Τα συστατικά για τη ζωή είναι διασκορπισμένα σε όλο το σύμπαν. Αν και η Γη είναι το μόνο γνωστό μέρος στο σύμπαν με ζωή, η ανίχνευση ζωής πέρα από αυτή είναι ένας από τους κύριους στόχους της σύγχρονης αστρονομίας και της πλανητικής επιστήμης.
Ο Chris Impey και ο Daniel Apai, δύο επιστήμονες που μελετoύν εξωπλανήτες και αστροβιολογία, θα είναι σύντομα σε θέση να μετρήσουν τη χημική σύσταση των ατμοσφαιρών των πλανητών γύρω από άλλα αστέρια χάρη στα τηλεσκόπια επόμενης γενιάς όπως το James Webb. Η ελπίδα είναι ότι ένας ή περισσότεροι από αυτούς τους πλανήτες θα έχουν μια χημική υπογραφή ζωής.
Κατοικήσιμοι εξωπλανήτες
Η ζωή μπορεί να υπάρχει στο ηλιακό σύστημα όπου υπάρχει υγρό νερό, όπως οι υπόγειοι υδροφορείς στον Άρη ή στους ωκεανούς του φεγγαριού του Δία, Ευρώπη. Ωστόσο, η αναζήτηση ζωής σε αυτά τα μέρη είναι εξαιρετικά δύσκολη, καθώς είναι δυσπρόσιτα και θα απαιτούνταν η αποστολή ενός ανιχνευτή για να επιστρέψει φυσικά δείγματα. Πολλοί αστρονόμοι πιστεύουν ότι υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να υπάρχει ζωή σε πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια με μεγάλη πιθανότητα μάλιστα να βρεθεί εκεί για πρώτη φορά ζωή.
Θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι υπάρχουν περίπου 300 εκατομμύρια δυνητικά κατοικήσιμοι πλανήτες μόνο στον Γαλαξία μας και αρκετοί κατοικήσιμοι πλανήτες μεγέθους Γης σε απόσταση μόλις 30 ετών φωτός από τη Γη. Μέχρι στιγμής, οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει πάνω από 5.000 εξωπλανήτες, συμπεριλαμβανομένων εκατοντάδων δυνητικά κατοικήσιμων, χρησιμοποιώντας έμμεσες μεθόδους που μετρούν τον τρόπο με τον οποίο ένας πλανήτης επηρεάζει το κοντινό του άστρο. Αυτές οι μετρήσεις μπορούν να δώσουν στους αστρονόμους πληροφορίες για τη μάζα και το μέγεθος ενός εξωπλανήτη.
Αναζήτηση βιοϋπογραφών
Για να ανιχνεύσουν τη ζωή σε έναν μακρινό πλανήτη, οι αστροβιολόγοι θα μελετήσουν το φως των αστεριών που έχει αλληλεπιδράσει με την επιφάνεια ή την ατμόσφαιρα ενός πλανήτη. Εάν η ατμόσφαιρα ή η επιφάνεια μετασχηματίστηκε από τη ζωή, το φως μπορεί να φέρει μια ένδειξη, που ονομάζεται «βιολογική υπογραφή». Κατά το πρώτο μισό της ύπαρξής της, η Γη διέθετε ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο, παρόλο που φιλοξενούσε απλή, μονοκύτταρη ζωή. Η βιοσήμανση της Γης ήταν πολύ αμυδρή κατά τη διάρκεια αυτής της πρώιμης εποχής. Αυτό άλλαξε απότομα πριν από 2,4 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν εξελίχθηκε μια νέα οικογένεια φυκών. Τα φύκια χρησιμοποίησαν μια διαδικασία φωτοσύνθεσης που παράγει ελεύθερο οξυγόνο δηλαδή οξυγόνο που δεν είναι χημικά συνδεδεμένο με κανένα άλλο στοιχείο. Από εκείνη τη στιγμή, η ατμόσφαιρα της Γης που είναι γεμάτη οξυγόνο αφήνει ένα ισχυρό και εύκολα ανιχνεύσιμο βιοσημάδι στο φως που τη διαπερνά.
Όταν το φως ανακλάται από την επιφάνεια ενός υλικού ή διέρχεται μέσα από ένα αέριο, ορισμένα μήκη κύματος του φωτός είναι πιθανότερο να παραμείνουν παγιδευμένα στην επιφάνεια του αερίου ή του υλικού από ότι άλλα. Αυτή η επιλεκτική παγίδευση των μηκών κύματος του φωτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα αντικείμενα έχουν διαφορετικά χρώματα. Πχ τα φύλλα είναι πράσινα επειδή η χλωροφύλλη είναι ιδιαίτερα καλή στην απορρόφηση του φωτός στα κόκκινα και μπλε μήκη κύματος. Καθώς το φως προσπίπτει σε ένα φύλο, τα κόκκινα και μπλε μήκη κύματος απορροφώνται, αφήνοντας κυρίως πράσινο φως να αναπηδά πίσω στα μάτια μας.
Το μοτίβο του ελλείποντος φωτός καθορίζεται από την ειδική σύνθεση του υλικού με το οποίο αλληλεπιδρά το φως. Εξαιτίας αυτού, οι αστρονόμοι μπορούν να μάθουν κάτι για τη σύνθεση της ατμόσφαιρας ή της επιφάνειας ενός εξωπλανήτη, μετρώντας, στην ουσία, το συγκεκριμένο χρώμα του φωτός που προέρχεται από έναν πλανήτη.
Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση της παρουσίας ορισμένων ατμοσφαιρικών αερίων που σχετίζονται με τη ζωή όπως το οξυγόνο ή το μεθάνιο, επειδή τα αέρια αυτά αφήνουν πολύ συγκεκριμένες υπογραφές στο φως. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση ιδιαίτερων χρωμάτων στην επιφάνεια ενός πλανήτη. Στη Γη για παράδειγμα, η χλωροφύλλη και άλλες χρωστικές ουσίες που χρησιμοποιούν τα φυτά και τα φύκια για τη φωτοσύνθεση δεσμεύουν συγκεκριμένα μήκη κύματος του φωτός. Αυτές οι χρωστικές παράγουν χαρακτηριστικά χρώματα που μπορούν να ανιχνευθούν με τη χρήση μιας ευαίσθητης υπέρυθρης κάμερας. Αν βλέπαμε αυτό το χρώμα να αντανακλάται στην επιφάνεια ενός μακρινού πλανήτη, θα σήμαινε ενδεχομένως την παρουσία χλωροφύλλης.
Τηλεσκόπια στο διάστημα και στη Γη
Χρειάζεται ένα απίστευτα ισχυρό τηλεσκόπιο για να ανιχνεύσει αυτές τις λεπτές αλλαγές στο φως που προέρχεται από έναν δυνητικά κατοικήσιμο εξωπλανήτη. Προς το παρόν, το μόνο τηλεσκόπιο που είναι ικανό για ένα τέτοιο κατόρθωμα είναι το νέο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Κατά την έναρξη των επιστημονικών εργασιών του τον Ιούλιο του 2022, το James Webb πήρε μια μέτρηση του φάσματος του γίγαντα αερίου εξωπλανήτη WASP-96b. Το φάσμα έδειξε την παρουσία νερού και νεφών, αλλά ένας πλανήτης τόσο μεγάλος και θερμός όσο ο WASP-96b είναι απίθανο να φιλοξενεί ζωή. Ωστόσο, αυτά τα πρώτα δεδομένα δείχνουν ότι το James Webb είναι ικανό να ανιχνεύσει αμυδρές χημικές υπογραφές στο φως που προέρχεται από εξωπλανήτες.
Τους επόμενους μήνες, το Webb πρόκειται να στρέψει τους καθρέφτες του προς τον TRAPPIST-1e, έναν δυνητικά κατοικήσιμο πλανήτη μεγέθους Γης σε απόσταση μόλις 39 ετών φωτός από τη Γη. Ο TRAPPIST-1e είναι ένας βραχώδης εξωπλανήτης στην κατοικήσιμη ζώνη ενός άστρου που απέχει 40 έτη φωτός από τη Γη και μπορεί να έχει νερό και σύννεφα, όπως απεικονίζεται στην παρακάτω καλλιτεχνική εικόνα.
Το Webb μπορεί να ψάξει για βιοϋπογραφές μελετώντας τους πλανήτες καθώς περνούν μπροστά από τα αστέρια που τους φιλοξενούν και συλλαμβάνοντας το αστρικό φως που φιλτράρεται μέσα από την ατμόσφαιρα του πλανήτη. Όμως το Webb δεν σχεδιάστηκε για την αναζήτηση ζωής, οπότε το τηλεσκόπιο θα είναι επί της ουσίας είναι σε θέση να εξετάσει μόνο μερικούς από τους πλησιέστερους δυνητικά κατοικήσιμους κόσμους. Μπορεί επίσης να ανιχνεύσει μόνο τις αλλαγές στα ατμοσφαιρικά επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα, μεθανίου και υδρατμών. Ενώ ορισμένοι συνδυασμοί αυτών των αερίων μπορεί να υποδηλώνουν ζωή, το Webb δεν είναι σε θέση να ανιχνεύσει την παρουσία μη συνδεδεμένου οξυγόνου, το οποίο είναι το ισχυρότερο σήμα για ζωή.
Κορυφαίες ιδέες για μελλοντικά, ακόμη πιο ισχυρά, διαστημικά τηλεσκόπια περιλαμβάνουν σχέδια που θα μπλοκάρουν το έντονο φως του άστρου που φιλοξενεί έναν πλανήτη, ώστε να αποκαλύψουν το αστρικό φως που αντανακλάται από τον πλανήτη. Αυτή η ιδέα είναι παρόμοια με την απλή κίνηση του χεριού μας στο μπλοκάρισμα του ηλιακού φωτός. Τα μελλοντικά διαστημικά τηλεσκόπια θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μικρές, εσωτερικές μάσκες ή μεγάλα, εξωτερικά, διαστημόπλοια που μοιάζουν με ομπρέλες για να το κάνουν αυτό. Όταν το φως των άστρων εμποδίζεται, είναι πολύ πιο εύκολο να μελετηθεί το φως που ανακλάται από έναν πλανήτη.
Υπάρχουν επίσης τρία τεράστια, επίγεια τηλεσκόπια που βρίσκονται υπό κατασκευή και τα οποία θα είναι σε θέση να αναζητήσουν βιοϋπογραφές: το Giant Magellen Telescope (GMT), το Thirty Meter Telescope (TMT) και το European Extremely Large Telescope (ELT). Καθένα από αυτά είναι πολύ πιο ισχυρό από τα υπάρχοντα τηλεσκόπια στη Γη και παρά το μειονέκτημα της γήινης ατμόσφαιρας που παραμορφώνει το αστρικό φως, τα τηλεσκόπια αυτά θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν τις ατμόσφαιρες των κοντινότερων κόσμων για οξυγόνο.
Είναι βιολογία ή γεωλογία;
Ακόμη και χρησιμοποιώντας τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια των επόμενων δεκαετιών, οι αστροβιολόγοι θα είναι σε θέση να ανιχνεύσουν μόνο ισχυρές βιουπογραφές που παράγονται από κόσμους που έχουν μεταμορφωθεί πλήρως από τη ζωή.
Δυστυχώς, τα περισσότερα αέρια που απελευθερώνονται από τη χερσαία ζωή μπορούν επίσης να παραχθούν από μη βιολογικές διεργασίες (οι αγελάδες και τα ηφαίστεια που απελευθερώνουν μεθάνιο). Η φωτοσύνθεση παράγει οξυγόνο, αλλά και το ηλιακό φως όταν διασπά μόρια νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο. Υπάρχει μεγάλη πιθανότητα οι αστρονόμοι να εντοπίσουν κάποια ψευδώς θετικά αποτελέσματα κατά την αναζήτηση μακρινής ζωής. Για να αποκλείσουν τα ψευδώς θετικά αποτελέσματα, οι αστρονόμοι θα πρέπει να κατανοήσουν έναν πλανήτη ενδιαφέροντος αρκετά καλά, ώστε να καταλάβουν αν οι γεωλογικές ή ατμοσφαιρικές διεργασίες του θα μπορούσαν να μιμηθούν ένα βιοσημάδι.
Η επόμενη γενιά μελετών εξωπλανητών έχει τη δυνατότητα να περάσει τον πήχη των εξαιρετικών αποδείξεων που απαιτούνται για την απόδειξη της ύπαρξης ζωής. Η πρώτη δημοσίευση δεδομένων από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μας δίνει μια αίσθηση της συναρπαστικής προόδου που έρχεται σύντομα.