Как узнать, есть ли кислород на экзопланетах?
Необычный эффект поможет определить наличие важного для жизни газа на далёких планетах.
Самый надёжный способ изучить что-то в бескрайних просторах космоса – это, что вполне логично, туда слетать, собрать образцы, вернуть их на Землю и отдать в руки исследователям, которые скрупулёзно изучат вдоль и поперёк каждую внеземную песчинку. Однако провернуть подобную операцию весьма непросто. На сегодняшний день таким образом удалось добыть лишь немного лунного грунта, да и то это произошло уже полвека назад. Свежие «поступления» ожидаются в декабре этого (2020) года, когда на Землю должен вернуться японский зонд «Хаябуса-2» с образцами грунта с астероида Рюгу. Получить же образцы с поверхности нашего ближайшего соседа – Марса, исследователи надеются не раньше чем через десять лет.
Так что пока в арсенале астрономов есть лишь межпланетные зонды, искусственные спутники и луно- и марсоходы, пусть и оснащённые сложными научными приборами, но всё же их возможности в плане анализа на порядки меньше, чем возможности даже весьма скромной по оснащению исследовательской лаборатории на Земле. Но что делать, когда интересующая нас планета находится на недосягаемом никакими космическими аппаратами расстоянии, если нас разделяют не миллионы километров, а десятки световых лет?
Например, если мы хотим узнать больше о семи экзопланетах звезды TRAPPIST-1, которая находится от нас на расстоянии 39.5 световых лет. Интерес к этой системе вызван не только необычно большим числом землеподобных планет, но и тем, что часть из них может находиться в так называемой «обитаемой зоне» – это область, в которой на планете возможно существование воды в жидкой форме. Проще говоря, это не так близко к звезде, чтобы вся вода испарилась с поверхности экзопланеты, но и не так далеко, чтобы вся вода гарантированно замёрзла. Если же на экзопланете кроме воды будет ещё и кислород, то и шансы на существование на ней жизни в привычном нам понимании ощутимо вырастают.
Единственный способ узнать что-то о таких далёких мирах – это использовать свет, только он может преодолеть такое громадное расстояние и принести нам драгоценные крупицы информации. Дело в том, что когда лучи света звезды, вокруг которой вращаются экзопланеты, проходят сквозь их атмосферы, они вступают с ней (т.е. с атмосферой) во взаимодействие. Определённые части спектра поглощаются определённым молекулами, поэтому наблюдая на Земле, каких световых «кусочков» не хватает в дошедших до нас лучах, можно предположить химический состав атмосферы экзопланеты. Но на этом пути нас поджидает сразу несколько проблем.
Если мы расположим телескоп со спектрометром на поверхности Земли, то мы рискуем не увидеть ничего полезного, в смысле экзопланетного. Всему виной будет земная атмосфера, которая сама практически полностью поглотит большую часть таких лучей. Это будет выглядеть, как попытка увидеть зелёный свет светофора через красный светофильтр, который, собственно, задерживает весь красный свет. Чтобы решить эту проблему, телескопы располагают высоко в горах, где очень сухой воздух. А именно молекулы воды в атмосфере представляют собой главный «светофильтр». Однако даже это не всегда помогает уловить нужный свет, и тогда телескопы выносят за пределы мешающей наблюдениям земной атмосферы, как, например, планируемый к запуску в следующем году орбитальный инфракрасный телескоп имени Джеймса Уэбба. С его помощью астрономы планируют достичь большого прогресса в изучении экзопланет.
Но это только одна, пусть и сложная, но всё-таки решаемая задача. Но в попытке обнаружить экзопланетный кислород спектроскопическими методами нас поджидает другая проблема – газообразный кислород не поглощает в инфракрасном диапазоне. Почему же пары воды свет поглощали, а кислород – нет? Всё дело в строении молекул и принципах квантовой химии. Чтобы молекула вещества смогла поглотить свет определённой длины волны, она должна иметь дипольный момент. Это такое свойство, которое характеризуется несимметричностью распределения электрических зарядов в молекуле. Если, к примеру, молекула состоит только из двух, но при этом разных атомов, один из которых заряжен положительно, а другой – отрицательно, тогда у неё будет этот самый дипольный момент. Его образно можно представить, как стрелочку, проведённую от «плюса» к «минусу». Если же молекула будет состоять из двух одинаковых атомов, то ни один из них не будет отличаться от другого электрическим зарядом, поэтому и нашу стрелочку нарисовать не получится, а у такой молекулы дипольный момент будет равен нулю. И таким молекулам квантовая химия «запрещает» взаимодействовать со светом. А это именно случай кислорода со всем известной формулой O₂. Но даже из этого квантово-химического тупика есть необычный выход.
Ещё в конце XIX века физики заметили необычный эффект: при повышенном давлении газообразный кислород начинает пусть и слабо, но поглощать свет в инфракрасном диапазоне, а значит, появляется возможность получить «запрещённый» спектр кислорода. Объясняется этот феномен довольно просто. Чем выше давление, тем чаще отдельные молекулы кислорода сталкиваются друг с другом. За крайне непродолжительно время «тесного» контакта две молекулы кислорода образуют молекулярный комплекс. Это такая очень неустойчивая «молекула», которая разваливается практически сразу после своего образования, но главное её достоинство в другом – у неё есть тот самый дипольный момент. А значит, перед тем, как распасться обратно на молекулы кислорода, она может провзаимодействовать со светом, и квантовая химия не запрещает такой «обходной манёвр».
Именно эту особенность кислорода предложила использовать группа исследователей из НАСА и нескольких других научных центров для поиска кислорода на экзопланетах. Статья с описанием возможности обнаружения экзопланетного кислорода с помощью будущего телескопа имени –Джеймса Уэбба, опубликована в Nature Astronomy (препринт статьи доступен на сайте arxiv.org). Исследователи показали возможность обнаружить кислород в атмосфере экзопланет системы TRAPPIST-1 (если он там есть, конечно же) в концентрациях, которые могут косвенно свидетельствовать о существовании на них жизни. Но, повторимся, чтобы узнать это наверняка, нужно будет подождать минимум пару лет, когда на орбиту всё-таки будет выведен и введён в строй новый телескоп.
