju na Zemlju kao šablon za biološke i evolucione procese. Ovo uključuje traženje Zemljinih analoga, stenovitih planeta koje kruže unutar naseljive zone (HZ) svoje roditeljske zvezde i imaju atmosferu sastavljenu od azota, kiseonika i ugljen-dioksida. Međutim, Zemljina atmosfera je tokom vremena značajno evoluirala od toksičnog oblaka azota, ugljen-dioksida i tragova vulkanskog gasa. Vremenom je pojava fotosintetskih organizama izazvala tranziciju, što je dovelo do atmosfere koju vidimo danas.
Poslednjih 500 miliona godina, poznatih kao fanerozojski eon, bilo je posebno značajno za evoluciju Zemljine atmosfere i zemaljskih vrsta. U ovom periodu došlo je do značajnog porasta sadržaja kiseonika i pojave životinja, dinosaurusa i embriofita (kopnenih biljaka). Nažalost, rezultirajući spektri prenosa nedostaju u našoj potrazi za znacima života u atmosferama egzoplaneta. Da bi se rešio ovaj jaz, tim istraživača iz Kornela napravio je simulaciju atmosfere tokom fanerozojskog eona, što bi moglo imati značajne implikacije u potrazi za životom na ekstrasolarnim planetama.
Istraživanje su vodile Rebeka Pejn i Liza Kalteneger, naučni saradnik i docent na Institutu Karl Sagan na Univerzitetu Kornel (respektivno). Rad koji opisuje njihova otkrića, „Bounti kiseonika za egzoplanete slične Zemlji: spektri Zemlje kroz fanerozoik“, nedavno je objavljen u Monthli Notices of the Roial Astronomical Societi: Letters. Oni su potpuni model i spektre visoke rezolucije učinili dostupnim na mreži, koji pružaju alat za planiranje, optimizaciju i tumačenje posmatranja sa zemaljskim i svemirskim teleskopima.
Proučavanje egzoplaneta trenutno doživljava tranziciju. Sa 5.528 egzoplaneta potvrđenih do danas, i još 9.899 kandidata koji čekaju potvrdu, proces se kreće od otkrića do karakterizacije. Ova tranzicija je imala koristi od zemaljskih i svemirskih teleskopa nove generacije koji su sposobni da dobiju spektre direktno iz atmosfera egzoplaneta. Ovo je proces u kome se svetlost analizira pomoću spektrometara da bi se identifikovale karakteristike apsorpcije koje odgovaraju različitim hemijskim jedinjenjima, čime se otkrivaju vitalni podaci o sastavu atmosfere egzoplanete.
Ovo se može uraditi korišćenjem metode direktnog snimanja, gde astronomi ispituju svetlost koja se odbija od atmosfere (ili površine) planete. Druga metoda uključuje dobijanje spektra transmisije, gde astronomi analiziraju svetlost koja prolazi kroz atmosferu egzoplanete dok prolazi ispred svoje zvezde u odnosu na posmatrača (tranziti). Zahvaljujući opservatorijama kao što je svemirski teleskop Džejms Veb (JVST), astronomi konačno mogu da dobiju spektre prenosa sa manjih stenovitih planeta koje kruže bliže njihovim suncu – gde se veruje da žive planete slične Zemlji. Kao što je profesor Kalteneger rekao za Universe Todai putem e-pošte:
„Do danas znamo za oko 35 stenovitih egzoplaneta koje kruže u naseljivim zonama svojih zvezda. Iako je na ivici tehničkih mogućnosti NASA-inog svemirskog teleskopa Džejms Veb, analiza atmosfere nekih od ovih egzoplaneta je sada moguća. Ali naučnicima je potrebno da znamo šta da tražimo. Naši modeli identifikuju planete kao što je Zemlja iz fanerozoika kao zaista obećavajuće mete za pronalaženje života u kosmosu, naravno, taj život nikako ne bi morao biti dinosaurusi.“
Uprkos mnoštvu egzoplaneta koje su otkrivene i okarakterisane, postoji nedostatak Zemljinih analoga čija se atmosfera nalazi u različitim fazama evolucije. Ovo se posebno odnosi na fanerozojski eon, trenutni i najnoviji od četiri geološka eona kojima su prethodili proterozojski, arhaenski i hadeonski eoni. Ovaj period je bio posebno važan za evoluciju zemaljskih oblika života zbog mnogih ključnih događaja koji su se odvijali tokom čitavog perioda. Ovo uključuje Kambrijsku eksploziju, koju karakteriše pojava najsavremenijih životinjskih vrsta u fosilnim zapisima. Kredit: Univerzum danas
Takođe je obuhvatao i Devon, gde su se bezbrojne vodene vrste prilagodile suvom; trijas i jura, koji su započeli i završili velikim događajima izumiranja (događaji izumiranja perm–trijas i trijas–jura, respektivno); događaj izumiranja krede-paleogena, izumiranje dinosaurusa; i neogen, gde su sisari i ptice nastavili da evoluiraju u moderne oblike, a prvi savremeni ljudi su se pojavili u geološkim zapisima. Da bi predvideli kako će izgledati atmosfera ovog Eona, rekao je Kalteneger, kreirali su model koji je kombinovao uspostavljene modele sa novim atmosferskim simulacijama:
„Naši modeli su simulirali spektre transmisije koje generiše planeta sa atmosferom koja prelazi našu liniju vida do njene zvezde, tranzita. Atmosfera planete apsorbuje neke od boja zvezdane svetlosti, ali pušta druge da filtriraju, stvarajući ‘svetli otisak prsta’ koji naučnici koriste da odrede sastav atmosfere i da li postoje znaci života u toj atmosferi. Koristeći procene iz dva uspostavljena klimatska modela (nazvana GEOCARB i COPSE), Rebeka Pejn je simulirala sastav Zemljine atmosfere i rezultirajuće spektre prenosa u pet koraka od 100 miliona godina Fanerozoika, epohe kada se biosfera diverzifikovala i šume postale široko rasprostranjene, menjajući mešavinu kiseonika i drugih gasova u vazduhu.“
Ključ za njihove simulacije bio je sadržaj kiseonika u atmosferi, koji je porastao sa oko 10% na početku fanerozoika (kambrijijski period) na 35% do kraja (neogen). Rezultirajući viši nivoi kiseonika, navode oni, bili su nedvojbeno preduslov za evoluciju složenog života – uključujući dinosauruse, sisare i hominide (što je na kraju dovelo do modernih ljudi). Bez obzira na to, „laki otisak prsta“ koji je proizvela njihova simulacija bi se isticao čak i više od onog na savremenoj Zemlji zbog većeg sadržaja kiseonika.
„Analizirajući poslednjih 540 miliona godina Zemljine evolucije, fanerozojski eon, otkrili smo da su hemijski potpisi života u atmosferi egzoplaneta nalik Zemlji izraženiji nego na savremenoj Zemlji“, rekao je Kalteneger. „Tokom fanerozoika – što uključuje vreme dinosaurusa (pre 245-66 miliona godina), dva ključna para biosignature – kiseonik i metan, i ozon i metan – su se pojavila jači pre oko 300 miliona godina, kada su nivoi kiseonika bili znatno viši. “
Ovo istraživanje je potkrepljeno još jednom nedavnom studijom koju je vodio tim sa koledža Dartmut (na kojoj je Kalteneger bio koautor). U svom radu, koji je prihvaćen za objavljivanje u Monthli Notices of the Roial Astronomical Societi i dostupan je na arKsiv preprint serveru („An Information Theori Approach to Identifiing Signs of Life on Transiting Planets“), tim je opisao kako su simulirali opseg transmisionih spektra da bi se napravio algoritam za identifikaciju potencijalnih biosignatura na Zemlji-analozima. Oni su testirali ovaj algoritam na tri epohe atmosferske evolucije za planete slične Zemlji koje kruže oko niza zvezda domaćina.
Dobijeni dijagnostički alat, rekli su, može se primeniti na buduća posmatranja kako bi se ograničila planetarna nastanjivost. Ovo istraživanje i model koji su kreirali Pejn i Kalteneger mogli bi da imaju drastične implikacije na astrobiologiju pružanjem šablona za pronalaženje planeta u različitim fazama nastanjivosti.
Kao što je Kalteneger rezimirao: „Dakle, za identifikaciju potencijalno nastanjivih svetova, bilo je vremena kada je ovaj otisak života bio još izraženiji nego sada – i to za vreme vladavine dinosaurusa. Stoga, iako je pronalaženje života u kosmosu neverovatno teško , možda je postalo malo lakše nego što smo mislili. Jurski svetovi — sa svojim velikim, složenim životom — mogli bi nam samo dati priliku da ga nađemo malo lakšim. I ko zna, možda nam se posreći, a ima ih drugi dinosaurusi koji čekaju da budu pronađeni.“
