Zazwyczaj myśląc o atmosferze na Ziemi myślimy głównie o tlenie. Jednak w rzeczywistości cząsteczki tlenu stanowią zaledwie 20% jej objętości. Większość naszej atmosfery stanowi azot, którego obfitość wynosi aż 78%.
Astrobiolodzy zaczynają uważać azot – nie tylko tlen – jako kluczowy wskaźnik przyjazności planety dla życia. Azot jest niezbędnym składnikiem dla życia na Ziemi i może sygnalizować wystarczająco gęstą atmosferę, aby mogła ustabilizować ciekłą wodę na powierzchni planety – element fundamentalny do stworzenia warunków przyjaznych dla życia.
Azotu było jeszcze więcej na Ziemi gdy wulkany i procesy zachodzące we wnętrzu naszej planety zaczęły zastępować jej pierwotną otoczkę składającą się z wodoru i helu. Wynikiem tych procesów geologicznych było powstanie „wtórnej” atmosfery składającej się z azotu, tlenu (głównie dzięki organizmom wykorzystującym proces fotosyntezy – roślinom) i elementów śladowych takich jak woda czy argon.
Oto wyzwanie dla astrobiologów: azot jest trudny do zaobserwowania nawet przez wyrafinowane teleskopy. Jego chemiczna sygnatura nie jest łatwo wykrywalna przez spektrografy bowiem sam azot nie oddziałuje silnie z promieniowaniem jakiejkolwiek długości. A uwzględniając fakt, że planety typu ziemskiego mają cienką, trudną do zaobserwowania atmosferę, znalezienie w niej azotu na planetach pozasłonecznych będzie trudne.
Jednak Edward Schwieterman, doktorant astronomii i astrobiologii na University of Washington wraz ze współpracownikami wykonał krok w dobrą stronę. W swoich badaniach Schwieterman współpracował z Victorią Meadows, głównym badaczem Virtual Planetary Laboratory (NASA Astrobiology Institute). Artykuł naukowy opierający się na ich badaniach pt. „Wykrywanie i nakładanie ograniczeń na obfitość N2 w atmosferach planetarnych przy wykorzystaniu par zderzeniowych,” został opublikowany w sierpniu w czasopiśmie Astrophysical Journal. Badania zostały sfinansowane przez NASA Astrobiology Institute.
Schwieterman potraktował Ziemię jako egzoplanetę, która mogłaby stanowić analog potencjalnie zamieszkiwalnych egzoplanet w innych układach planetarnych. Większość satelitów znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej, doskonałej do badania warunków pogodowych i zmian klimatu, jednak niezbyt dobrej do tego, aby sprawdzić jak Ziemia wyglądałaby z większej odległości, gdzie wszelkie informacje przestrzenne zlewają się w jeden punkt.
„Gdyby udało nam się bezpośrednio zobrazować egzoplanetę podobną do Ziemi – widzielibyśmy punkt emitujący promieniowanie, ale nie moglibyśmy uzyskać jakichkolwiek informacji przestrzennych,” powiedział Schwieterman. „Potrzebujemy wszystkich danych o Ziemi zawartych w jednym punkcie – dopiero to będzie mogło służyć jako narzędzie przydatne do porównywania z Ziemią wszystkich znajdowanych egzoplanet.”
Kluczem do realizacji tego zadania było zaobserwowanie Ziemi z odległej sondy. Naukowcy wybrali do tego dane z EPOXI, misji, w ramach której ponownie wykorzystano sondę Deep Impact (która wykonała z bliska zdjęcia komety 103P/Hartley w 2010 roku). EPOXI znajdowała się wystarczająco daleko od Ziemi, aby widzieć ją jako dysk. Kontrolerzy stracili kontakt z sondą w 2013 roku i misja została zakończona, jednak dane z niej przetrwały.
Mimo, że azot jest trudny do zaobserwowania z daleka, gdy cząsteczki azotu się ze sobą zderzają tworzą parę azot-azot, która jest aktywna widmowo. I to „parowanie” było widoczne dla spektrometru zainstalowanego na pokładzie EPOXI.
Z uwagi na fakt, że widmowe sygnatury zderzeń azotu i dwutlenku węgla nakładają się na siebie, naukowcy stworzyli za pomocą trójwymiarowego widmowego modelu Ziemi (Virtual Planetary Laboratory) modele różnego typu atmosfer syntetycznych podwajając lub zmniejszając o połowę obfitości dwutlenku węgla i azotu. Nawet po takich zmianach wciąż byli w stanie zaobserwować sygnaturę azotu na długości fali 4.15 mikronów.
Odnalezienie azotu w atmosferze egzoplanety ma ciekawe implikacje w przypadku planet o rozmiarach zbliżonych do Ziemi. Często definiuje się przyjazność do życia jako zdolność do utrzymywania wody w stanie ciekłym na powierzchni. Często tak też definiujemy ekosferę – region wokół gwiazdy, gdzie woda w stanie ciekłym może istnieć na powierzchni planety skalistej przy założeniu wystarczająco gęstej atmosfery. A to zazwyczaj zależy od ilości promieniowania jakie planeta otrzymuje od gwiazdy.
Aby zawęzić zakres planet pozasłonecznych przyjaznych dla życia Schwieterman zauważył, że azot może służyć jako wskaźnik atmosfery na tyle gęstej, aby na jej powierzchni istniała woda w stanie ciekłym. „Jeżeli wokół egzoplanety nie występuje wystarczająco gęsta atmosferta, to woda na jej powierzchni nie jest stabilna i wyparowuje do atmosfery. Jeżeli natomiast potwierdzimy, że w atmosferze znajduje się podobna ilość azotu co na Ziemi – wiemy, że atmosfra jest wystarczająco gęsta.” Jeżeli inne planety pozasłoneczne nadające się do zamieszkania są takie same jak Ziemia, ich atmosfery też muszą być zdominowane przez azot.
Przykład może tutaj stanowić…. Mars. Miliardy lat temu planeta charakteryzowała się atmosferą na tyle gestą, aby na jej powierzchni występowała woda w stanie ciekłym – czego ślady z resztą widać na powierzchni planety do dzisiaj. Dzisiaj jednak planeta ma znacznie rzadszą atmosferę. Dlaczego tak się stało stara się aktualnie odpowiedzieć sonda MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission).
Najnowsze badania wskazują, że tlen nie zawsze musi być wiarygodnym wskaźnikiem życia. Jest tak, bowiem planety skaliste nie posiadające życia wciąż mogą wytwarzać tlen w niebiologicznych procesach takich jak fotoliza. Dzieje się tak gdy cząsteczki wody w wysokich partiach atmosfery planety są rozbijane przez promieniowanie gwiazdy – wtedy to lżejszy wodór ucieka z atmosfery, a cięższy tlen pozostaje w niej. Proponuje się także inne sposoby powstawania abiotycznego tlenu.
Źródło: ApJ