Drie miljard jaar geleden, De aarde was een heel andere plaats. De zon die op haar oceanen en continenten scheen, was niet zo helder als nu, en in plaats van de zuurstofrijke atmosfeer die mensen nodig hebben om te overleven, methaan speelde een veel grotere rol in de gaslaag die onze jonge planeet omhulde. Ondanks hun verschillen, deze vroege aarde en onze huidige hebben iets belangrijks gemeen:ze kunnen allebei leven ondersteunen.

Voor een groot deel van zijn bestaan, De aarde is bewoond. Maar als onderzoekers op afstand de atmosfeer van die jonge aarde zouden analyseren, ze hebben misschien het bewijs voor het leven gemist.

"De aarde is veel verschillende dingen geweest, " zegt Timothy Lyons, een professor in de afdeling Aard- en Planetaire Wetenschappen aan de Universiteit van Californië, Rivieroever. "Het is een opmerkelijk verhaal dat onze planeet zo lang bewoonbaar is gebleven."

Lyons leidt het team "Alternative Earths" van het NASA Astrobiology Institute, waarin onderzoekers de aarde karakteriseren tijdens verschillende stadia van haar 4,5 miljard jaar bestaan.

"We kijken naar het verleden van de aarde om ons vermogen te verfijnen om te zoeken naar biosignaturen [de chemische vingerafdrukken van het leven] buiten onze planeet en ons zonnestelsel, "zegt hij. "Het zijn de planeten buiten het zonnestelsel die ons het meest interesseren."

Momenteel, er zijn er meer dan 4, 000 bekende exoplaneten en duizenden wachten op bevestiging. Wetenschappers ontwikkelen methoden op afstand om te zien of die planeten mogelijk bewoonbaar en misschien zelfs bewoond zijn. De handtekeningen van elk leven op afstand zullen hoogstwaarschijnlijk worden gevonden in de gassen die behoren tot de atmosfeer van een exoplaneet.

De veranderende aarde

Hoewel de aarde de enige plek in het heelal is waarvan bekend is dat ze leven herbergt, er zijn vele andere eerdere, alternatieve versies van onze thuisplaneet, zoals het in de loop van de tijd veranderde, waardoor het leven ook kon overleven en bloeien.

"Al meer dan vier miljard jaar, De aarde heeft oceanen gehad, en we hebben het grootste deel van die tijd leven gehad, toch is de aarde in de loop van haar geschiedenis zo ingrijpend veranderd, ', zegt Lyons.

Via het onderzoeksprogramma Alternative Earths, het team is in staat om "deze verzamelde kennis van de verschillende staten van onze bewoonbare en bewoonde planeet te gebruiken en dit begrip hoger - letterlijk - uit te breiden tot de atmosfeer van een verre planeet."

Door gegevens uit de geologie te combineren, scheikunde, en biologie van de continenten van de aarde, oceanen, en sferen uit verschillende tijdsperioden, het Alternative Earths-team modelleert hoe de atmosferen van deze vroege aardes eruit zouden hebben gezien, gebaseerd op, gedeeltelijk, over relaties met het leven in de onderliggende oceanen. Dit vermogen om oude atmosferen te modelleren en de geleerde lessen uit te breiden naar atmosferen rond verre planeten is van vitaal belang voor de jacht op potentieel bewoonbare planeten buiten ons zonnestelsel.

"De aarde heeft ons al veel verschillende lessen geleerd, Lyons zegt. "[Ons onderzoek] is niet per se op zoek naar een andere aarde. Het gaat meer om het zoeken naar de verschillende stukjes van wat het is om een ​​planeet te zijn die leven kan ondersteunen. Als je eenmaal weet wat die processen doen op een planeet als de aarde, je kunt ze samenvoegen tot talloze andere planetaire scenario's die al dan niet hetzelfde kunnen doen."

specifiek, het team onderzoekt drie verschillende oude aardes door gegevens van rotsen te verzamelen om een ​​beeld van de geologie te creëren, scheikunde, en biologie van de planeet in die tijd. De hoofdstukken van bijzonder belang strekken zich uit van 3,2 tot 2,4 miljard jaar geleden, toen de vroegste levensvormen zuurstof in de atmosfeer begonnen af ​​te geven via fotosynthese; 2,4 tot 2,0 miljard jaar geleden, toen de "Great Oxidation Event" plaatsvond en zuurstof de atmosfeer en oceanen van de aarde overspoelde; en 2,0 miljard tot 500 miljoen jaar geleden, toen het leven steeds complexer werd, het toneel vormen voor de organismen die zouden evolueren om de wezens te worden die vandaag de aarde bewonen.

"De evolutie van onze eigen planeet begrijpen, waaronder stadia van opmerkelijke stabiliteit en perioden van onrust, is een essentiële eerste stap op weg naar het begrijpen van de diversiteit van bewoonbare planeten en het leven dat we in het heelal kunnen tegenkomen, ", zegt teamlid Stephanie Olson van de Universiteit van Chicago. Olson is gespecialiseerd in de interactie tussen de oceaan en de atmosfeer van de vroege aarde.

Blauwdrukken voor bewoonbaarheid

Onderzoekers kunnen ook hun planetaire modellen aanpassen om een ​​oneindig aantal blauwdrukken te creëren voor mogelijk bewoonbare exoplaneten. Bijvoorbeeld, ze kunnen modellen gebruiken die de rotatie van de planeet kunnen versnellen, pas de helling van zijn as aan, zet alle continenten op één halfrond (of verwijder ze volledig), of laat één kant van de planeet continu naar zijn ster kijken. Continenten zijn een integraal onderdeel van de bewoonbaarheid van oceanen. Door de verwering van landoppervlakken, voedingsstoffen komen de oceanen binnen om het leven erin te voeden, en de posities en hoogtes van deze landmassa's veranderen hoe deze voedingsstoffen naar en door de oceanen gaan.

"Deze factoren beïnvloeden ook de communicatie tussen de oceaan en de atmosfeer, en dus de detecteerbaarheid van leven in de oceaan, " zegt Olson. "Begrijpen hoe planetaire parameters de biologische activiteit en de connectiviteit van de oceaan-atmosfeer beïnvloeden, kan helpen bij het identificeren van de meest veelbelovende doelen voor de detectie van exoplaneetleven die het minst kwetsbaar zijn voor valse negatieven van biosignatuur."

De mogelijkheid van valse negatieven - wanneer er daadwerkelijk leven is op een exoplaneet, maar de handtekeningen van dat leven ontsnappen aan detectie - fascineert het Alternative Earths-team.

In een paper uit 2017 onder leiding van Chris Reinhard van Georgia Tech, het Alternative Earths-team wees op het gevaar van valse negatieven in de jacht op bewoonbare planeten. De aanwezigheid van zowel methaan als zuurstof in een atmosfeer wordt gezien als een gouden standaard bij het zoeken naar leven op afstand. Deze twee gassen mogen niet in aanzienlijke hoeveelheden naast elkaar bestaan, omdat ze snel op elkaar reageren, maar levende organismen kunnen ze constant aanvullen in de atmosfeer, dit onevenwicht te laten voortduren.

Echter, als onderzoekers het meest naar de vroege aarde zouden kijken, zo niet alle, van zijn geschiedenis, ze waren misschien niet in staat om zowel methaan als zuurstof te detecteren in de oude atmosfeer, ondanks dat het leven een groot deel van die tijd aanwezig was.

"[Detecteren] atmosferisch methaan zou problematisch zijn geweest voor het grootste deel van de laatste ~2,5 miljard jaar van de geschiedenis van de aarde, " Reinhard en collega's schrijven. Voor rotsachtige werelden met oceanen, zoals de aarde, deze gassen kunnen worden gerecycled in de oceanen, in plaats van detecteerbaar te zijn in de atmosfeer. Deze mogelijkheid houdt in dat "planeten die het meest bevorderlijk zijn voor de ontwikkeling en het onderhoud van een alomtegenwoordige biosfeer, zoals die met verwering van continenten en uitgestrekte oceanen, zal vaak een uitdaging zijn om te karakteriseren met behulp van conventionele atmosferische biosignaturen, " zij schrijven.

Aanvullend, zelfs als zowel zuurstof als methaan aanwezig zijn, het zijn niet noodzakelijk producten van het leven.

Zuurstof kan het resultaat zijn van fotosynthese, en microben produceren methaan, maar ze kunnen zich ook vormen door fotochemische en geologische processen. In feite, het NASA Astrobiology Institute heeft een team dat de methaanproductie onderzoekt via geologische in plaats van biologische reacties.

"De producten van die reacties zouden het leven op een oceaanwereld kunnen ondersteunen, maar de gassen zelf hebben misschien niets met leven te maken, Lyons zegt. "Je kunt niet beoordelen wat de gassen betekenen zonder een rigoureuze context."

"We beschouwen bewoonbaarheid doorgaans als binair:een planeet kan leven ondersteunen of niet, maar er bestaat waarschijnlijk een spectrum van bewoonbaarheid, ", voegt Olson toe.

Een proxy voor zuurstof

Onderzoekers binnen het Alternative Earths-team combineren wat ze weten over de verschillende staten van onze planeet en gebruiken hun gegevens en bijbehorende computersimulaties om voorbeelden te genereren van wat chemische vingerafdrukken, of synthetische spectra, wetenschappers zouden rond exoplaneten moeten zoeken.

Lyons wijst op ozon en seizoensinvloeden als bijzonder belangrijk bij het zoeken naar leven op andere planeten.

"We zijn grote fans van ozon [O ₃ ] omdat het met spectroscopische technieken gemakkelijker kan worden gedetecteerd dan [moleculaire] zuurstof [O ₂ ]" zegt hij. "We willen zoeken naar ozon en zijn temporele variabiliteit als een proxy voor O ₂ en zijn seizoensgebondenheid."

De ontdekking van mogelijke valse negatieven met behulp van traditionele levensdetectiemethoden heeft het team ertoe aangezet om nieuwe en misschien zelfs robuustere tekenen van leven te bedenken. "Dat was het leukste deel, ', zegt Lyons.

Terwijl O ₂ was misschien moeilijk te detecteren op afstand vanaf de jonge aarde, ozon, die vormen van O ₂ , misschien niet geweest. Dit is slechts één voorbeeld van de vele manieren waarop de geschiedenis van de aarde onze keuze van mogelijke exoplanetaire doelen voor het detecteren van leven informeert.

Echter, als astrobiologen ozon op exoplaneten willen kunnen zoeken, ze moeten erop aandringen dat deze experimenten worden opgenomen in toekomstige missies.

"We beginnen pas gegevens van andere planeten te krijgen, Lyons zegt. Om in de toekomst de juiste gegevens van deze planeten te verkrijgen, we moeten nu beginnen met plannen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.