Компьютерная симуляция воспроизводит пять миллиардов лет геологической эволюции нашей планеты, исключая влияние живых организмов. Разработка может помочь астрономам отличать настоящие признаки внеземной жизни от химических процессов, которые способны происходить и без неё.
Поиск жизни за пределами Солнечной системы постепенно переходит от предположений к анализу конкретных научных данных. Астрономы уже обнаружили более 6000 экзопланет — планет, обращающихся вокруг других звёзд. Некоторые из них обладают потенциально подходящими для жизни условиями, а исследователи внимательно изучают состав их атмосфер в поисках химических соединений, которые могут указывать на биологическую активность.
Однако здесь возникает серьёзная проблема: как понять, действительно ли обнаруженный газ появился благодаря живым организмам? Ведь некоторые вещества могут образовываться в результате обычных геологических и химических процессов.
Чтобы разобраться в этом вопросе, исследователи из Вашингтонского университета (University of Washington) разработали необычную компьютерную модель — виртуальную Землю, на которой никогда не существовало жизни.
Зачем учёным понадобилась Земля без жизни?
Наша планета — единственный известный на сегодняшний день пример мира, на котором достоверно существует жизнь. Поэтому именно Земля служит главным ориентиром при поиске обитаемых экзопланет.
Живые организмы постоянно изменяют химический состав окружающей среды. Например, фотосинтезирующие организмы выделяют кислород, а различные биологические процессы участвуют в образовании метана. Эти газы взаимодействуют друг с другом, поэтому их одновременное присутствие в атмосфере может указывать на активность живых организмов.
Представим, что астроном наблюдает Землю из другой звёздной системы. Обнаружив в её атмосфере кислород и метан одновременно, он мог бы предположить, что на планете существует жизнь.
Но насколько надёжным будет такой вывод?
Дело в том, что некоторые атмосферные газы могут иметь и небиологическое происхождение. Их образование способно объясняться взаимодействием недр планеты, её поверхности и атмосферы. Следовательно, обнаружение потенциальных биосигнатур — химических признаков, которые могут свидетельствовать о присутствии жизни, — ещё не является доказательством существования внеземных организмов.
Именно эту проблему и призвана решить новая модель.
Как работает виртуальная модель Земли?
Разработанная исследователями симуляция воспроизводит геохимическую эволюцию нашей планеты на протяжении пяти миллиардов лет. Она охватывает период от формирования Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад до приблизительно 500 миллионов лет в будущем.
Главная особенность модели заключается в том, что она полностью исключает влияние живых организмов. Таким образом, учёные могут проследить, как менялись бы химический состав и состояние планеты, если бы биологическая жизнь никогда на ней не возникла.
В симуляции учитывается обмен химическими веществами между основными компонентами планеты:
- ядром;
- мантией;
- земной корой;
- поверхностью;
- атмосферой.
Это позволяет получить более целостную картину геологических и химических процессов, происходящих внутри планеты и на её поверхности.
Новая разработка основана на более ранней модели, созданной в лаборатории Райори Барнса (Rory Barnes), доцента кафедры астрономии Вашингтонского университета. Однако первоначальная версия учитывала ядро, мантию, кору и воздействие звёздного излучения, но не включала полноценное описание поверхности и атмосферы.
Ведущий автор нового исследования Саманта Гилберт-Джанизек (Samantha Gilbert-Janizek) расширила модель, добавив недостающие компоненты. Благодаря этому удалось значительно полнее описать движение химических элементов между различными оболочками планеты.
Результат оказался обнадёживающим: симуляция смогла воспроизвести 19 характеристик Земли. Среди них — тепловой поток через мантию, то есть перенос энергии из внутренних областей планеты к её поверхности.
Это важный показатель, поскольку он отражает интенсивность внутренних геологических процессов.
Как модель поможет отличить жизнь от геологических процессов?
Основное практическое назначение разработки — создание своеобразного эталона планеты, на которой отсутствует биологическая активность.
Используя его, исследователи смогут проверять, способны ли исключительно геологические и химические процессы объяснить наблюдаемый состав атмосферы далёкой экзопланеты.
Для этого достаточно изменить исходные параметры симуляции, адаптировав её под характеристики интересующего астрономов мира.
Дальше возможны два сценария.
Первый: модель воспроизводит наблюдаемый химический состав атмосферы без участия живых организмов. В таком случае обнаруженные вещества могут иметь естественное небиологическое происхождение, и считать их свидетельством внеземной жизни пока нельзя.
Второй: симуляция не позволяет объяснить наблюдения исключительно геологическими процессами. Тогда планета становится более интересной целью для дальнейших исследований: возможно, в её атмосфере действительно присутствуют следы биологической активности.
Разумеется, даже второй сценарий не гарантирует обнаружения жизни. Он лишь указывает на необходимость более пристального изучения объекта с помощью телескопов и других научных инструментов.
Влияние на будущие космические телескопы
Новая модель может оказаться полезной не только для анализа уже известных экзопланет, но и для разработки будущих астрономических инструментов.
В частности, результаты исследования способны повлиять на проектирование космического телескопа NASA Habitable Worlds Observatory — перспективной обсерватории, предназначенной для изучения потенциально обитаемых планет за пределами Солнечной системы.
Одна из ключевых задач подобных инструментов — анализ атмосфер далёких миров. Чем точнее учёные смогут интерпретировать полученные данные, тем меньше вероятность принять обычное геологическое явление за признак жизни.
В конечном счёте это позволит эффективнее выбирать планеты для дальнейших наблюдений и рациональнее использовать возможности дорогостоящих космических обсерваторий.
Важно понимать, что исследование не привело к обнаружению новой обитаемой планеты или тем более внеземных организмов. Его значение заключается в другом: учёные получили инструмент, позволяющий лучше понимать, какие химические процессы способны происходить на планетах без участия биологии.
Это принципиально важный шаг для астробиологии. Ведь обнаружить в атмосфере далёкого мира кислород, метан или другие потенциальные биосигнатуры — только половина задачи. Не менее важно доказать, что их присутствие нельзя объяснить альтернативными механизмами.
Исследование опубликовано в научном журнале The Planetary Science Journal.
