Op 9 januari 1992, astronomen kondigden een gedenkwaardige ontdekking aan:twee planeten die rond een pulsar 2 draaien, 300 lichtjaar van onze zon. De twee planeten, later Poltergeist en Draugr genoemd, waren de eerste bevestigde 'exoplaneten' - werelden buiten ons zonnestelsel, om een ​​verre ster cirkelen. Wetenschappers weten nu van 3, 728 (bevestigde) exoplaneten in 2, 794 systemen, elk smeekt de vraag:"Is er iemand anders daarbuiten?"

'Welke belangrijkere vraag zouden we kunnen stellen? Zijn we alleen?' vraagt ​​de Boston University-hoogleraar astronomie Michael Mendillo. "Ik ken geen boeiendere vraag in de wetenschap."

Al decenia, astronomen hebben deze verre exoplaneten afgezocht naar tekenen van leven, meestal op zoek naar dat meest essentiële molecuul, water. Maar Mendillo en zijn collega's hebben een ander idee. In een paper gepubliceerd in Natuurastronomie op 12 februari, 2018, Mendillo, BU universitair hoofddocent sterrenkunde Paul Withers, en Ph.D. kandidaat Paul Dalba (GRS'18) stelt voor om in plaats daarvan naar de ionosfeer van een exoplaneet te kijken, de dunne bovenste laag van de atmosfeer, die zoeft met geladen deeltjes. Vind er een zoals die van de aarde, ze zeggen, vol met enkele zuurstofionen, en je hebt het leven gevonden. Of, minstens, het leven zoals we het kennen.

"Gedurende de geschiedenis van de menselijke beschaving, we zijn nooit op het punt gekomen - tot in feite de afgelopen 15 jaar - waarop we planeten rond andere sterren konden zien. En nu zijn we op het punt waar we met ideeën komen om het leven buiten de aarde te ontdekken, " zegt John Clarke, hoogleraar astronomie aan de Boston University, en directeur van het Center for Space Physics. "Dit is een groot intellectueel avontuur waar we mee bezig zijn."

Hun werk begon toen Mendillo en Withers een subsidie ​​ontvingen van de National Science Foundation (NSF) om alle planetaire ionosferen in het zonnestelsel te vergelijken. (Alle planeten hebben ze behalve Mercurius, die zo dicht bij de zon staat dat de atmosfeer volledig is gestript.) Tegelijkertijd het team werkte ook met NASA's MAVEN-missie, proberen te begrijpen hoe de moleculen die de ionosfeer van Mars vormden, aan die planeet waren ontsnapt. Sinds de vroege jaren van het ruimtetijdperk, wetenschappers weten dat planetaire ionosferen enorm verschillen, en het BU-team begon zich te concentreren op waarom dat het geval was, en waarom die van de aarde zo anders was. Terwijl andere planeten hun ionosferen vol proppen met gecompliceerde geladen moleculen die voortkomen uit koolstofdioxide of waterstof, De aarde houdt het simpel, met voornamelijk zuurstof die de ruimte vult. En het is een specifiek type zuurstof:enkele atomen met een positieve lading.

"Ik begon te denken, hoe komt het dat onze ionosfeer anders is dan de andere zes?" herinnert Mendillo zich.

Het team vinkte talloze mogelijkheden aan voor de hoge concentratie van O+ op aarde voordat het zich op een boosdoener vestigde:groene planten en algen.

"Het is omdat we deze atomaire zuurstof hebben die zijn oorsprong vindt in fotosynthese, " zegt Mendillo. "We hebben atomaire zuurstofionen, O+, in de ionosfeer als een direct gevolg van het hebben van leven op de planeet. Dus waarom kijken we niet of we een criterium kunnen bedenken waarbij de ionosfeer een biomarker kan zijn, niet alleen van het mogelijke leven, maar van het werkelijke leven."

De meeste planeten in ons zonnestelsel hebben wat zuurstof in hun lagere atmosfeer, maar de aarde heeft veel meer, ongeveer 21 procent. Dit komt omdat zoveel organismen bezig zijn met het veranderen van het licht, water, en koolstofdioxide in suiker en zuurstof - het proces dat fotosynthese wordt genoemd - gedurende de afgelopen 3,8 miljard jaar.

"Vernietig alle planten op aarde en de zuurstof van onze atmosfeer zal in slechts duizenden jaren verdwijnen, " zegt Withers, die opmerkt dat al deze zuurstof die door planten wordt uitgeademd, niet alleen aan het aardoppervlak blijft hangen. "Voor de meeste mensen O2, de zuurstof die we inademen, is geen erg opwindend molecuul. aan chemici, echter, O2 is een wilde, opwindend, en gevaarlijk beest. Het blijft gewoon niet stil zitten; het reageert chemisch met bijna elk ander molecuul dat het kan vinden en het doet dat heel snel."

Op aarde vandaag, overtollige zuurstofmoleculen, in de vorm van O2, naar boven drijven. Als de O2 ongeveer 150 kilometer boven het aardoppervlak komt, ultraviolet licht splitst het in tweeën. De enkele zuurstofatomen drijven hoger, in de ionosfeer, waar meer ultraviolet licht en röntgenstralen van de zon elektronen uit hun buitenste schil scheuren, geladen zuurstof door de lucht laten suizen. De overvloed aan O2 nabij het aardoppervlak - zo anders dan de andere planeten - leidt tot een overvloed aan O+ hoog aan de hemel.

Deze vonst, zegt Mendillo, suggereert dat wetenschappers die op zoek zijn naar buitenaards leven hun zoekgebied misschien kunnen verkleinen. Paul Dalba, die werkte aan exoplaneetatmosferen met BU-assistent-professor astronomie Philip Muirhead, voegde zich bij het team om te wegen. "Dalba's kennis van ster-exoplaneetsystemen heeft echt geholpen, " zegt Mendillo. Momenteel, de meeste wetenschappers bij deze zoektocht richten zich op M-klasse sterren - de meest voorkomende in de melkweg - en de planeten die hen omcirkelen in de "bewoonbare zone, "waar water zou kunnen bestaan.

Dit slaat ergens op, because life as we know it needs water. But scientists don't know exactly how much water a planet needs to support life. "If we only had the Mediterranean, would that have been enough? Do we need the Pacific, but not the Atlantic?" asks Mendillo. "If you look at the ionosphere, you don't need to know the number. You just need to know that if the maximum electron density is associated with oxygen ions, then you've nailed it—you've got a planet where there's photosynthesis and life."

Natuurlijk, this assumes that "life" is at least somewhat analogous to life on Earth, which requires not only water and oxygen, but also a certain temperature range, probably a magnetic field, en andere factoren. "That's a good starting point, " says Clarke. "But in the back of our mind, we are all aware that there may be kinds of life we're not thinking about that may surprise us."

There's one other catch, at least for now:scientists don't have the tools to detect an ionosphere on any exoplanet—yet. "If you look at the space telescopes that might come next, a lot is going to be possible, " says Clarke. "I think in ten years we will have the technology to do this experiment."

Mendillo hopes his team's work makes a case for further research, ontwikkeling, and exploration in this area. "Just the idea of using the ionosphere as a signature is a captivating idea, " he says. "We don't have the observational capability yet, but I'm optimistic. We offer this up as a challenge."