Форум программистов, компьютерный форум, киберфорум
Наши страницы
SETI25
Войти
Регистрация
Восстановить пароль
Оценить эту запись

Можно ли распознать жизнь на далекой планете?

Запись от SETI25 размещена 05.01.2020 в 13:51

Можно ли распознать жизнь на далекой планете?
Экзопланетные биомаркеры — фуфло.
Из письма профессионала
Недавно в ТрВ-Наука публиковалась дис¬куссия о вероятности зарождения жиз¬ни на подходящей планете. Это та ве¬роятность, о которой можно теоретизировать, но которую нельзя измерить, покуда нам из¬вестен лишь один случай. Нужен хотя бы еще один, и тогда уже можно оценить эту веро¬ятность с точностью до порядка величины. Разговоры на эту тему ведутся давно, этим, в частности, занимается наука под названием «астробиология». Обретет ли эта наука пред¬мет наблюдения?
Исходя из данных космического телескопа «Кеплер», можно приблизительно оценить ве-роятное расстояние до ближайших землепо¬добных планет у солнцеподобных звезд. Это не простая оценка — она требует экстраполяции от короткопериодических планет (которые лег¬ко обнаруживаются) к длиннопериодическим (чей год сравним с земным), которых «Кеплер» почти не видел. Результат — около 15 или 20% звезд типа Солнца имеют землеподобные пла¬неты в зоне обитаемости. Вероятное расстоя¬ние до ближайшей подобной планеты оказы¬вается в пределах 20 световых лет.
Как убедиться, что на планете, находящей¬ся дальше десяти световых лет от нас, есть жизнь? Конечно, искать ее признаки нужно прежде всего в атмосфере планеты. В прин-ципе, можно изучать отраженный спектр (на¬пример, так называемый красный край в аль-бедо, связанный с хлорофиллом), но до его детектирования еще так далеко, что остано-вимся на искомых признаках в спектре по¬глощения атмосферы. Есть ли шанс увидеть признаки жизни в спектре поглощения света звезды атмосферой транзитной планеты? Или, что сложней, увидеть их в спектре собственно¬го теплового излучения планеты? Эти призна¬ки по-русски называются биомаркерами (что неудачно, поскольку есть пересечение с ме¬дицинским термином); в англоязычной лите¬ратуре преобладает термин biosignature. Об¬щеизвестный биомаркер — кислород, точнее, линии поглощения О2 или озона О3. Простой и неправильный ответ на вопрос «как обна¬ружить жизнь?» — зарегистрировать на экзо¬планете кислород и приписать его происхож¬дение фотосинтезу.
Вот один из контрпримеров.
Кислород может образовываться при фото¬диссоциации молекул воды. Легкий водород улетает в космос, тяжелый кислород остается. Если планета находится в зоне жизни агрес¬сивного красного карлика, излучающего много рентгена и ультрафиолета, то диссоциировать может вся вода. Если воды изначально было достаточно, планета может оказаться с кис¬лородной атмосферой с давлением 100 бар — как на Венере, только с кислородом вместо СО2. И какая там жизнь?
Есть и другие, не столь радикальные вари¬анты высвобождения кислорода. Таким обра-зом, казалось бы, самый надежный биомаркер на самом деле совсем не безусловен и требует осторожного подхода. Есть и другие биомарке¬ры — метан (есть на Марсе и в огромном коли¬честве на Титане), закись азота N2O и несколько других летучих соединений. Однако остановим¬ся на кислороде — на Земле он самый замет¬ный знак жизни: легко детектируется, сильно поглощает излучение в инфракрасной обла¬сти, летучий, химически активный. В свое вре¬мя при выборе частотного диапазона проекта космического интерферометра TPF (Terrestrial Planet Finder — Детектор планет земного типа) решили, что надо опираться на кислород, так как «для нормальной землеподобной планеты, расположенной в зоне обитания, О2 — надеж¬ный индикатор жизни» (DesMarios et al. 2002). С тех пор прошло много времени, проект TPF закрыли, а к кислороду в качестве биомаркера стали относиться с бо́льшим скепсисом. Дело в том, что есть процессы высвобождения кис¬лорода, конкурирующие с фотосинтезом даже для планет в зоне обитаемости.
Землю страхует от фотолиза водяного пара так называемая холодная ловушка — зона с минимальной температурой в верхнем слое тропосферы. Там пар конденсируется и в конечном счете выпадает в виде осадков. В результате его концентрация в стратосфе¬ре становится почти на три порядка меньше. Без холодной ловушки пар достигает высот, облучаемых жестким ультрафиолетом, где молекула воды диссоциирует, водород уле¬тает, а атом кислорода остается и сбивает с толку удаленного наблюдателя. По оцен¬кам Wordsworth, Pierrehumbert (2013) этот процесс может нагнать до 0,15 бар кисло¬рода. Дальше сам кислород создает холод¬ную ловушку и фотолиз воды прекращается, но такого количества кислорода вполне до¬статочно, чтобы принять его за биогенный.
Чтобы холодная ловушка функционирова¬ла изначально, нужна фоновая атмосфера из устойчивого газа, который не способен кон¬денсироваться или химически связываться. Лучший для этого газ — азот; годится и более редкий аргон. Поэтому, если мы видим много кислорода в атмосфере планеты в зоне оби¬таемости, прежде всего надо проверить, есть ли там азот. Это не так просто — молекула N2 не дает линий поглощения в видимом и ин¬фракрасном диапазоне. Зацепиться можно за парные молекулы (N2)2, в некотором количе¬стве присутствующие в азотной атмосфере. Но их вклад в поглощение не столь велик. Вели¬чину эффекта оценивали Schwieterman et al. (2015). Представление о результате дает рис.2, где приведен смоделированный транзитный спектр Земли (как если бы наблюдать Землю на фоне Солнца) с азотом и без него. Эффект измерим, но для наблюдений с большого рас¬стояния удручающе мал.
Впрочем, азот — весьма распространенный элемент. В Солнечной системе он доминирует в атмосферах Земли и Титана, а в толстой ат¬мосфере Венеры азота в три раза больше, чем в земной. Видимо, когда-то Венера тоже име¬ла азотную атмосферу. Это прочная молекула и к тому же достаточно тяжелая, поэтому азот¬ная атмосфера устойчива. Так что недостаток азота при наличии воды и кислорода в атмос¬фере планеты — скорее патология, чем правило. Поэтому, если все-таки будет обнаружен кис¬лород у планеты земного типа в зоне обитае¬мости, к этому стоит отнестись очень серьезно. Скорее всего, на планете есть и азот и холод¬ная ловушка. Конечно, «отнестись серьезно» не значит «пить шампанское за открытие» — вполне возможно, что жизнь во Вселенной, осо¬бенно фотосинтезирующая жизнь, — гораздо более редкий феномен, чем абиогенный кис¬лород у планеты в зоне жизни.
Есть и другие варианты высвобождения боль¬шого количества кислорода. Например, фотолиз СО2. Этот случай распознается по большому количе¬ству СО2 в атмосфере. Если планета сухая, то пода¬вляется основной сток кислорода — каталитическая рекомбинация углекислого газа. В этом случае в ат¬мосфере не должно быть паров воды.
В целом, биомаркеры во главе с кислородом дают лишь указание: «Смотрите внимательней!». В прило¬жение к биомаркеру нужен контекст — всё, что из¬вестно о планете и родительской звезде, всё, что можно выяснить с помощью моделей. В ближай-шей перспективе добыть необходимый контекст бу¬дет непросто даже для транзитных планет, тем бо¬лее у звезд класса G.
Кроме биомаркеров существуют и антибиомарке¬ры — детектируемые примеси в атмосфере, которые свидетельствуют о необитаемости планеты. Наибо¬лее часто обсуждаемый — угарный газ СО — не пото¬му, что он ядовит для человека (наоборот — хорошая пища для фотосинтезирующих организмов), а пото¬му, что свидетельствует об отсутствии воды. СО легко идентифицируется в спектре поглощения атмосфе¬ры планеты. Но и здесь нет однозначности, например, Schwieterman et al. (2019) показали, как биосфера мо¬жет производить CO в детектируемых количествах.
В целом надежды на скорое обнаружение жизни на экзопланетах довольно призрачны. Скорее всего, первыми будут исследованы атмосферы планет в зоне обитаемости красных карликов — их много, вероят¬ность транзитов велика (и уже найдены близкие тран¬зитные планеты), вклад поглощения ат¬мосферой планеты на фоне звезды на два порядка выше, чем для пары Зем¬ля — Солнце. Возможно, там будут об¬наружены биомаркеры, но как раз для планет у звезд класса М цена биомар¬керов наименьшая. Именно у них ин¬тенсивней всего идет фотолиз воды и СО2, именно у них в ранней молодо¬сти звезды может идти катастрофиче¬ский фотолиз, способный дать кисло¬родную атмосферу, превосходящую по толщине углекислотную венерианскую.
Транзитные планеты в зоне оби¬таемости звезд типа Солнца, веро¬ятно, будут найдены на расстоянии порядка сотни световых лет (сейчас известно несколько штук на рассто¬янии больше тысячи световых лет). Исследование их атмосфер в прин¬ципе не безнадежно. Гораздо боль¬шие перспективы могли бы дать кос¬мические интерферометры с прямым наблюдением близких нетранзитных планет. Увы, соответствующие проек¬ты закрыты. Но будем надеяться на прогресс мето¬дов наблюдения. Настанет время, когда начнутся се-рийные открытия близких аналогов Земли. Вот тогда и начнется погоня за биомаркерами!
А сейчас состояние дел можно подытожить сле¬дующим образом.
Надежных биомаркеров как таковых не существует или еще не нашли.
Значение биомаркера (как и антибиомаркера) сильно зависит от контекста: тип звезды, интенсив¬ность облучения планеты, ее масса, водяной пар, дру¬гие составляющие атмосферы.
Есть, пожалуй, один случай довольно надежного (но не стопроцентного) признака фотосинтезирую¬щей жизни: землеподобная планета в зоне обитае¬мости звезды класса G с большим количеством ат¬мосферного кислорода. Для полной уверенности нужно убедиться, что там есть труднообнаружимый азот. Хотя шансы, что его там нет, достаточно малы, и при открытии нескольких подобных планет уже можно пить шампанское. А когда это произойдет — и произойдет ли вообще – можно только гадать.
Живое небо «Ферми»
Cаморецензия на видеоролик youtube.com/watch?v=WU__lpBkLJc
В августе прошлого года исполнилось десять лет рабочего режима космиче¬ской гамма-обсерватории «Ферми». Этому юбилею были посвящены две статьи в ТрВ-Наука1. Сейчас публикую третью заметку вдогонку, поскольку появился повод — визуализация десятилетних данных.
В свое время я сделал слайд в презентации про черные дыры, где использо¬вался файл в формате MPEG — проигрывался прилет гамма-квантов на неко¬тором куске неба. Это было интересно — вспыхивал яркий блазар, пролетало Солнце, которое тоже излучает гамма-кванты, но это не было красиво. У меня попросту нет никакого опыта в изготовлении мультиков из данных, поэтому на одной из лекций я обратился к аудитории с просьбой о помощи — дескать, ну¬жен волонтер, который помог бы сделать качественный ролик с гамма-кванта¬ми. Видео с моим докладом посмотрело 40 с чем-то тысяч человек, и волонтер нашелся. Его зовут Гарсалан Челахсаев, он живет во Владикавказе. Больше я не знаю про него ничего. Ну, кроме того, что он очень быстро и четко управляется с большими массивами данных, нарезает их нужным образом и заправляет их в видео. Вместе мы сделали ролик, простой до безобразия — каждый прилетев¬ший гамма-квант — точка на кадре, кадр — шесть дней, смещение во времени от кадра к кадру — два дня. Таким образом, десять лет укладываются в 76 секунд фильма. На экране всё небо, оно уложено в эллипс с использованием проекции Аитоффа — Хаммера. Изображены все гамма-кванты энергии выше 300 МэВ. Бо¬лее мягких фотонов много, но ниже 300 МэВ слишком плохое угловое разреше¬ние, этот порог выбран как своего рода компромисс. Всего в ролике участвуют несколько сот миллионов (под миллиард) гамма-квантов.
Почему команда «Ферми» не сделала такого ролика? Нечто подобное было, но в сглаженном и укороченном варианте. Там интенсивность потока гамма- квантов была показана цветом, где-то небо разбито на пиксели, где-то интен¬сивность интерполирована гладкими контурами (ниже даны ссылки на некото¬рые интересные ролики NASA). Но всё это — потеря информации. Лично я всегда предпочитаю смотреть на сырые данные. Мозг обрабатывает их лучше прими¬тивных программ сглаживания. Еще одна проблема, с которой я столкнулся при подготовке данных, — неравномерность экспозиции. Эффективный угол зрения «Ферми» — около двух радиан, телескоп сканирует небо, но он летает на низ¬кой околоземной орбите, где часть обзора заслоняет Земля, где время от вре¬мени спутник проходит через Южно-Атлантическую магнитную аномалию и те¬лескоп приходится выключать. Неравномерную экспозицию можно побороть: там, где она ниже средней, можно добавить искусственных гамма-квантов, кор¬релированных с настоящими. Там, где экспозиция выше средней, можно было бы случайным образом выкинуть часть фотонов. Было больше эстетики, но мень¬ше информации — лишний шум. Поэтому мы предпочли представить данные как есть. В результате по полю зрения пробегают волны яркости, по-моему, они не слишком мешают.
Что интересного есть в ролике? Самая яркая постоянная деталь — Млечный Путь (использованы галактические координаты, поэтому он идет по центру кадра). На Млечном Пути выделяются гамма-пульсары: Краб, Геминга, Vela X и другие. По кадру пролетает Солнце — по синусоиде, так выглядит его путь по небу в галак¬тических координатах. Солнце тоже излучает гамма-кванты из-за своей нетепло¬вой активности. Прекрасно видны его вспышки. Самая яркая (апрель 2012 года) видна на 1:04 (внизу слева), она же в более крупном масштабе — на 1:55 (снизу).
Самое же интересное в ролике — блазары2. Это квазары, которые смотрят сво¬ими струями (джетами) прямо на нас — мы попадаем как бы в луч прожектора. Ролик воочию демонстрирует, насколько же они переменные! Это гораздо труд¬нее представить себе, рассматривая кривые блеска отдельных блазаров. Здесь они мигают все вместе, поочередно достигая максимума. Оказалось, что ролик полезен для серьезной работы. Раньше мы исследовали спектры нескольких яр¬чайших блазаров на предмет признаков фотон-фотонного поглощения (и нашли таковые). Теперь видно, что мы упустили несколько интересных вспышек объек¬тов, которые ускользнули от нашего внимания.
Чего нет в ролике? Во-первых, здесь не видны пузыри «Ферми». Чтобы их уви¬деть, надо установить гораздо более высокий порог по энергии — не 300 МэВ, а 10 ГэВ, — тогда они проявятся, поскольку их спектр довольно жесткий. Но тог¬да будет маловато фотонов для видео, поэтому лучше показывать их на стати¬ческом снимке3. Во-вторых, в ролике не видны гамма-всплески. Вернее, видны, но не выделяются, поэтому их трудно уловить (хотя зритель может попытаться). В будущем можно попробовать выделить фотоны от гамма-всплесков цветом.
В заключение хотелось бы поблагодарить моего добровольного помощника Гарсалана Челахсаева — без него этот ролик вряд ли бы появился. И, конечно, в который раз надо поблагодарить NASA за открытые данные.
Борис Штерн
Аналогичные ролики NASA, которые удалось найти:
svs.gsfc.nasa.gov/10407 youtube.com/watch?v=0RExg9Wzp5s svs.gsfc.nasa.gov/11545 svs.gsfc.nasa.gov/10819
1 Десять лет гамма-телескопу «Ферми». № 259 (31 июля) и № 260 (14 августа 2018 года).
2 См. trv-science.ru/2018/08/14/10-let-fermi 2/
3 Как это сделано здесь trv-science.ru/2018/07/31/10-let-fermi 1/
1. DesMarais et al., 2002, Astrobiology, Vol. 2, Iss. 2, pp. 153–181.
2. Edward W. Schwieterman et al., 2015, the Astrophysical Journal, Vol. 810, Iss. 1, article id. 57, p. 15.
3. Edward W. Schwieterman et al., 2019, the Astrophysical Journal, Vol. 874, No 1.
4. Wordsworth Robin; Pierrehumbert Raymond, 2013, the Astrophysical Journal Letters, Vol. 785, Iss. 2, article id. L20, p. 4.
Хотите принять участие в распределенных вычислениях, тогда, Вам сюда:
https://boinc.berkeley.edu/wiki/Simple_view
https://boinc.berkeley.edu/download_all.php
https://boinc.ru/

Нажмите на изображение для увеличения
Название: Скриншот 21-12-2019 160923.jpg
Просмотров: 633
Размер:	144.1 Кб
ID:	5801

Нажмите на изображение для увеличения
Название: Скриншот 21-12-2019 161140.jpg
Просмотров: 604
Размер:	300.1 Кб
ID:	5802

Нажмите на изображение для увеличения
Название: Скриншот 21-12-2019 161230.jpg
Просмотров: 594
Размер:	229.5 Кб
ID:	5803

Нажмите на изображение для увеличения
Название: Скриншот 21-12-2019 161534.jpg
Просмотров: 579
Размер:	369.6 Кб
ID:	5804
Размещено в Без категории
Просмотров 159 Комментарии 0
Всего комментариев 0
Комментарии
 
КиберФорум - форум программистов, компьютерный форум, программирование
Powered by vBulletin® Version 3.8.9
Copyright ©2000 - 2020, vBulletin Solutions, Inc.