Wetenschap
De LIFE-telescoop heeft zijn eerste test doorstaan en biosignaturen op aarde gedetecteerd
We weten dat er duizenden exoplaneten bestaan, en dat er nog vele miljoenen wachten om ontdekt te worden. Maar de overgrote meerderheid van de exoplaneten is eenvoudigweg onbewoonbaar. Van de weinige die mogelijk bewoonbaar zijn, kunnen we alleen vaststellen of dit het geval is door hun atmosfeer te onderzoeken. LIFE, de grote interferometer voor exoplaneten, kan helpen.
De zoektocht naar biosignaturen op potentieel bewoonbare exoplaneten wordt steeds intensiever. De JWST heeft met succes een aantal atmosferische spectra van de atmosfeer van exoplaneten verzameld, maar heeft nog veel meer werk te doen en er is veel vraag naar tijdwaarneming. Een geplande ruimtetelescoop met de naam LIFE is bedoeld voor het vinden van biosignaturen van exoplaneten, en onlangs hebben onderzoekers er een test mee gedaan:kan hij de biosignaturen van de aarde detecteren?
Als interferometer bestaat LIFE uit vijf afzonderlijke telescopen die samenwerken om de werkomvang van de telescoop te vergroten. LIFE wordt ontwikkeld door ETH Zürich (Federaal Instituut voor Technologie Zürich) in Zwitserland. LIFE zal waarnemen in het midden-infrarood, waar de spectraallijnen van de belangrijke bio-indicatieve chemicaliën ozon, methaan en lachgas te vinden zijn.
LIFE zal zich bevinden op Lagrange Point 2, ongeveer 1,5 miljoen km verderop, waar ook de JWST zich bevindt. Vanaf die locatie zal het een lijst met exoplaneetdoelen observeren in de hoop biosignaturen te vinden. "Ons doel is om chemische verbindingen in het lichtspectrum te detecteren die wijzen op leven op exoplaneten", legt Sascha Quanz uit, hoogleraar exoplaneten en bewoonbaarheid aan de ETH Zürich, die leiding geeft aan het LIFE-initiatief.
LIFE is nog steeds slechts een concept en onderzoekers wilden de prestaties ervan testen. Omdat het nog niet gebouwd is, gebruikte een team van onderzoekers de atmosfeer van de aarde als testcase. Ze behandelden de aarde alsof het een exoplaneet was en testten de methoden van LIFE aan het bekende atmosferische spectrum van de aarde onder verschillende omstandigheden. Ze gebruikten een tool genaamd LIFEsim om met de gegevens te werken. Onderzoekers gebruiken vaak gesimuleerde gegevens om de capaciteiten van missies te testen, maar in dit geval gebruikten ze echte gegevens.
Hun resultaten worden gepubliceerd in The Astronomical Journal . Het onderzoek is getiteld "Large Interferometer For Exoplanets (LIFE). XII. De detecteerbaarheid van Capstone-biosignaturen in het midden-infrarood:het snuiven van exoplanetair lachgas en gemethyleerde halogenen." De hoofdauteur is Dr. Daniel Angerhausen, astrofysicus en astrobioloog aan de ETH in Zürich.
In een realistisch scenario zou de aarde slechts een ver, bijna onmogelijk te onderscheiden stipje zijn. Het enige dat LIFE zou zien is het atmosferische spectrum van de planeet, dat in de loop van de tijd zou veranderen, afhankelijk van welke beelden de telescoop vastlegde en, cruciaal, hoe lang de telescoop dit observeerde.
Deze spectra zouden in de loop van de tijd worden verzameld, en dat leidt tot een belangrijke vraag:hoe zouden de waarnemingsgeometrie en seizoensvariaties de waarnemingen van LIFE beïnvloeden?
Gelukkig voor het onderzoeksteam hebben we voldoende waarnemingen van de aarde waar ze mee kunnen werken. De onderzoekers werkten met drie verschillende observatiegeometrieën:twee uitzichten vanaf de polen en één vanuit het equatoriale gebied. Vanuit deze drie gezichtspunten werkten ze met atmosferische gegevens van januari en juli, die de grootste seizoensvariaties verklaren.
Hoewel planetaire atmosferen uiterst complex kunnen zijn, concentreren astrobiologen zich op bepaalde aspecten om het potentieel van een planeet om leven te herbergen te onthullen. Van bijzonder belang zijn de chemicaliën N2 0, CH3 Cl, en CH3 Br (lachgas, chloormethaan en broommethaan), die allemaal biogeen geproduceerd kunnen worden. "We gebruiken een reeks scenario's afgeleid van chemische kinetische modellen die de atmosferische respons van verschillende niveaus van biogene productie van N2 simuleren O, CH3 Cl, en CH3 Br in O2 -rijke atmosferen van terrestrische planeten om toekomstige modellen te produceren voor onze LIFEsim-observatiesimulatorsoftware", schrijven de auteurs.
De onderzoekers wilden vooral weten of LIFE CO2 kan detecteren , water, ozon en methaan op planeet Aarde op een afstand van ongeveer 30 lichtjaar. Dit zijn tekenen van een gematigde, levensondersteunende wereld – vooral ozon en methaan, die worden geproduceerd door het leven op aarde – dus als LIFE op deze manier de biologische chemie op aarde kan detecteren, kan het dit ook op andere werelden detecteren.
LIFE kon CO2 detecteren , water, ozon en methaan op aarde. Het detecteerde ook enkele oppervlakteomstandigheden die op vloeibaar water duiden. Intrigerend genoeg waren de resultaten van LIFE niet afhankelijk van vanuit welke hoek de aarde werd bekeken. Dit is belangrijk omdat we niet weten vanuit welke hoeken het LEVEN exoplaneten zal waarnemen.
Seizoensfluctuaties vormen het andere probleem, en die waren niet zo gemakkelijk waar te nemen. Maar gelukkig lijkt het erop dat dit geen beperkende factor zal zijn. “Ook al is de seizoensinvloeden in de atmosfeer niet eenvoudig waar te nemen, toch toont ons onderzoek aan dat ruimtemissies van de volgende generatie kunnen beoordelen of nabijgelegen exoplaneten met een gematigd klimaat bewoonbaar of zelfs bewoond zijn”, aldus Quanz.
Het detecteren van de gewenste chemicaliën is echter niet voldoende. Het cruciale stuk is hoe lang het duurt. Het bouwen van een ruimte-interferometer die deze chemicaliën detecteert, maar die te veel tijd kost, zou niet praktisch of effectief zijn. "We gebruiken de resultaten om de observatietijden af te leiden die nodig zijn voor de detectie van deze scenario's en passen deze toe om de wetenschappelijke vereisten voor de missie te definiëren", schrijft het onderzoeksteam in hun paper.
Om een groter beeld te schetsen van de observatietijden van LIFE, ontwikkelden de onderzoekers een lijst met doelen. Ze creëerden een "... afstandsverdeling van HZ-planeten met stralen tussen 0,5 en 1,5 aardstralen rond M- en FGK-type sterren binnen 20 pct. van de zon die detecteerbaar zijn met LIFE." De gegevens voor deze doelen zijn afkomstig van NASA en uit ander eerder onderzoek.
Uit de resultaten blijkt dat voor sommige doelen slechts een paar dagen nodig zijn, terwijl het voor andere wel 100 dagen kan duren om relevante hoeveelheden te detecteren.
Wat het team ‘gouden doelen’ noemt, is het gemakkelijkst te observeren. Planeten in Proxima Centauri zijn een voorbeeld van dit soort doelen. Voor deze planeten zijn slechts een paar dagen observatie nodig. Het duurt ongeveer tien dagen van observatie met LIFE om "bepaalde standaardscenario's waar te nemen, zoals gematigde, terrestrische planeten rond M-stergastheren met een snelheid van vijf procent", schrijven de onderzoekers. De meest uitdagende gevallen die nog steeds haalbaar zijn, zijn exoplaneten die een aardse tweeling zijn, ongeveer 5 parsecs verwijderd. Volgens de resultaten heeft LIFE ongeveer 50 tot 100 dagen observatie nodig om de biosignaturen te detecteren.
LIFE is op dit moment nog steeds slechts een potentiële missie. Het is niet de eerste voorgestelde missie die zich uitsluitend zou richten op de bewoonbaarheid van exoplaneten. In 2023 stelde NASA het Habitable Worlds Observatory (HWO) voor. Het doel is om ten minste 25 potentieel bewoonbare werelden rechtstreeks in beeld te brengen en vervolgens te zoeken naar biosignaturen in hun atmosfeer.
Maar volgens de auteurs laten hun resultaten zien dat LIFE de beste optie is.
"Als er exoplanetaire systemen van het late type in de zonne-omgeving zijn met planeten die mondiale biosferen vertonen die N2 produceren O en CH3 X-signalen zal LIFE de meest geschikte toekomstige missie zijn om ze systematisch te zoeken en uiteindelijk te detecteren", concluderen ze.