Jak namierzyć kosmitę? Niektórzy badacze nasłuchują wysłanych w kosmos komunikatów. Inni proponują, by wypatrywać migotania gwiazd, spowodowanego być może przesłanianiem ich co jakiś czas przez ogromne orbitujące wokół nich konstrukcje zbudowane przez Obcych.

Najbardziej obiecującym sposobem jest chyba jednak badanie otaczających planety i planetoidy gazowych powłok. Gdybyśmy obserwowali Ziemię z naprawdę daleka, moglibyśmy z dużym prawdopodobieństwem założyć istnienie zamieszkującej ją populacji na podstawie analizy składu ziemskiej atmosfery. Znamy tylko jedno zjawisko, które potrafi utrzymać w niej taką wysoką zawartość tlenu – życie. 

Jeśli gdzieś w kosmosie istnieją Obcy, to także zapewne odcisnęli ślad w atmosferze swojej planety lub księżyca. Sęk w tym, że choć dzięki nowoczesnym teleskopom możemy dość dobrze przyjrzeć się gazowym powłokom planet, to nie do końca wiemy, czego w nich szukamy.

Dla porównania mamy tylko Ziemię A niewykluczone, że także inny niż na naszej planecie skład chemiczny atmosfery może być przesłanką istnienia w danym miejscu życia. 

W odpowiedzi na pytanie pomóc może interesujący rodzaj badań, polegający na odtwarzaniu w laboratoriach na Ziemi atmosfer rodem z innych planet. Niektóre zespoły naukowców próbują też za pomocą superkomputerów stworzyć symulacje pogody i cyrkulacji w takich egzotycznych atmosferach, by określić, na ile przyjazne dla życia warunki w nich panują. Badania te już dostarczają bardzo ciekawych wniosków i wskazówek dla przyszłych pokoleń poszukiwaczy kosmitów. 

Planety pozasłoneczne

Od czasu odkrycia w roku 1992 pierwszej egzoplanety – czyli planety położonej poza Układem Słonecznym – astronomowie zidentyfikowali już ponad 5 tys. takich obiektów. Przede wszystkim dzięki obserwacji regularnych zmian jasności gwiazd, związanych z tranzytem planet, czyli ich przechodzeniem przed tarczami gwiazd.

Ponad połowę znanych nam planet odkrył w ten sposób należący do NASA Kosmiczny Teleskop Keplera funkcjonujący od 2009 r. do października 2018 r. W kwietniu 2018 r. amerykańska agencja umieściła w kosmosie jego następcę TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), czyli satelitę do poszukiwania planet pozasłonecznych metodą tranzytu. 

Astronomowie określają skład atmosfer egzoplanet badając. w jaki sposób pochłaniają lub przepuszczają światło gwiazd. Cząsteczki poszczególnych gazów absorbują promieniowanie o różnej długości fal. Naukowcy analizują spektrum światła gwiazd przefiltrowanego przez atmosfery planet podczas tranzytu.

Po raz pierwszy udało im się w ten sposób udowodnić istnienie atmosfery egzoplanety i określić jej skład w roku 2001. W atmosferze gazowego olbrzyma HD 209458 b stwierdzono wówczas obecność sodu. 

Od tej pory udało się określić skład atmosfer kilku innych egzoplanet, identyfikując w nich parę wodną, metan, dwutlenek węgla, a nawet niewielkie ilości tlenu. Obecność żadnego z tych gazów w pojedynkę nie dowodzi jeszcze istnienia życia. Dotyczy to także tlenu, wiemy bowiem, że jego niewielkie ilości mogą powstać w wyniku procesów zachodzących bez udziału organizmów żywych.  

W tym momencie na scenę wkracza dr Sarah Hörst, badaczka planet z Johns Hopkins University w Baltimore. Kieruje zespołem tworzącym w laboratorium najróżniejsze mieszanki gazów, które mogłyby powstać na planetach pozasłonecznych i sprawdzającym, jakie procesy mogą w nich zachodzić. Jak dotąd głównym obiektem badań zespołu dr Hörst było zjawisko świetnie znane każdemu mieszkańcowi dużego miasta – zamglenie przypominające smog. 

Gazowe eksperymenty 

Dwa najpowszechniejsze rodzaje egzoplanet nie mają odpowiedników w naszym Układzie Słonecznym. Pierwszy to tzw. superziemie – planety skaliste średnicy od 1,25 do 2 razy większej od Ziemi. Drugi to tzw. minineptuny – od 2 do 4 razy większe od naszej planety, mające gęstą atmosferę składającą się głównie z wodoru i helu oraz twarde jądro ze skały lub lodu. 

Superziemie, jak choćby Kepler 62e, to dość powszechny rodzaj egzoplanet. Charakteryzują się gęstą i mglistą atmosferą / fot. NASA Ames/JPL-Caltech – http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/news/kepler-62-kepler-69.html

Astronomowie ustalili, że atmosfery superziemi i minineptunów są zwykle gęste i dosyć nieprzejrzyste – światło przenika przez nie dość słabo. Powodem mogą być albo chmury (złożone z kropelek skondensowanej pary wodnej lub innych gazów, jak choćby metan), albo swego rodzaju zamglenie. Czyli zawieszone w atmosferze drobiny pyłów, przypominające unoszący się nad miastem smog.

Zespół dr Hörst próbuje to rozstrzygnąć. Badaczka uważa, że wyniki tych badań dostarczą nam wskazówek, czy na danej planecie może istnieć życie. Obecność pyłów ma, jej zdaniem, ogromny wpływ na ilość i charakter przenikającego przez atmosferę światła. – Decyduje to m.in. o tym, ile energii i jaki jej rodzaj dociera do powierzchni planety i jaka temperatura na niej panuje – wyjaśnia badaczka. 

O składzie chemicznym pozaziemskich atmosfer i zachodzących w nich procesach wiemy bardzo niewiele. Zespół dr Hörst eksperymentuje zatem z szerokim zestawem potencjalnych mieszanek gazów, bazując na najbardziej pospolitych zapewne na egzoplanetach substancjach i pierwiastkach: parze wodnej, tlenku węgla, dwutlenku węgla, azocie, wodorze, helu i metanie. Naukowcy mieszają je ze sobą w różnych proporcjach, w temperaturach od 25 do 325 st. C, odtwarzając warunki mogące panować na superziemiach i minineptunach. 

To przepis na kosmos od kuchni: wymieszaj ze sobą składniki, piecz w umiarkowanej temperaturze i obserwuj, co wyrośnie. Nie wolno zapomnieć o najważniejszym – energii niezbędnej do rozerwania wiązań w cząsteczkach i zapoczątkowania reakcji chemicznych.

Na egzoplanetach może ona pochodzić z promieniowania ultrafioletowego gwiazd albo z naładowanych elektrycznie cząsteczek powstałych w wyniku przenikania promieniowania kosmicznego do górnych warstw atmosfery. Badacze imitują te źródła energii za pomocą lamp ultrafioletowych albo wyładowań elektrycznych, podobnych do tych zachodzących w świetlówkach. 

Większość stworzonych przez zespół dr Hörst mikstur zaowocowała powstaniem brązowawych, przypominających smog zawiesin, podobnych do atmosfery Tytana, jednego z księżyców Saturna. Stężenie pyłów było jednak bardzo różne w zależności od zestawu gazów. Znaczne zamglenie osiągnięto podczas dwóch eksperymentów z użyciem dużych ilości pary wodnej i metanu, ale podobne rezultaty przyniosła próba, w której metan został całkowicie pominięty. 

Ustalenie związku między występowaniem zamglenia w atmosferze odległej planety a ewentualnym istnieniem na niej życia wymaga dalszych badań. Zdaniem dr Hörst zawieszone w atmosferze cząsteczki z jednej strony mogą ograniczać szkodliwe promieniowanie (tak jak na Ziemi czyni to warstwa ozonowa), z drugiej mogą jednak obniżać temperaturę na powierzchni egzoplanety i zmniejszać szanse na występowanie tam wody w stanie ciekłym.

– Musielibyśmy wiedzieć więcej o planecie i jej atmosferze, by móc zrozumieć, jakie warunki mogą panować na jej powierzchni i jakie procesy powodują powstawanie zamglenia – mówi. 

Dr Sarah Hörst i asystujący jej badacz Chao He przyglądają się wytworzonej w laboratorium próbce atmosfery planety pozasłonecznej / fot. Will Kirk/JHU

Upragnionym celem prowadzonych przez jej zespół badań jest zidentyfikowanie związku lub grupy związków, który mógłby być obecny w atmosferze tylko w przypadku istnienia na danej planecie istot żywych – swego rodzaju „biopodpisu” kosmitów. Co jednak mogłoby nim być? Raczej nie sam tlen. W trakcie eksperymentów zespół dr Hörst zaobserwował powstawanie tlenu w wyniku reakcji chemicznych zachodzących pod wpływem promieniowania ultrafioletowego.

Odnotowywano także pojawienie się związków organicznych, jak etanol czy formaldehyd, które zatem nie mogą pełnić funkcji „biopodpisu”. Jedną z kandydatur są występujące jednocześnie ozon i metan. To bardzo niestabilne z chemicznego punktu widzenia połączenie gazów. Nie znamy żadnego procesu geologicznego, który mógłby podtrzymywać jego istnienie.

– Trudno sobie wyobrazić jednoczesną obecność ozonu i metanu w atmosferze, gdyby ich zasoby nie były odnawiane przez organizmy żywe – mówi dr Hörst. Na Ziemi źródłem obu tych substancji jest właśnie biosfera. 

Za jedno z najbardziej obiecujących miejsc do poszukiwania w atmosferze symptomów istnienia życia badaczka uważa planety odkryte w 2015 r. wokół charakteryzującej się niedużą jasnością gwiazdy TRAPPIST-1. Jest oddalona o 40 lat świetlnych od Ziemi i położona w konstelacji Wodnika. Siedem krążących wokół niej planet z grubsza przypomina naszą, a większość wydaje się możliwa do zasiedlenia – panują tam warunki sprzyjające występowaniu na ich powierzchni wody w stanie ciekłym.

Obserwując światło przenikające przez ich atmosfery, zespół dr Hörst zauważył, że część z nich spowijają chmury lub zamglenie, choć trudno w tej chwili rozstrzygnąć, które z tych zjawisk jest bardziej prawdopodobne. Badaczka uważa, że planety te powinny stać się jednymi z pierwszych celów obserwacji prowadzonych przez należący do NASA Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba, następcę teleskopu Hubble’a. Dzięki niemu naukowcy będą mogli przyjrzeć się dokładniej atmosferom wielu planet pozasłonecznych.

Czy istnieje życie na innych planetach? 

Istnienie życia na Ziemi związane jest nie tylko ze składem atmosfery, ale także z całym systemem zjawisk tworzących klimat na naszej planecie – cyrkulacją ciepła w powietrzu i oceanach czy procesami formowania chmur. Egzoplaneta o atmosferze identycznej pod względem składu co ziemska, na której nie ma jednak podobnego klimatu, mogłaby nie nadawać się do życia.

Nowa gałąź nauki, zwana egzoklimatologią, zajmuje się analizowaniem klimatu planet pozasłonecznych i jego wpływu na możliwość istnienia życia. Modele komputerowe używane do symulacji i przewidywania pogody na Ziemi stosuje się w niej do badania innych światów. 

Jak dotąd większość tego typu dociekań skupiała się na jeszcze jednym dość powszechnym rodzaju egzoplanet – gorących jowiszach. Są to gazowe olbrzymy podobne do Jowisza z naszego Układu Słonecznego, krążące jednak znacznie bliżej swych gwiazd macierzystych. Większość z nich albo obraca się wokół własnej osi bardzo wolno, albo – tak jak krążący wokół Ziemi Księżyc – jest zwrócona ku owej gwieździe cały czas tą samą stroną.

Zapewnia to stałą różnicę temperatur między stroną jasną a ciemną, co może napędzać cyrkulację atmosferyczną – tak jak w przypadku Ziemi różnica temperatur między okolicami równika i biegunów. 

Według dr Nathana Mayne’a, kierownika grupy egzoklimatologów z University of Exeter, modele komputerowe takiej cyrkulacji wskazują, że gorące jowisze mają pewien rodzaj prądów strumieniowych. Mogą one mieszać ze sobą gazy z gorącej i chłodnej strony planety, a tym samym wpływać na ilość światła docierającą w poszczególne miejsca na jej powierzchni.

Szanse na istnienie życia na gorących jowiszach nie są duże. Jednak badania tych planet uzmysławiają znaczenie cyrkulacji atmosferycznej dla warunków panujących na ich powierzchni. A tym samym dla oceny, w jakim stopniu nadawałaby się do zasiedlenia przez organizmy żywe. 

Sytuacja robi się jeszcze ciekawsza, jeśli weźmiemy pod uwagę wodę. Niektóre z potencjalnie nadających się do życia planet, jak choćby te krążące wokół TRAPPIST-1, też są zapewne zwrócone przez cały czas tą samą stroną do gwiazdy macierzystej. Jeśli po ich gorącej stronie pojawiłaby się woda, szybko by odparowała i po jakimś czasie spadła w postaci deszczu lub śniegu po chłodnej, ciemnej stronie.

Badania atmosfer planet krążących wokół gwiazdy TRAPPIST-1 potwierdziły, że na niektórych z nich może istnieć woda / fot. NASA/NASA via Getty Images

– Ląd po jasnej stronie bardzo szybko by wysechł, a cała wilgoć zostałaby przemieszczona na ciemną stronę – mówi dr Mayne. – Jeśli jednak na takiej planecie istniałby ocean, woda mogłaby krążyć w obiegu zamkniętym. Jego zdaniem nie mielibyśmy wówczas do czynienia z surowym światem, podzielonym na dwie skrajnie różne i nienadające się do życia części, lecz z planetą, na której obieg wody tworzy wilgotniejsze i łagodniejsze środowisko. 

Dzięki nowej generacji teleskopów kosmicznych naukowcy będą mogli wkrótce przyjrzeć się atmosferom jeszcze bardziej egzotycznych egzoplanet. – Połączenie możliwości TESS i Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba umożliwi nam badanie mnóstwa fascynujących światów – prognozuje Hörst. Jej dokonania, a także efekty prac zespołu Mayne’a, mogą okazać się kluczowe dla astronomów pragnących sprawdzić, czy skład atmosfer i klimat badanych planet sugeruje, że ich powierzchnia jest jałowa, czy może – ale tylko być może – istnieje życie… 

Pogoda we wszechświecie

Wydaje wam się, że pogodę na Ziemi trudno przewidzieć? Oto kilka z dziwacznych zjawisk zaobserwowanych w innych zakątkach wszechświata. 

Deszcz diamentów  

Atmosfery niektórych gazowych olbrzymów zawierają znaczne ilości węgla powstającego w wyniku wyładowań elektrycznych w obłokach metanu. Jeśli ciśnienie i temperatura są bardzo wysokie, węgiel może kondensować się w postaci diamentów, nawet o rozmiarach leśnych jagód. Badacze uważają, że na Saturnie co roku powstaje w ten sposób ok. 1000 ton diamentów. 

Żelazny monsun 

Temperatury gazów w atmosferze gorącego jowisza HD 209458b, zwanego też Ozyrysem, sięgają kilku tysięcy stopni Celsjusza. Mogą tam padać ulewne deszcze stopionego żelaza lub drobin kwarcowego szkła, przy podmuchach dochodzących do kilku kilometrów na sekundę (podczas najsilniejszych ziemskich huraganów wiatry mają prędkość 70 m/s). Efekt? Smagające planetę szkwały gorącego metalu i drobinek skał. 

Piekielny sztorm 

55 Cancri e to skalista planeta o średnicy mniej więcej dwa razy większej od Ziemi. Krąży tak blisko gwiazdy macierzystej, że temperatura na jej powierzchni sięga ok. 2000 st. C. Gorąca lawa jest wyrzucana do atmosfery i opada w formie ognistego deszczu, a obecność w atmosferze bardzo wielu naładowanych elektrycznie cząsteczek powoduje potężne, obejmujące całą planetę burze z piorunami. 

Chmura klejnotów 

Ciemną stronę planety HAT-P-7b, gorącego jowisza oddalonego od Ziemi o tysiąc lat świetlnych, spowijają chmury tritlenku diglinu, którego odmianami są rubiny oraz szafiry. Wiatry gnają te obłoki na jasną, gorącą stronę planety, gdzie chmury szybko ulegają dezintegracji pod wpływem temperatury sięgającej 2000 st. C.