In de zoektocht naar leven op andere planeten, de aanwezigheid van zuurstof in de atmosfeer van een planeet is een potentieel teken van biologische activiteit dat door toekomstige telescopen kan worden gedetecteerd. Een nieuwe studie, echter, beschrijft verschillende scenario's waarin een levenloze rotsachtige planeet rond een zonachtige ster zou kunnen evolueren om zuurstof in zijn atmosfeer te hebben.

De nieuwe bevindingen, gepubliceerd op 13 april in AGU-vooruitgang , benadrukken de behoefte aan telescopen van de volgende generatie die in staat zijn om planetaire omgevingen te karakteriseren en te zoeken naar meerdere bewijslijnen voor leven naast het detecteren van zuurstof.

"Dit is handig omdat het laat zien dat er manieren zijn om zuurstof in de atmosfeer te krijgen zonder leven, maar er zijn andere observaties die u kunt doen om deze valse positieven te onderscheiden van de echte deal, " zei eerste auteur Joshua Krissansen-Totton, een Sagan Fellow in de afdeling Astronomy and Astrophysics aan de UC Santa Cruz. "Voor elk scenario we proberen te zeggen wat uw telescoop zou moeten kunnen om dit te onderscheiden van biologische zuurstof."

In de komende decennia zal misschien tegen het einde van de jaren 2030, astronomen hopen een telescoop te hebben die beelden en spectra kan maken van mogelijk aardachtige planeten rond zonachtige sterren. Medeauteur Jonathan Fortney, hoogleraar astronomie en astrofysica en directeur van UCSC's Other Worlds Laboratory, zei dat het idee zou zijn om planeten te richten die genoeg op de aarde lijken, zodat er leven op zou kunnen ontstaan ​​​​en hun atmosfeer zou karakteriseren.

"Er is veel discussie geweest over de vraag of detectie van zuurstof 'genoeg' is voor een teken van leven, " zei hij. "Dit werk pleit er echt voor om de context van je ontdekking te kennen. Welke andere moleculen worden gevonden naast zuurstof, of niet gevonden, en wat zegt dat over de evolutie van de planeet?"

Dit betekent dat astronomen een telescoop willen die gevoelig is voor een breed scala aan golflengten om verschillende soorten moleculen in de atmosfeer van een planeet te detecteren.

De onderzoekers baseerden hun bevindingen op een gedetailleerde, end-to-end computermodel van de evolutie van rotsachtige planeten, beginnend bij hun gesmolten oorsprong en zich uitstrekkend door miljarden jaren van afkoeling en geochemische cycli. Door de initiële inventaris van vluchtige elementen in hun modelplaneten te variëren, de onderzoekers verkregen een verrassend breed scala aan resultaten.

Zuurstof kan zich gaan ophopen in de atmosfeer van een planeet wanneer hoogenergetisch ultraviolet licht watermoleculen in de bovenste atmosfeer splitst in waterstof en zuurstof. De lichtgewicht waterstof ontsnapt bij voorkeur in de ruimte, de zuurstof achterlatend. Andere processen kunnen zuurstof uit de atmosfeer verwijderen. Koolmonoxide en waterstof die vrijkomen door uitgassen uit gesmolten gesteente, bijvoorbeeld, zal reageren met zuurstof, en verwering van gesteente dweilt ook zuurstof op. Dit zijn slechts enkele van de processen die de onderzoekers in hun model van de geochemische evolutie van een rotsachtige planeet hebben verwerkt.

"Als je het model voor de aarde gebruikt, met wat we denken dat de eerste inventaris van vluchtige stoffen was, je krijgt elke keer betrouwbaar hetzelfde resultaat - zonder leven krijg je geen zuurstof in de atmosfeer, "Zei Krissansen-Totton. "Maar we hebben ook meerdere scenario's gevonden waarin je zuurstof kunt krijgen zonder leven."

Bijvoorbeeld, een planeet die verder op de aarde lijkt, maar begint met meer water, zal eindigen met zeer diepe oceanen, enorme druk uitoefenen op de korst. Dit sluit effectief de geologische activiteit af, inclusief alle processen zoals het smelten of verweren van rotsen die zuurstof uit de atmosfeer zouden verwijderen.

In het tegenovergestelde geval, waar de planeet begint met een relatief kleine hoeveelheid water, het magma-oppervlak van de aanvankelijk gesmolten planeet kan snel bevriezen terwijl het water in de atmosfeer blijft. Deze "stoomatmosfeer" brengt voldoende water in de bovenste atmosfeer om ophoping van zuurstof mogelijk te maken wanneer het water uiteenvalt en waterstof ontsnapt.

"De typische volgorde is dat het magma-oppervlak tegelijkertijd stolt met water dat condenseert in de oceanen op het oppervlak, " zei Krissansen-Totton. "Op aarde, zodra het water op het oppervlak condenseerde, ontsnappingspercentages waren laag. Maar als u een stoomatmosfeer behoudt nadat het gesmolten oppervlak is gestold, er is een venster van ongeveer een miljoen jaar waarin zuurstof zich kan ophopen, omdat er hoge waterconcentraties zijn in de bovenste atmosfeer en geen gesmolten oppervlak om de zuurstof te verbruiken die wordt geproduceerd door waterstofontsnapping."

Een derde scenario dat kan leiden tot zuurstof in de atmosfeer, betreft een planeet die verder op de aarde lijkt, maar begint met een hogere verhouding van koolstofdioxide tot water. Dit leidt tot een op hol geslagen broeikaseffect, waardoor het te heet is voor water om ooit uit de atmosfeer op het oppervlak van de planeet te condenseren.

"In dit Venus-achtige scenario, alle vluchtige stoffen beginnen in de atmosfeer en weinigen blijven achter in de mantel om te worden ontgast en zuurstof op te dweilen, ', aldus Krissansen-Totton.

Hij merkte op dat eerdere studies zich hebben gericht op atmosferische processen, overwegende dat het model dat in deze studie wordt gebruikt de geochemische en thermische evolutie van de mantel en korst van de planeet onderzoekt, evenals de interacties tussen de korst en de atmosfeer.

"Het is niet rekenintensief, maar er zijn veel bewegende delen en onderling verbonden processen, " hij zei.