Учени разработиха виртуален модел на Земята, в който напълно отсъства животът, с надеждата да подобрят методите за откриване на извънземни организми на планети извън Слънчевата система. Изследователският екип от Вашингтонския университет създаде компютърна симулация, която проследява движението и взаимодействието на химичните елементи между вътрешността на планетата, нейната мантия, земна кора, повърхност и атмосфера в продължение на милиарди години. Разработката може да се превърне във важен инструмент за астрономите, които анализират атмосферите на скалисти екзопланети и търсят химични следи, потенциално свидетелстващи за наличие на биологична активност.

Необходимостта от подобен модел става все по-голяма с напредъка на изследванията на планетите около други звезди. До момента астрономите са каталогизирали над 6000 екзопланети, като част от тях представляват особено интересни обекти заради предполагаемите условия, които биха могли да позволят съществуването на живот. Съвременните телескопи позволяват на учените да изследват химичния състав на техните атмосфери и да търсят газове, които на Земята са свързани с биологични процеси. Въпреки това наличието на потенциално обитаема планета или дори откриването на определени атмосферни газове не означава автоматично, че там съществуват живи организми. Именно разграничаването на биологичните сигнали от естествените геоложки и химични процеси е едно от най-големите предизвикателства пред съвременната астробиология.

Земята без живот – поглед към пет милиарда години планетарна еволюция

За да се справят с този проблем, изследователите са създали модел, който симулира геохимичната еволюция на Земята в продължение на приблизително пет милиарда години. Той обхваща периода от формирането на нашата планета преди около 4,5 милиарда години до приблизително 500 милиона години в бъдещето. Най-съществената особеност на симулацията е, че тя изключва напълно влиянието на живите организми. По този начин учените могат да наблюдават как биха се развивали атмосферата, повърхността и вътрешните слоеве на Земята, ако никога не беше възникнал живот.

Разработката е базирана на по-ранен компютърен модел, създаден в лабораторията на Рори Барнс – доцент по астрономия във Вашингтонския университет. Предишната версия е включвала ядрото, мантията, земната кора и влиянието на звездното излъчване, но не е отчитала достатъчно подробно взаимодействията с повърхността и атмосферата. Водещият автор на новото изследване Саманта Гилбърт-Джанизек разширява модела, като добавя тези липсващи компоненти и създава по-пълна картина на химичните взаимодействия в една скалиста планета. Резултатите показват, че симулацията успешно възпроизвежда 19 различни характеристики на Земята, сред които и топлинния поток през планетарната мантия.

Това е особено важно, защото вътрешността на една планета не е изолирана от случващото се на нейната повърхност и в атмосферата. Вулканичната активност, движението на тектоничните плочи, химичните реакции между скалите, водата и газовете, както и дългосрочните промени в температурата могат да окажат значително влияние върху атмосферния състав. Всички тези процеси могат да създадат химични характеристики, които от разстояние да наподобяват признаци на биологична активност. Новият модел предоставя своеобразна отправна точка, чрез която учените могат да проверят как би изглеждала атмосферата на една планета без участието на живи организми.

Как да различим извънземния живот от естествените геоложки процеси?

Един от най-интересните примери за сложността на тази задача е съчетанието на кислород и метан в планетарната атмосфера. На Земята живите организми участват активно в отделянето и поддържането на концентрациите на различни газове. Кислородът се произвежда в значителни количества чрез фотосинтезата, докато метанът се отделя от определени микроорганизми и възниква и при други биологични процеси. Двата газа реагират химически помежду си и при определени условия не биха могли да съществуват дълго време в значителни концентрации, ако постоянно не бъдат възстановявани от някакъв източник. Едновременното им присъствие в атмосферата на една далечна планета следователно може да бъде сериозна причина за научен интерес.

Ако астрономите наблюдават Земята от друга звездна система, съчетанието на тези газове би могло да ги насочи към предположението, че на нашата планета има живот. Но преди да направят подобен извод, те трябва да изключат възможността същите химични характеристики да са резултат от небиологични процеси. В определени условия геоложката активност, химичните реакции между скалите и водата или взаимодействията между вътрешността и атмосферата на една планета също могат да доведат до отделянето на газове, които обикновено се свързват с биологична активност.

Именно тук виртуалната Земя без живот може да се окаже изключително полезна. Изследователите ще могат да променят параметрите на симулацията, така че тя да представя различни скалисти екзопланети, и да проверяват дали наблюдаваните атмосферни характеристики могат да бъдат обяснени единствено чрез естествени геоложки и химични процеси. Ако моделът успее да възпроизведе наблюдаваните условия без необходимост от наличие на живот, това ще даде на учените основание да разгледат небиологично обяснение. Ако обаче симулацията не успее да обясни определени атмосферни характеристики, съответната планета може да се превърне в по-перспективна цел за последващи наблюдения.

Този подход е важен и заради т.нар. фалшиви положителни сигнали – ситуации, при които дадено наблюдение изглежда като доказателство за живот, но всъщност е резултат от напълно естествен процес. В търсенето на извънземни организми подобни грешки могат да доведат до погрешни заключения и да отклонят научните усилия от действително интересните обекти. Затова учените се нуждаят не само от технологии, способни да откриват химични съединения на огромни разстояния, но и от надеждни теоретични модели, които да обясняват как тези съединения могат да възникнат без участието на биологични системи.

Нов инструмент за бъдещите космически телескопи

Изследователите смятат, че разработката може да има значение и за създаването на следващото поколение космически телескопи. Сред проектите, които биха могли да се възползват от подобни модели, е предложената от НАСА обсерватория Habitable Worlds Observatory. Нейната основна цел ще бъде да изследва планети около други звезди, които имат потенциал да поддържат условия, подходящи за живот, и да анализира техните атмосфери за възможни биосигнатури.

С развитието на телескопичните технологии астрономите ще могат да получават все по-подробна информация за химичния състав на отдалечени планетарни атмосфери. Това обаче ще увеличи и необходимостта от прецизни компютърни симулации, които да помогнат при интерпретацията на събраните данни. Наблюдението на един газ или комбинация от няколко химични вещества невинаги е достатъчно, за да се направи заключение за наличието на живот. Необходимо е да се разбере цялостната планетарна система – нейната геоложка история, атмосферна динамика, химични взаимодействия и възможните източници на наблюдаваните вещества.

Hовото изследване не представлява откритие на обитаема екзопланета и не предоставя доказателства за съществуването на извънземен живот. Неговата стойност е в създаването на научен инструмент, който може да направи бъдещите търсения по-прецизни и надеждни. Вместо да приемат всяка необичайна атмосферна комбинация за възможен признак на биологична активност, учените ще могат първо да проверят дали тя не може да бъде обяснена с естествената еволюция на самата планета.

Снимка: Unsplash

Виж още: ИИ експерт спря да спестява за пенсия, защото смята, че човечеството може да изчезне до 10 години