Czy teleskop Webba namierzy obcych?
NASA poinformowała w kwietniu o dodaniu do swojego archiwum sześćdziesiąt pięć nowo potwierdzonych planet, dzięki czemu ich liczba wyniosła 5005 a zapewne nie jest to zatrzymanie licznika. Naukowcy zaobserwowali wystarczająco dużo egzoplanet, aby móc formułować bardziej ogólne wnioski.
Okazuje się, że natura jest zdolna do tworzenia wielkiej różnorodności światów. Znamy egzoplanety mniejsze od Merkurego i dwa razy większe od Jowisza, lodowate i gorące, skaliste, ze stałą powierzchnią oraz gazowe, pokryte w całości chmurami. Wiemy o istnieniu planet wokół gwiazdy najbliższej naszemu Słońcu, odległej o zaledwie 4,2 roku świetlnego, oraz planety wokół gwiazd odległych o kilka tysięcy lat świetlnych.
Niedawno poinformowano nawet o odkryciu egzoplanety z innej galaktyki, ale na razie nie zostało to potwierdzone. Na podstawie dotychczasowych odkryć astronomowie mogą śmiało powiedzieć, że w naszej galaktyce Drogi Mlecznej jest więcej planet niż gwiazd.
Jednak tylko nieliczne z nich zostały "sfotografowane". Przeważająca większość została odkryta dzięki detekcji wpływu, jaki wywierają one na swoje gwiazdy macierzyste, albo lekko zakłócając ich ruch przez oddziaływanie grawitacyjne, albo okresowo blokując część ich światła.
JWST ma dać nam zdjęcia egzoplanet średniej wielkości, o średnicy dwa do trzech razy większej od średnicy Ziemi. Nie należy się spodziewać niczego więcej niż jednopikselowych kropek. Astronomowie mają jednak prawie dwustuletnie doświadczenie w wydobywaniu dobrych informacji nawet z takich zdjęć, choćby za pomocą spektroskopii, pozwalając naukowcom określić skład pierwiastkowy obiektu. Na przykład, widmo spektralne Marsa zawiera wyraźne oznaki obecności dwutlenku węgla. To samo dotyczy Wenus. Obcy badający Ziemię, znalazłby tlen i gazy nagromadzone w wyniku miliardów lat fotosyntezy. Odkrycie tlenu lub kilku innych "biomarkerów" w atmosferze planety to silny sygnał istnienia tam biologii, takiej przynajmniej jaką znamy.
Na Ziemi ważną biosygnaturą jest tlen, który jest wytwarzany w procesie fotosyntezy tlenowej przez rośliny i drobnoustroje. Innym ważnym bioznakiem Ziemi jest metan, który na naszej planecie jest wytwarzany przez mikroby żyjące w różnych miejscach, od kominów hydrotermalnych na dnie oceanu po wnętrzności krów.
Webb jest sześćdziesiąt razy bardziej czuły niż również pracujący w zakresie podczerwieni Kosmiczny Teleskop Spitzera NASA, który został wycofany z eksploatacji w zeszłym roku. JWST jest tak czuły, że teoretycznie mógłby wykryć z Ziemi sygnaturę cieplną trzmiela na Księżycu. Takie porównanie podała przynajmniej NASA.
Chemiczne odciski palców
Tak naprawdę poszukiwanie oznak życia nie należało do pierwotnych założeń naukowych teleskopu Jamesa Webba, gdy zaczynał być projektowany ponad trzy dekady temu. W tamtych czasach nie znaliśmy żadnych egzoplanet a naukowcy pragnęli przede wszystkim teleskopu, który mógłby uchwycić światło pierwszych galaktyk. Budowa tego instrumentu, którego koszt ostatecznie osiągnął 10 miliardów dolarów, okazała się jednak tak czasochłonna, że po drodze zdążyła powstać zupełnie nowa dziedzina nauki - badania planet znajdujących się poza naszym Układem Słonecznym.
Webb poszukuje elementów składowych życia na egzoplanetach za pomocą techniki zwanej spektroskopią tranzytową (2). Polega ona na obserwowaniu egzoplanet podczas ich przelotu na tle tarcz gwiazd i pomiarach światła przefiltrowanego przez atmosfery egzoplanet. Każda cząsteczka i atom pochłaniają i emitują światło określonych częstotliwościach. To są niejako ich "odciski palców". Widma światła przefiltrowanego przez atmosfery ma wykrywać i mierzyć zawartość różnych związków chemicznych. Im więcej jest danego związku chemicznego, tym wyraźniejsze jest jego widmo.
Wykrycie odległych biosygnatur oznacza poszukiwanie kombinacji gazów lub pierwiastków chemicznych, których wytworzenia naukowcy nie spodziewaliby się w wyniku samych procesów geologicznych. I choć astrobiolodzy mają pewne pomysły na to, czego moglibyśmy szukać - metanu, ozonu i innych produktów ubocznych przemiany materii - nie jest jasne, jaką formę mogą przybrać sygnatury obcego życia.
"Jeśli pewne cząsteczki, np. dwutlenku węgla i metanu, wystąpią tam w dużych ilościach, oznacza to, że mamy do czynienia z chemią nierównowagową", mówił w rozmowie z tygodnikiem "Newsweek" Sean Brittain z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Clemson w Południowej Karolinie w USA. "Oznacza to, że musi istnieć proces, który wytwarza te cząsteczki, ponieważ nie mają one tendencji do przetrwania obok siebie dłuższy czas". To może oznaczać, że być może istnieje tam życie.
Co bardzo ważne, trzeba też wykluczyć tzw. fałszywe wyniki pozytywne biosygnatur, gdyż uważa się, iż planeta może "oszukiwać", wytwarzając coś, co wygląda jak biosygnatura, ale w rzeczywistości nie jest biosygnaturą, ponieważ nie zostało wytworzone przez życie lecz przez inny proces, np. wulkanizm, reakcje chemiczne w atmosferze lub jakikolwiek inny proces, który nie wiąże się z życiem. Także samo wykrycie pary wodnej i wody nie musi niczego przesądzać. Woda nie jest jedynym warunkiem istnienia życia w innym miejscu. Znamy w kosmosie mnóstwo miejsc i obiektów, które zawierają wodę a nie ma tam życia.
Nie ma racjonalnych powodów aby wykluczać też życie, które nie jest podobne do tego na Ziemi w środowiskach, które w ogóle nie przypominają naszej planety. Badania opublikowane w ubiegłym roku w 'Nature Astronomy" dowodzą, że powinniśmy rozszerzyć zakres poszukiwań poza planety o atmosferach podobnych do naszej i uwzględnić te, które mają atmosferę bogatą w wodór, który jest najlżejszym z gazów i dlatego łatwo ulatnia się z atmosfery. Aby planeta była w stanie utrzymać atmosferę wodorową, musiałaby być znacznie masywniejsza od Ziemi. Mogłaby również znajdować się w większej odległości od swojej gwiazdy macierzystej, ponieważ, choć im dalej od źródła energii, tym zimniej, efekt cieplarniany atmosfery wodorowej sprawi, że planeta będzie cieplejsza niż atmosfera bogata w tlen. Z Ziemi wiemy, że mikroorganizmy mogą żyć w środowisku bogatym w wodór, więc koncepcja życia oddychającego wodorem jest całkowicie realna.
Jeszcze przed uruchomieniem JWST można było czasem dowiedzieć się czegoś o atmosferze planety, za pomocą teleskopu takiego jak Hubble’a. Analizy takie były możliwe dla dużych, gorących planet, z dużą ilością gazu w atmosferze, przez który prześwieca światło. Jednak w przypadku małych planet, podobnych do Ziemi, z cienką atmosferą, trzeba wychwycić więcej światła, aby było to możliwe. Ogromne lustro zbierające światło teleskopu Jamesa Webba daje na to szansę.
Znaki cywilizacji
Wraz z rozwojem nauki o biosygnaturach, astronomowie zdali sobie sprawę, że podobne poszukiwania w różnych zakresach fal można prowadzić również dla technosygnatur.
Niektórzy zastanawiają się, czy teleskop mógłby w atmosferze egzoplanety dostrzec także sztucznie wytworzone gazy, a tym samym stwierdzić, że jest ona siedliskiem inteligentnego życia. Nie byłoby to łatwe do zrealizowania, choćby dlatego, że musielibyśmy mieć niewiarygodne szczęście, aby znaleźć w atmosferze egzoplanety coś, co pojawiło się w stosunkowo krótkim okresie.
Dziś wiemy, że 22 proc. gwiazd podobnych do Słońca posiada planetę wielkości Ziemi w swojej "strefie zamieszkiwalnej", gdzie temperatura powierzchni pozwala na istnienie wody w stanie ciekłym. Biorąc pod uwagę, że w samej Drodze Mlecznej znajduje się od 100 do 400 miliardów gwiazd, istnieją dziesiątki miliardów planet, na których mogło rozwinąć się i wyewoluować życie.
Choć znaleziono skaliste egzoplanety o rozmiarach zbliżonych do Ziemi, a niektóre z nich znajdują się w strefach zamieszkiwalnych wokół swoich gwiazd, czyli takich, w których panują warunki odpowiednie dla wody w stanie ciekłym, to nikt wciąż nie odkrył dowodów na istnienie życia w atmosferze innej planety, o transmisjach radiowych sygnalizujących istnienie inteligentnej obcej cywilizacji, nie wspominając.
Za każdym razem, gdy okazuje się, że na jakiejś gwieździe znajduje się planeta, nawet jeśli w niczym nie przypomina ona Ziemi, astronomowie z Instytutu SETI kierują anteny swoich teleskopów na tę gwiazdę, na wszelki wypadek, gdyby w tym układzie ukrywała się inna planeta, nadająca na częstotliwości, którą moglibyśmy wychwycić.
Od około sześćdziesięciu lat radioastronomowie liczą na "ten" sygnał, kierując swoje coraz bardziej zaawansowane teleskopy w niebo w poszukiwaniu sygnałów, które mogłyby pochodzić od pozaziemskiej inteligencji. Choć do tej pory nie udało się uchwycić żadnej konkretnej technosygnatury, na przestrzeni lat udało się wychwycić kilka dających do myślenia sygnałów. Należy do nich słynny 72-sekundowy sygnał "WOW!", zarejestrowany 15 sierpnia 1977 roku przez radioteleskop Big Ear Uniwersytetu Stanowego Ohio. Był też sygnał radiowy Breakthrough Listen Candidate 1 (BLC1) odebrany w kwietniu i maju 2019 roku przez finansowany ze środków prywatnych projekt Breakthrough Listen w Berkeley Search for Extraterrestrial Intelligence Research Center na Uniwersytecie Kalifornijskim.
Jednak, chociaż sygnał WOW! nosił wiele oczekiwanych cech pochodzenia pozaziemskiego, nigdy więcej go nie wykryto. Sygnał BLC1, który pochodził z kierunku kolejnej najbliższej nam gwiazdy Proxima Centauri, jest nadal analizowany.
Przez lata pojawiło się wiele sugestii na temat rodzajów technosygnatur, które moglibyśmy zobaczyć z Ziemi. Lista obejmuje m.in. nocne światła miejskie, atmosferyczne zanieczyszczenia przemysłowe, kolektory energii słonecznej, takie jak oparte na krzemie baterie fotowoltaiczne, które pozostawiłyby ślad na odbitym świetle planety.
W celu sprawdzenia, czy takie światła mogłyby zostać wykryte, astronom Thomas Beatty z Obserwatorium Stewarda na Uniwersytecie Arizony badał potencjalną widoczność hipotetycznych świateł o podobnej do ziemskiej mocy. Zauważając, że tylko 0,05 proc. Ziemi można uznać za "silnie" zurbanizowane (ze szczytowym poziomem nocnego oświetlenia w miastach takich jak Nowy Jork czy Tokio), Beatty obliczył, że planety wokół pobliskich gwiazd typu M (czerwony karzeł) (które są chłodniejsze, a zatem ciemniejsze niż Słońce) mogłyby zostać wykryte przez dwa teleskopy kosmiczne, które są obecnie rozważane przez NASA jako kolejne obserwatoria kosmiczne po teleskopie Webba.
To obserwatorium Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LUVOIR) oraz teleskop HabEx (Habitable Exoplanet Imaging Mission), który ma zawierać koronagraf i optykę do bezpośredniego obrazowania planet podobnych do Ziemi (3). Beatty odkrył, że używając koronagrafów, światła można wykryć przy stu godzinach obserwacji, przy poziomie urbanizacji od 0,4 proc. (osiem razy większym niż ziemski) do 3 proc. powierzchni planety. Planety wokół gwiazd podobnych do Słońca byłyby wykrywalne przy poziomie urbanizacji 10 proc. lub wyższym (ponieważ ich jaśniejsza gwiazda utrudnia detekcję).
W 2014 r. astronom Henry Lin i współpracownicy z Harvardu zidentyfikowali pewne zanieczyszczenia chemiczne - takie jak chlorofluorowęglowodory - w atmosferze ziemskiej, które mają znaczące cechy absorpcji w zakresie spektralnym objętym przez JWST. Stwierdzili oni, że te związki chemiczne mogą być wykryte przez teleskop w atmosferach planet podobnych do Ziemi, krążących wokół białych karłów, w czasie około półtora dnia obserwacji, jeśli związki te występują w ilości dziesięciokrotnie większej niż obecnie na Ziemi.
Innym sugerowanym zanieczyszczeniem będącym technoznakiem jest dwutlenek azotu, NO2, który występuje tu na Ziemi jako produkt uboczny spalania w pojazdach i elektrowniach zasilanych paliwami kopalnymi. Według niektórych uczonych NO2 może być wykryty w atmosferach egzoplanet znajdujących się w odległości do dziesięciu parseków. Jeśli planeta była wolna od chmur, podobny do ziemskiego poziom NO2, który może osiągać stężenie pięć części na miliard na obszarach miejskich, mógłby zostać wykryty w podczerwieni przy około 400 godzinach obserwacji za pomocą proponowanego teleskopu LUVOIR. Około 40 lat temu poziom NO2 w USA był około trzy razy wyższy niż obecnie, więc rodząca się obca cywilizacja przemysłowa może być wykrywalna w krótkim jedynie przedziale swojego istnienia.
Możemy dostrzec sztuczne składniki powierzchni, gęsto orbitujące konstelacje satelitów, ciepło odpadowe z megastruktur takich jak sfery Dysona (4), a nawet dziwne lub zanikające obiekty obserwowane podczas tranzytu przez swoją gwiazdę. Jeszcze bardziej ekstremalną możliwością jest istnienie artefaktów "inżynierii gwiezdnej", w której ramach zaawansowana cywilizacja może posunąć się do zmiany wyglądu gwiazd i innych obiektów niebieskich w niewytłumaczalny sposób.
Bardziej konserwatywne ujęcie mówi jednak raczej takich wskaźnikach jak sygnały elektromagnetyczne, przede wszystkim fale radiowe lub impulsy laserowe, a nawet sonda kosmiczna wysłana przez zaawansowaną cywilizację i zmierzająca do naszego Układu Słonecznego. Sami coś takiego podjęliśmy, wysyłając statki kosmiczne Pioneer 10 i 11 oraz Voyager 1 i 2, które obecnie znajdują się w przestrzeni międzygwiezdnej.
TRAPPIST-1 i Układ Słoneczny
Większość zaplanowanych na pierwszy etap obserwacji teleskopu Webba będzie dotyczyło gorących Jowiszów, klasy planet, których nie mamy w naszym Układzie Słonecznym. Te gigantyczne światy, okrążające swoje gwiazdy w ciągu zaledwie kilku godzin lub dni, są jednymi z najczęstszych typów planet odkrytych do tej pory przez astronomów.
Natalie Batalha z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz i jej zespół będzie obserwować trzy gorące Jowisze: WASP-39b, WASP-18b i NGTS-10b. Badacze sprawdzą, jaki jest stosunek węgla i tlenu w atmosferach planet, co pozwoli określić, gdzie planety się uformowały. Zespół porówna również to, co widzi Webb z wcześniejszymi obserwacjami Hubble’a.
Innym intrygującym typem planet, których nie widzimy w Układzie Słonecznym, są superziemie lub minineptuny, obiekty, które są większe niż Ziemia i mniejsze niż Neptun. Należą do nich m.in. Gliese 486b, GJ 1132b i K2-18b. Są to jedne z najbardziej powszechnych egzoplanet, jakie znamy (5), a tak naprawdę nie wiemy, jak powstają. Ustalenie, czy te planety mają atmosfery i z czego się one składają, może pomóc o w określeniu, czy mogą nadawać się do zamieszkania. W pierwszej fazie na cel wzięte zostaną również gorące planety skaliste, przytulone wręcz często do swoich gwiazd. Na takich światach, do których należą 55 Cancri e i K2-141b.
Jeden z intrygujących układów planetarnych, któremu przyjrzy się instrumentarium teleskopu Jamesa Webba, to znany medialnie, układ małej, chłodnej, gwiazdy, zwanej TRAPPIST-1 (6), który znajduje się w odległości około 40 lat świetlnych od nas. Odkryto tam siedem planet o rozmiarach zbliżonych do Ziemi. Trzy z nich krążą w strefie, gdzie temperatury powinny być wystarczająco łagodne, aby występowała tam woda w postaci ciekłej.
TRAPPIST-1e oferuje prawdopodobnie największe szanse na wykrycie warunków podobnych do ziemskich, podczas gdy TRAPPIST-1c, krąży bliżej swojej gwiazdy i prawdopodobnie ma temperaturę podobną do Wenus. JWST ma pozwolić na sprawdzenie, czy planety te mają atmosfery i ewentualnie, jaki jest ich skład chemiczny.
Część wczesnych obserwacji egzoplanet za po-mocą JWST będzie bezpośrednio obrazować planety w tego typu układach, zasłaniając gwiazdę gospodarza. Większość tego rodzaju obserwacji będzie dotyczyła dużych planet - gazowych olbrzymów i być może lodowych olbrzymów, czyli obiektów, które są stosunkowo daleko od swoich gwiazd i dlatego łatwiej je dostrzec. Również takie obserwacje pozwolą naukowcom dowiedzieć się więcej o strukturze atmosfery, rodzajach i ilości chmur, oraz o względnych ilościach cząsteczek takich jak metan i tlenek węgla, co może wskazywać miejsce narodzin planety.
Bezpośrednie obrazowanie pomoże również naukowcom w poszukiwaniu planet wokół gwiazd układu potrójnego Alfa Centaura, najbliższych Słońcu. Jak do tej pory jedyna potwierdzona planeta w tej okolicy to Proxima Centauri b, krążąca wokół czerwonego karła w tym układzie. Wokół podobnych do słońca gwiazd A i B nie odkryto jak do tej pory egzoplanet. Być może JWST to zmieni.
Warto uzmysłowić sobie, że teleskop Webba ma w planie również obserwacje i analizy ciał w naszym Układzie Słonecznym. Przyjrzy się m.in. atmosferze i powierzchni Tytana, Europy oraz Enceladusa, księżyców Jowisza i Saturna, uznawanymi potencjalnie za siedliska jakichś form życia.
Wielu naukowców radzi jednak zachować wstrzemięźliwość, nawet gdyby sygnatury potencjalnego życia zostały na planetach układu TRAPPIST-1 czy gdzie indziej wykryte. Chociaż teleskop Webba będzie w stanie wykrywać gazy w atmosferach planet podobnych do Ziemi z niespotykaną dotąd precyzją, uczeni ostrzegają, że samo to nie będzie pewnym dowodem na istnienie życia.
Harold Connolly Jr, profesor na Uniwersytecie Rowan w New Jersey, który jest obecnie zaangażowany w dwie misje pobrania i przywozu próbek z asteroid, OSIRIS-Rex NASA i Hayabusa2 Japońskiej Agencji Kosmicznej (JAXA), powiedział "Newsweekowi": "Moim zdaniem nigdy nie będziemy w stanie definitywnie udowodnić na podstawie danych zebranych przez JWST, że dane ciało planetarne zawiera życie".
Naukowcy będą ostro spierać się o to, co te odkrycia naprawdę oznaczają, a opinia publiczna może mieć błędne wyobrażenia na temat odkryć dokonywanych przez instrumenty JWST. Teleskop ten prawdopodobnie nie dostrzeże jednak nie budzących wątpliwości oznak życia, chyba że… naukowcy będą mieli wyjątkowe szczęście.
Mirosław Usidus
