Het is niet overdreven om te zeggen dat de studie van planeten buiten het zonnestelsel de afgelopen decennia is geëxplodeerd. Daten, 4, 375 exoplaneten zijn bevestigd in 3, 247 systemen, met nog eens 5, 856 kandidaten wachten op bevestiging. In recente jaren, exoplaneetstudies zijn begonnen over te gaan van het proces van ontdekking naar een van karakterisering. Dit proces zal naar verwachting versnellen zodra de volgende generatie telescopen operationeel worden.

Als resultaat, astrobiologen werken aan het maken van uitgebreide lijsten van mogelijke "biosignaturen, " wat verwijst naar chemische verbindingen en processen die verband houden met het leven (zuurstof, kooldioxide, water, etc.) Maar volgens nieuw onderzoek door een team van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), een andere potentiële biosignatuur waar we op moeten letten, is een koolwaterstof genaamd isopreen (C ₅ H ₈ ).

De studie die hun bevindingen beschrijft, "Beoordeling van isopreen als een mogelijk biosignatuurgas in exoplaneten met zuurstofloze atmosfeer, " verscheen onlangs online en is geaccepteerd voor publicatie door het tijdschrift Astrobiologie . Ter wille van hun studie, het MIT-team keek naar de groeiende lijst van mogelijke biosignaturen waar astronomen de komende jaren naar uit zullen kijken.

Daten, de overgrote meerderheid van exoplaneten is gedetecteerd en bevestigd met behulp van indirecte methoden. Voor het grootste gedeelte, astronomen hebben vertrouwd op de transitmethode (transitfotometrie) en de radiale snelheidsmethode (Doppler-spectroscopie), alleen of in combinatie. Slechts een paar zijn detecteerbaar met behulp van directe beeldvorming, waardoor het erg moeilijk is om atmosferen en oppervlakken van exoplaneten te karakteriseren.

Slechts in zeldzame gevallen hebben astronomen spectra kunnen verkrijgen waarmee ze de chemische samenstelling van de atmosfeer van die planeet konden bepalen. Dit was ofwel het resultaat van licht dat door de atmosfeer van een exoplaneet ging terwijl het voor zijn ster langs ging, of in de enkele gevallen waarin directe beeldvorming plaatsvond en licht dat door de atmosfeer van de exoplaneet werd gereflecteerd, kon worden bestudeerd.

Veel hiervan had te maken met de beperkingen van onze huidige telescopen, die niet de nodige resolutie hebben om kleinere, rotsachtige planeten die dichter bij hun ster draaien. Astronomen en astrobiologen geloven dat het deze planeten zijn die het meest waarschijnlijk potentieel bewoonbaar zijn, maar elk licht dat door hun oppervlakken en atmosferen wordt weerkaatst, wordt overweldigd door het licht dat van hun sterren komt.

Echter, dat zal snel veranderen als instrumenten van de volgende generatie zoals de James Webb Space Telescope (JWST) de ruimte in gaan. Sara Zeeger, de klasse van 1941 hoogleraar natuurkunde en planetaire wetenschappen aan het MIT, leidt de verantwoordelijke onderzoeksgroep (ook bekend als de Seager Group) en was co-auteur van het papier. Zoals ze Universe Today via e-mail vertelde:

"Met de aanstaande lancering van de James Webb-ruimtetelescoop in oktober 2021 zullen we onze eerste mogelijkheid hebben om naar biosignatuurgassen te zoeken, maar het zal moeilijk zijn omdat de atmosferische signalen van een kleine rotsachtige planeet in het begin zo zwak zijn. Met de JWST op de horizon het aantal mensen dat in het veld werkt enorm is gegroeid. Studies zoals deze komen met nieuwe potentiële biosignatuurgassen, en ander werk dat potentiële valse positieven laat zien, zelfs voor gassen zoals zuurstof."

Zodra het is ingezet en operationeel is, de JWST zal ons universum op langere golflengten (in het nabij- en midden-infraroodbereik) en met een sterk verbeterde gevoeligheid kunnen observeren. De telescoop zal ook vertrouwen op een reeks spectrografen om compositiegegevens te verkrijgen, evenals coronagrafen om het verduisterende licht van moedersterren te blokkeren. Met deze technologie kunnen astronomen de atmosferen van kleinere rotsplaneten karakteriseren.

Beurtelings, deze gegevens zullen wetenschappers in staat stellen veel strengere beperkingen op te leggen aan de bewoonbaarheid van een exoplaneet en kunnen zelfs leiden tot de detectie van bekende (en/of potentiële) biosignaturen. Zoals opgemerkt, deze "biosignaturen" omvatten de chemische indicaties die verband houden met het leven en het biologische proces, om nog maar te zwijgen van de soorten voorwaarden die daarvoor gunstig zijn.

Deze omvatten zuurstofgas (O ₂ ), dat essentieel is voor de meeste vormen van leven op aarde en wordt geproduceerd door fotosynthetische organismen (planten, bomen, cyanobacteriën, enzovoort.). Deze zelfde organismen metaboliseren koolstofdioxide (CO ₂ ), dat zuurstofmetaboliserend leven als afvalproduct afgeeft. Er is ook water (H ₂ O), die essentieel is voor al het leven zoals we dat kennen, en methaan (CH ₄ ), die wordt uitgestoten door rottend organisch materiaal.

Aangezien wordt aangenomen dat vulkanische activiteit een belangrijke rol speelt in de bewoonbaarheid van planeten, de chemische bijproducten geassocieerd met vulkanisme-waterstofsulfide (H ₂ S), zwaveldioxide (SO ₂ ), koolmonoxide (CO), waterstofgas (H ₂ ), enz. – worden ook als biohandtekeningen beschouwd. Naar deze lijst, Zhan, Zeeger, en hun collega's wilden een andere mogelijke biosignatuur toevoegen:isopreen. Zoals Zhan via e-mail aan Universe Today uitlegde:

"Onze onderzoeksgroep bij MIT richt zich op het gebruik van een holistische benadering om alle mogelijke gassen als potentieel biosignatuurgas te onderzoeken. Ons eerdere werk leidde tot de oprichting van de database met alle kleine moleculen. We gaan verder met het filteren van de ASM-database om het meest plausibele biosignatuurgas te identificeren kandidaten, een daarvan is isopreen, met behulp van machine learning en datagestuurde benaderingen."

Net als zijn neef methaan, isopreen is een organisch koolwaterstofmolecuul dat door verschillende soorten hier op aarde als secundaire metaboliet wordt geproduceerd. Naast loofbomen, isopreen wordt ook geproduceerd door een diverse reeks evolutionaire verre organismen, zoals bacteriën, planten, en dieren. Zoals Seager uitlegde, dit maakt het veelbelovend als een potentiële biosignatuur:

"Isopreen is veelbelovend omdat het in enorme kwaliteiten wordt geproduceerd door het leven op aarde - net zoveel als de productie van methaan! Bovendien, een enorme verscheidenheid aan levensvormen (van bacteriën tot planten en dieren), die evolutionair ver van elkaar verwijderd zijn, produceren isopreen, wat suggereert dat het misschien een soort belangrijke bouwsteen is die het leven elders ook zou kunnen maken."

Terwijl isopreen ongeveer net zo overvloedig aanwezig is als methaan hier op aarde, isopreen wordt vernietigd door interactie met zuurstof en zuurstofhoudende radicalen. Om deze reden, Zhang, Zeeger, en hun team kozen ervoor om zich te concentreren op anoxische atmosferen. Dit zijn omgevingen die voornamelijk bestaan ​​uit H ₂ , CO ₂ , en stikstofgas (N ₂ ), wat vergelijkbaar is met waar de oeratmosfeer van de aarde uit bestond.

Volgens hun bevindingen een oerplaneet (waar leven begint te ontstaan) zou een overvloed aan isopreen in zijn atmosfeer hebben. Dit zou tussen 4 en 2,5 miljard jaar geleden op aarde het geval zijn geweest toen eencellige organismen het enige leven waren en fotosynthetische cyanobacteriën langzaam de atmosfeer van de aarde omvormden tot een zuurstofrijke atmosfeer.

2,5 miljard jaar geleden, dit culmineerde in de "Great Oxygenation Event" (GOE), die giftig bleek te zijn voor veel organismen (en metabolieten zoals isopreen). Het was ook in deze tijd dat complexe levensvormen (eukaryoten en meercellige organismen) begonnen te ontstaan. In dit opzicht, isopreen zou kunnen worden gebruikt om planeten te karakteriseren die zich midden in een grote evolutionaire verschuiving bevinden en de basis leggen voor toekomstige dierlijke phyla.

Maar zoals Zhang opmerkte, het plagen van deze potentiële biosignatuur zal een uitdaging zijn, zelfs voor de JWST:

"De kanttekeningen bij isopreen als biomarker zijn dat:(1) 10x-100x de isopreenproductiesnelheid van de aarde nodig is voor detectie; (2) detectie van het spectrale kenmerk van nabij-infrarood isopreen kan worden belemmerd door de aanwezigheid van methaan of andere koolwaterstoffen. Uniek detectie van isopreen zal een uitdaging zijn met JWST, omdat veel koolwaterstofmoleculen vergelijkbare spectra-kenmerken delen in nabij-infrarode golflengten. Maar toekomstige telescopen die zich richten op de mid-IR-golflengte zullen in staat zijn om isopreen spectrale kenmerken op unieke wijze te detecteren."

Buiten de JWST, de Nancy Grace Roman Space Telescope (opvolger van de Hubble-missie) zal tegen 2025 ook de ruimte in gaan. Dit observatorium zal de kracht hebben van 100 Hubbles en dankzij de recent verbeterde infraroodfilters kan het exoplaneten op zichzelf en door samenwerkingen met de JWST en andere 'grote observatoria'.

Er worden momenteel ook verschillende telescopen op de grond gebouwd hier op aarde die zullen vertrouwen op geavanceerde spectrometers, coronagrafen en adaptieve optica (AO's). Deze omvatten de Extreem Grote Telescoop (ELT), de gigantische Magellan-telescoop (GMT), de Thirty Meter Telescope (TMT) Deze telescopen zullen ook directe beeldvormingsstudies van exoplaneten kunnen uitvoeren, en de resultaten zullen naar verwachting baanbrekend zijn.

Tussen verbeterde instrumenten, snel verbeteren van data-analyse en technieken, en verbeteringen in onze methodologie, de studie van exoplaneten zal naar verwachting alleen maar verder versnellen. Naast het feit dat er nog tienduizenden meer beschikbaar zijn voor studie (waarvan vele rotsachtig en "aardachtig" zullen zijn), de ongekende opvattingen die we van hen zullen hebben, zullen ons laten zien hoeveel bewoonbare werelden er zijn.

Of dit zal resulteren in de ontdekking van buitenaards leven tijdens ons leven, valt nog te bezien. Maar één ding is duidelijk. In de komende jaren, wanneer astronomen beginnen met het uitkammen van alle nieuwe gegevens die ze zullen hebben over exoplaneetatmosferen, ze zullen een uitgebreide lijst met biosignaturen hebben om hen te begeleiden.