Какого цвета инопланетная жизнь? Почему на других планетах она почти наверняка будет фиолетовой
С момента открытия первых планет за пределами Солнечной системы астрономия прошла огромный путь. На сегодняшний день ученые подтвердили существование более 5500 экзопланет, и фокус исследований закономерно смещается от простого каталогизирования новых небесных тел к попыткам обнаружить на них признаки жизни. Для этого астрофизики ищут биосигнатуры — специфические химические или оптические следы в атмосферах и на поверхностях планет, которые невозможно объяснить небиологическими процессами.
Исторически алгоритмы поиска внеземной жизни строятся на земном опыте. На нашей планете доминирующей формой биомассы являются растения и микроорганизмы, использующие кислородный фотосинтез. Главный инструмент этого процесса — зеленый пигмент хлорофилл. При наблюдении Земли из космоса спектрометры фиксируют так называемый «красный край» — резкое увеличение отражательной способности в ближнем инфракрасном диапазоне. Растения поглощают видимый свет для получения энергии, но сильно отражают инфракрасное излучение, чтобы не перегреваться. Десятилетиями астрономы считали именно этот оптический скачок главным маркером обитаемости других миров.
Однако группа ученых из Корнеллского университета и Университета Миннесоты опубликовала масштабное исследование, которое доказывает необходимость изменения базовых настроек космических телескопов. Ученые утверждают, что фокусировка исключительно на зеленом цвете и хлорофилле искусственно сужает зону поиска. По их данным, биосферы многих экзопланет с наибольшей вероятностью будут окрашены в различные оттенки пурпурного цвета.
Проблема звездного света и инфракрасная альтернатива
Проблема классического зеленого маркера заключается в физических характеристиках звезд. Наше Солнце — это звезда класса желтых карликов. Оно излучает огромное количество энергии в видимом спектре, что делает обычный хлорофилл идеальным инструментом для фотосинтеза. Но желтые карлики составляют меньшинство в галактике Млечный Путь. Около 75 процентов всех звезд — это красные карлики (М-звезды).
Красные карлики намного холоднее, тусклее и меньше Солнца. Из-за низких температур на их поверхности пик их светимости смещен из видимого спектра в инфракрасную область. Земное растение, оказавшись на планете вокруг такой звезды, не сможет получать достаточно энергии для поддержания жизни, так как там практически нет того света, на который настроен зеленый хлорофилл.
Оптимальным решением для выживания в системах красных карликов является аноксигенный (бескислородный) фотосинтез. На Земле этот механизм используют пурпурные серные и пурпурные несерные бактерии. Это древние микроорганизмы, которые доминировали на нашей планете задолго до появления привычной нам зеленой флоры.
Вместо того чтобы расщеплять воду с выделением кислорода, пурпурные бактерии используют сероводород, водород или другие неорганические соединения. Но их главное отличие заключается в клеточной архитектуре: они содержат бактериохлорофиллы (типов a и b) и специфические биопигменты — каротиноиды. Эти вещества способны поглощать световое излучение на длинах волн от 750 до 1100 нанометров, то есть далеко за пределами видимого человеческому глазу спектра, глубоко в инфракрасном диапазоне.
Этот диапазон поглощения идеально совпадает со спектром излучения красных карликов. На экзопланете, вращающейся вокруг М-звезды, бактерии с бактериохлорофиллами получат абсолютное эволюционное преимущество. Они смогут беспрепятственно размножаться и покроют всю поверхность планеты, окрасив сушу и водоемы в фиолетовые, желтые, оранжевые или коричневые оттенки в зависимости от конкретного набора каротиноидов.
Создание оптической базы данных для телескопов
До выхода этого исследования у астрофизиков не было точных физических данных о том, как именно планета с пурпурной биомассой будет отражать свет в космическое пространство. Существующие компьютерные модели для телескопов были лишены информации о спектрах отражения таких организмов в планетарных масштабах.
Чтобы устранить этот пробел, команда исследователей собрала 23 различных штамма пурпурных бактерий. Образцы брали из самых разных сред: от богатых кислородом водоемов до бескислородных глубоководных зон и гидротермальных источников. Микроорганизмы выращивали в лаборатории при строгом контроле освещения и химического состава среды.
Затем ученые измерили точные спектры отражения этих организмов. Измерения проводились с помощью спектрометров в широком диапазоне длин волн — от 400 до 2500 нанометров. Важной частью эксперимента было измерение биомассы в двух состояниях: влажном (сразу после извлечения из питательной среды, что имитирует океанические условия) и сухом (после высушивания, что имитирует условия на суше или на льду). Выяснилось, что сухие пигменты демонстрируют значительно более сильную отражательную способность, чем влажные, так как вода сама по себе поглощает значительную часть инфракрасного излучения.
Моделирование пурпурных экзопланет
Полученные лабораторные спектры отражения были интегрированы в климатическую модель Exo-Prime II. Эта программа позволяет астрономам создавать виртуальные копии планет с заданными параметрами атмосферы, температуры и поверхности, а затем рассчитывать, как они будут выглядеть для внешнего наблюдателя.
Исследователи смоделировали спектры отражения для нескольких типов гипотетических экзопланет:
- Землеподобные планеты: поверхность состоит на 70 процентов из океана и на 30 процентов из суши, покрытой влажными пурпурными бактериями.
- Океанические миры: планета полностью покрыта водой, в верхних слоях которой обитает пурпурная биомасса.
- Замерзшие планеты: миры без жидкой воды на поверхности, где 100 процентов площади занимают сухие колонии бактерий.
- Планеты-снежки: миры, где поверхность поделена поровну (50 на 50) между чистым снегом и сухой пурпурной биомассой.
Во все симуляции также поочередно добавляли параметр 50-процентной облачности, чтобы оценить влияние плотной атмосферы на исходящий оптический сигнал.
Результаты моделирования показали четкую зависимость силы сигнала от типа планеты. Самую высокую общую отражательную способность продемонстрировали планеты-снежки и замерзшие миры. Сочетание высокого альбедо (отражающей способности) снега и сильного отражения от сухих бактерий делает такие планеты наиболее яркими мишенями для телескопов.
Напротив, океанические миры и землеподобные планеты с преобладанием воды отражают гораздо меньше света. Вода поглощает излучение, затемняя общую картину. Добавление облаков в модель снижало яркость замерзших планет (так как облака отражают свет хуже, чем чистый снег), но при этом повышало общую яркость темных океанических миров.
Проблема спектрального наложения
В ходе анализа полученных данных исследователи выявили критически важную техническую проблему для будущих наблюдений. Инфракрасные следы поглощения бактериохлорофиллов могут вводить автоматические системы телескопов в заблуждение из-за наложения на спектры атмосферных газов.
Например, бактериохлорофилл типа a, характерный для бактерий из бескислородных сред, имеет выраженную полосу поглощения на длине волны около 950 нанометров. Ровно на этой же длине волны находится интенсивная полоса поглощения водяного пара (H2O). Аналогичным образом, полосы поглощения каротиноидов (от 450 до 740 нанометров) пересекаются с диапазоном поглощения озона (O3), а некоторые линии бактериохлорофилла находятся слишком близко к линиям кислорода (O2).
Это означает, что когда телескоп зафиксирует падение яркости света на отметке 950 нанометров, ученым будет крайне сложно однозначно сказать, что именно они видят: плотные облака водяного пара в атмосфере мертвой планеты или глобальную колонию пурпурных бактерий на ее поверхности. Для разделения этих сигналов потребуются сложные математические алгоритмы и данные сверхвысокого разрешения, способные учитывать мельчайшие нюансы формы спектральных линий.
Практическое значение для науки
В ближайшие десятилетия мировая астрономия получит в свое распоряжение инструменты беспрецедентной мощности. Уже сейчас строится Чрезвычайно большой телескоп (ELT), а в будущем планируется запуск космической обсерватории Habitable Worlds Observatory (HWO), которая будет специально спроектирована для поиска биосигнатур на планетах земного типа.
Эффективность этих телескопов напрямую зависит от программного обеспечения и алгоритмов, которые обрабатывают поступающие потоки фотонов. Программы компьютерного зрения и алгоритмы поиска аномалий могут распознать только те паттерны, на которых они были обучены. Если загрузить в их базы данных исключительно параметры земного зеленого хлорофилла, они пропустят инфракрасные сигнатуры других форм жизни. Планета, полностью покрытая процветающей пурпурной биосферой, будет классифицирована алгоритмом как безжизненная.
Создав и опубликовав в открытом доступе каталог спектров отражения пурпурных микроорганизмов, ученые предоставили необходимую математическую базу для настройки новых телескопов. Расширение списка биосигнатур за пределы кислородного фотосинтеза многократно увеличивает наши шансы на обнаружение внеземной жизни. Учитывая подавляющее количественное превосходство красных карликов во Вселенной, наиболее вероятный цвет жизни за пределами Солнечной системы — это не зеленый, а пурпурный. И теперь астрофизики знают точные физические параметры, по которым его можно будет найти.