Het ontdekken van exoplaneten is nu bijna routine. We hebben meer dan 5.500 exoplaneten gevonden en de volgende stap is het bestuderen van hun atmosfeer en het zoeken naar biosignaturen. De James Webb-ruimtetelescoop loopt hierin voorop. Maar in sommige exoplaneetatmosferen zou bliksem het werk van de JWST moeilijker kunnen maken door sommige potentiële biosignaturen te verdoezelen en andere te versterken.

Het detecteren van biosignaturen in de atmosfeer van verre planeten is vol problemen. Ze maken geen reclame voor hun aanwezigheid, en de signalen die we ontvangen van de atmosfeer van exoplaneten zijn ingewikkeld. Nieuw onderzoek voegt nog een complicatie toe aan de inspanning. Er staat dat bliksem de aanwezigheid van zaken als ozon kan maskeren, een indicatie dat er op een planeet complex leven kan bestaan. Het kan ook de aanwezigheid van verbindingen zoals methaan versterken, wat als een veelbelovende biosignatuur wordt beschouwd.

Het nieuwe onderzoek heeft de titel 'Het effect van bliksem op de atmosferische chemie van exoplaneten en potentiële biosignaturen' en is geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Astronomy and Astrophysics. . Het is beschikbaar op de arXiv preprint-server. De hoofdauteur is Patrick Barth, een onderzoeker van het Space Research Institute van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen.

Hoewel we ruim 5.500 exoplaneten hebben ontdekt, bevinden er zich slechts 69 ervan in de potentieel bewoonbare zones rond hun sterren. Het zijn rotsachtige planeten die voldoende energie van hun sterren ontvangen om mogelijk vloeibaar water op hun oppervlak te houden. Onze zoektocht naar biosignaturen is gericht op dit kleine aantal planeten.

De belangrijke volgende stap is om te bepalen of deze planeten atmosferen hebben en wat de samenstelling van die atmosferen is. De JWST is ons krachtigste instrument voor deze doeleinden. Maar om te begrijpen wat de JWST ons in verre atmosferen laat zien, moeten we weten wat zijn signalen ons vertellen. Dit soort onderzoek helpt wetenschappers zich voor te bereiden op de waarnemingen van de JWST door hen te waarschuwen voor mogelijke valse positieven en gemaskeerde biosignaturen.

In hun onderzoek combineerden de auteurs laboratoriumexperimenten met fotochemische en stralingsoverdrachtsmodellering. Atmosferen kunnen buitengewoon complex zijn en het is niet waarschijnlijk dat twee exoplaneten dezelfde atmosferische eigenschappen hebben. Maar natuurkunde en scheikunde bepalen wat er kan gebeuren, en modellen voor fotochemische en stralingsoverdracht kunnen duizenden verschillende soorten chemische reacties in de atmosfeer aan.

In de laboratoriumexperimenten kwam vonkontlading in de plaats van bliksem. De onderzoekers concentreerden zich op atmosferen met N₂ , CO₂ , en H₂ en de verschillende producten die de bliksem voortbracht. Ander onderzoek heeft hetzelfde gedaan, maar dit werk is anders. Eerder onderzoek richtte zich op individuele producten of slechts op een klein aantal producten. Maar Barth en zijn collega's breidden dat werk uit. Ze bestudeerden de productie van een grotere verscheidenheid aan chemicaliën.

Dat stelde hen in staat "... trends in onze experimenten te onderzoeken met betrekking tot de oxidatietoestand van bliksemproducten en de invloed van waterdamp", leggen ze uit. "In het bijzonder waren we geïnteresseerd in het effect van bliksem op de productie van potentiële (anti-)biosignaturen in de context van huidige en toekomstige waarnemingen van exoplanetaire atmosferen."

De onderzoekers ontdekten dat het effect van bliksem op biosignaturen afhangt van het type atmosfeer en de hoeveelheid bliksem. Ze keken naar twee brede soorten atmosferen:reducerend en oxiderend. Een reducerende atmosfeer bevat geen zuurstof of andere oxiderende gassen en kan geen geoxideerde verbindingen produceren. Een oxiderende atmosfeer is het tegenovergestelde. Het bevat wel zuurstof, waardoor geoxideerde verbindingen ontstaan.

Hun resultaten laten zien dat op een planeet met oppervlaktewater en bewoonbare omstandigheden met een licht reducerende of licht oxiderende atmosfeer de kans kleiner is dat bliksem valse positieven produceert. De auteurs voorspellen dat "... voor het soort atmosfeer dat hier wordt bestudeerd, bliksem niet in staat is een vals-positieve NH₃ te produceren. of CH₄ biosignature." Ze zeggen dat het ook onwaarschijnlijk is dat bliksem een ​​vals-positieve N₂ kan produceren O biohandtekening.

Maar de bliksem produceerde enkele verbindingen, waaronder CO en NO. De onderzoekers gebruikten de productiesnelheden van beide chemicaliën om te berekenen hoe bliksemflitsen de chemische samenstelling van de atmosfeer beïnvloeden. Vervolgens pasten ze dat model toe op planeten ter grootte van de aarde in de bewoonbare zones van de zon en TRAPPIST-1 voor zowel oxische als anoxische atmosferen. Ze voerden simulaties uit van die scenario's op planeten met en zonder biosferen. Ze berekenden ook de gesimuleerde spectra van die werelden om chemische kenmerken te identificeren.

Hun resultaten? "We ontdekken dat bliksem niet in staat is om een ​​vals-positieve CO-anti-biosignatuur te produceren op een bewoonde planeet", leggen de auteurs uit. "In een zuurstofrijke atmosfeer kunnen bliksemsnelheden die slechts een paar keer hoger zijn dan die van de moderne aarde, de O₃ echter maskeren. [ozon] biosignatuur."

Maar in andere situaties kan bliksem valse positieven voorkomen. In een anoxische atmosfeer van een planeet die rond een oude rode dwerg draait, kan bliksem die vaker voorkomt dan die van de aarde, één soort verwarrende valse positieven verwijderen.

"Op dezelfde manier kan bliksem in een anoxische, abiotische atmosfeer van een planeet die rond een late M-dwerg draait, bliksem met flitssnelheden die tien keer of meer zijn dan die van de moderne aarde, het abiotische ozonkenmerk verwijderen dat wordt geproduceerd door CO₂ fotolyse, waardoor detectie van vals-positieve biosignaturen wordt voorkomen", leggen ze uit. Om te zeggen dat het ingewikkeld is, is een understatement.

Er is nog een andere wending. Bliksem kan andere belangrijke valse positieven mogelijk niet voorkomen. "... bliksem kan mogelijk niet alle vals-positieve O₂ voorkomen scenario's voor CO₂ -rijke aardse planeten die rond ultrakoele M-dwergen draaien", schrijven de auteurs.

Degenen met oog voor ironie zullen hier misschien iets opmerken. Wetenschappers zijn er vrij zeker van dat bliksem een ​​rol speelde in het leven op aarde door de energetische vonk te leveren die de bal aan het rollen bracht. Maar het feit dat bliksem het voor ons ook moeilijker kan maken om het leven te ontdekken, is enigszins ironisch.

Maar ironie is een menselijk vernuft. De natuur maakt het niets uit. Het doet wat het doet, en het is aan ons om erachter te komen.

"Samenvattend biedt ons werk nieuwe beperkingen voor de volledige karakterisering van atmosferische en oppervlakteprocessen op exoplaneten", concluderen de auteurs.

Meer informatie: Patrick Barth et al, Het effect van bliksem op de atmosferische chemie van exoplaneten en potentiële biosignaturen, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.13682

Journaalinformatie: arXiv , Astronomie en astrofysica

Aangeboden door Universe Today