Afiliacja: Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN,
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Ferrara, Włochy
Astronomowie odkryli dotychczas ponad 4000 układów planetarnych poza naszym Układem Słonecznym. Dzięki coraz lepszym teleskopom, na przykład takim jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, można bezpośrednio zmierzyć odległość planety od jej gwiazdy oraz czas potrzebny na okrążenie gwiazdy (okres orbitalny). Pozwala to wywnioskować, czy planeta znajduje się w strefie zamieszkiwalnej, to znaczy – z naszego ziemskiego punktu widzenia – takiej, w której może przez długi czas istnieć woda w stanie ciekłym.
Jak stwierdzić obecność cieczy na innych planetach? Na pobliskich ciałach niebieskich Układu Słonecznego można obserwować odblask światła słonecznego odbitego od powierzchni cieczy. Taki efekt zaobserwowano na przykład na największym księżycu Saturna, Tytanie, co pomogło potwierdzić istnienie dużych jezior: niestety nie wody, ale mieszaniny metanu i etanu. Wykrycie analogicznego odblasku na planetach pozasłonecznych jest niestety poza zasięgiem obecnej technologii. Istnieją jednak inne, subtelniejsze metody stwierdzania obecności wody.
Skaliste planety wewnętrzne – Wenus, Ziemia i Mars – mają (co do rzędu wielkości) podobne rozmiary i masy, ale tylko na Ziemi znajduje się woda w stanie ciekłym. Zespół naukowców z MIT i Uniwersytetu w Birmingham zwrócił uwagę na oczywistą różnicę: Ziemia ma znacznie mniej dwutlenku węgla w swojej atmosferze niż Wenus i Mars. Przy założeniu, że planety powstały w podobny sposób, można wnioskować, że obecność węgla jest na Ziemi regulowana w inny sposób. Jedynym procesem, który mógłby usunąć taką ilość węgla z atmosfery, jest sprawny cykl hydrologiczny wymagający udziału oceanów ciekłej wody. Ziemskie oceany odgrywają ważną rolę w pochłanianiu CO\(_2.\) W ciągu setek milionów lat oceany pochłonęły ogromną ilość tego związku, prawie równą ilości, która utrzymuje się obecnie w atmosferze Wenus. Na Ziemi znaczna część atmosferycznego CO\(_2\) została zmagazynowana w wodzie morskiej i litosferze w geologicznych skalach czasowych, co wpłynęło na regulację klimatu oraz oczywiście na utrzymanie warunków sprzyjających życiu.
Cykl hydrologiczny to obieg wody obejmujący takie procesy, jak parowanie, kondensacja, opady, transport wilgoci, wsiąkanie, spływ podziemny i powierzchniowy.
Rozumowanie poszukiwaczy planet przebiega więc w następujący sposób: jeśli podobny jak na Ziemi niedobór CO\(_2\) (w porównaniu do jej sąsiadów) zostałby wykryty na odległej planecie byłby to wiarygodny wskaźnik obecności płynnych oceanów, a może i życia na jej powierzchni. CO\(_2\) bardzo silnie pochłania światło podczerwone, i można go wykryć w atmosferach egzoplanet. Gdy już astronomowie ustalą, że w danym układzie wiele planet posiada atmosferę, będą mogli przejść do pomiaru zawartości CO\(_2,\) aby sprawdzić, czy jedna planeta ma go dużo mniej niż pozostałe. Jeśli tak, planeta prawdopodobnie nadaje się do zamieszkania, co oznacza, że na jej powierzchni znajdują się znaczne ilości ciekłej wody.
Warunki nadające się do zamieszkania niekoniecznie oznaczają, że planeta jest rzeczywiście zamieszkana. Aby sprawdzić, czy życie może faktycznie istnieć, należy poszukiwać innej cechy atmosfery planety: obecności ozonu. Jeśli zatem atmosfera planety wykazuje jednocześnie obecność ozonu oraz niedobór CO\(_2,\) prawdopodobnie jest to świat zamieszkany przez biomasę na skalę planetarną, podobnie jak Ziemia.
Na Ziemi rośliny i niektóre mikroorganizmy przyczyniają się do pochłaniania CO\(_2,\) choć nie w takim stopniu jak oceany. W ramach tego procesu materia ożywiona emituje tlen, który reaguje ze światłem gwiazdy centralnej, przekształcając się w ozon: cząsteczkę \(O_3,\) która jest znacznie łatwiejsza do spektroskopowych obserwacji niż sam tlen.
Szacuje się, że Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba byłby w stanie zmierzyć poziom CO\(_2\) oraz \(O_3\) w pobliskich układach planetarnych, takich jak np. TRAPPIST-1: układ siedmiu planet, który krąży wokół jasnej gwiazdy zaledwie 40 lat świetlnych od Ziemi.
Amaury H. M. J. Triaud i in., ,,Atmospheric carbon depletion as a tracer of water oceans and biomass on temperate terrestrial exoplanets”, Nat!ure Astronomy (2023).