In de jacht op leven op andere werelden, astronomen speuren over planeten die lichtjaren verwijderd zijn. Ze hebben manieren nodig om het leven op afstand te identificeren, maar wat telt als goed bewijs?

Onze eigen planeet geeft wat inspiratie. Microben vullen de lucht met methaan; fotosynthetiserende planten verdrijven zuurstof. Misschien kunnen deze gassen overal worden gevonden waar het leven heeft gegrepen.

Maar op werelden die heel anders zijn dan de onze, vermeende tekenen van leven kunnen worden opgewekt door niet-biologische processen. Om een ​​waar teken te kennen als je het ziet, astronoom Kevin France aan de Universiteit van Colorado, Kei, zegt, je moet verder kijken dan de planeet zelf, helemaal tot aan de glanzende ster waar hij omheen draait.

Hiertoe, Frankrijk en zijn team ontwierpen de SISTINE-missie. Vliegen op een sondeerraket voor een vlucht van 15 minuten, het zal verre sterren observeren om te helpen bij het interpreteren van tekenen van leven op de planeten die eromheen draaien. De missie wordt gelanceerd vanaf de White Sands Missile Range in New Mexico in de vroege ochtenduren van 5 augustus. 2019.

Wanneer de aarde een slecht voorbeeld is

Kort nadat de aarde 4,6 miljard jaar geleden werd gevormd, het was omgeven door een schadelijke atmosfeer. Vulkanen spuwden methaan en zwavel. De lucht krioelde van tot 200 keer meer koolstofdioxide dan de huidige niveaus.

Het duurde nog een miljard en een half jaar dat moleculaire zuurstof, die twee zuurstofatomen bevat, kwam op het toneel. Het was een afvalproduct, verwijderd door oude bacteriën door middel van fotosynthese. Maar het was de start van wat bekend werd als het Grote Oxidatie-evenement, de atmosfeer van de aarde permanent veranderen en de weg vrijmaken voor complexere levensvormen.

"We zouden geen grote hoeveelheden zuurstof in onze atmosfeer hebben als we dat oppervlakteleven niet hadden, ' zei Frankrijk.

Zuurstof staat bekend als een biomarker:een chemische verbinding die met het leven wordt geassocieerd. Zijn aanwezigheid in de atmosfeer van de aarde verwijst naar de levensvormen die eronder op de loer liggen. Maar zoals geavanceerde computermodellen nu hebben aangetoond, biomarkers op aarde zijn niet altijd zo betrouwbaar voor exoplaneten, of planeten die om sterren elders in het heelal draaien.

Frankrijk wijst naar M-dwergsterren om dit te bewijzen. Kleiner en kouder dan onze zon, M-dwergen zijn goed voor bijna driekwart van de sterrenpopulatie van de Melkweg. Om exoplaneten die om hen draaien te begrijpen, wetenschappers simuleerden planeten ter grootte van de aarde die om M-dwergen cirkelen. Verschillen met de aarde kwamen snel naar voren.

M-dwergen genereren intens ultraviolet licht. Toen dat licht de gesimuleerde aarde-achtige planeet trof, het scheurde de koolstof van koolstofdioxide, vrije moleculaire zuurstof achterlatend. UV-licht brak ook moleculen van waterdamp af, enkele zuurstofatomen vrijgeven. De atmosferen creëerden zuurstof, maar zonder leven.

"We noemen deze vals-positieve biomarkers, Frankrijk zei. "Je kunt op een aardachtige planeet alleen zuurstof produceren door middel van fotochemie."

De lage zuurstofniveaus van de aarde zonder leven waren een soort toevalstreffer - bedankt, gedeeltelijk, op onze interactie met onze zon. Exoplaneetsystemen met verschillende sterren kunnen anders zijn. "Als we denken dat we de atmosfeer van een planeet begrijpen, maar de ster waar ze om draait, niet begrijpen, we gaan waarschijnlijk dingen verkeerd doen, ' zei Frankrijk.

Een planeet kennen, Bestudeer zijn ster

Frankrijk en zijn team hebben SISTINE ontworpen om gaststerren en hun effecten op de atmosferen van exoplaneten beter te begrijpen. Afkorting van Suborbital Imaging Spectrograph for Transition region Bestraling van nabijgelegen exoplaneet-gaststerren, SISTINE meet de hoogenergetische straling van deze sterren. Met kennis over de spectra van gastheersterren, wetenschappers kunnen echte biomarkers beter onderscheiden van vals-positieven op hun om de aarde draaiende planeten.

Om deze metingen te doen, SISTINE gebruikt een spectrograaf, een instrument dat licht scheidt in zijn samenstellende delen.

"Spectra zijn als vingerafdrukken, " zei Jane Rigby, een astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, wie de methodiek gebruikt. "Zo komen we erachter waar dingen van gemaakt zijn, zowel op onze planeet als als we uitkijken in het universum."

SISTINE meet spectra in golflengten van 100 tot 160 nanometer, een reeks ver-UV-licht dat, onder andere, zuurstof kan aanmaken, mogelijk een vals-positief genereren. De lichtopbrengst in dit bereik varieert met de massa van de ster - wat betekent dat sterren met verschillende massa's vrijwel zeker zullen verschillen van onze zon.

SISTINE kan ook fakkels meten, of heldere stellaire explosies, die in één keer intense doses ver-UV-licht afgeven. Frequente fakkels kunnen van een bewoonbare omgeving een dodelijke maken.

De SISTINE-missie zal vliegen op een Black Brant IX-sonde-raket. Klinkende raketten maken korte metten, gerichte vluchten naar de ruimte voordat ze terugvallen naar de aarde; SISTINE's vlucht geeft het ongeveer vijf minuten observatietijd. Hoewel kort, SISTINE kan sterren zien op golflengten die niet toegankelijk zijn voor observatoria zoals de Hubble-ruimtetelescoop.

Er zijn twee lanceringen gepland. De eerste, van White Sands in augustus, zal het instrument kalibreren. SISTINE zal 274 mijl boven het aardoppervlak vliegen om NGC 6826 te observeren, een gaswolk rond een witte dwergster op ongeveer 2, 000 lichtjaar in het sterrenbeeld Cygnus. NGC 6826 is helder in UV-licht en vertoont scherpe spectraallijnen - een duidelijk doelwit voor het controleren van hun apparatuur.

Na kalibratie, de tweede lancering volgt in 2020 vanuit het Arnhem Space Center in Nhulunbuy, Australië. Daar zullen ze de UV-spectra van Alpha Centauri A en B observeren, de twee grootste sterren in het driesterren Alpha Centauri-systeem. Op 4,37 lichtjaar afstand, deze sterren zijn onze naaste stellaire buren en primaire doelen voor observaties van exoplaneten. (Het systeem is de thuisbasis van Proxima Centauri B, de dichtstbijzijnde exoplaneet bij de aarde.)

Nieuwe technologie testen

Zowel de waarnemingen van SISTINE als de technologie die wordt gebruikt om ze te verwerven, zijn ontworpen met het oog op toekomstige missies.

Een daarvan is NASA's James Webb-ruimtetelescoop, momenteel gepland voor lancering in 2021. Het deep space-observatorium zal zichtbaar zijn voor midden-infrarood licht - handig voor het detecteren van exoplaneten die in een baan om M-dwergen draaien. SISTINE-waarnemingen kunnen wetenschappers helpen het licht van deze sterren te begrijpen op golflengten die Webb niet kan zien.

SISTINE heeft ook nieuwe UV-detectorplaten en nieuwe optische coatings op zijn spiegels, ontworpen om ze beter te laten reflecteren in plaats van extreem UV-licht te absorberen. Door deze technologie op SISTINE te laten vliegen, kunnen ze worden getest voor NASA's toekomstige grote UV-/optische ruimtetelescopen.

Door stellaire spectra vast te leggen en technologie vooruit te helpen voor toekomstige missies, SISTINE verbindt wat we weten met wat we nog moeten leren. Dan begint het echte werk. "Onze taak als astronomen is om die verschillende datasets samen te voegen om een ​​compleet verhaal te vertellen. ' zei Rigby.