James Webb Space Telescope a egzoplanety i astrobiologia – rewolucja i ograniczenia

Start najnowocześniejszego i najdroższego obecnie urządzenia astronomicznego odbył się perfekcyjnie. Nie jest to jednak koniec trudności, przed naszym bohaterem stoi jeszcze wiele skomplikowanych technicznie procedur, aby mógł on rozpocząć swoją pracę naukową. Kiedy już to się zacznie naprawdę, jakie czekają nas rewolucje w badaniach kosmosu oraz przede wszystkim co nam dadzą, a czego nam nie dadzą możliwości teleskopu w dziedzinie astrobiologii, czyli badań związanych z pytaniami o życie pozaziemskie, a tym samym o fenomen powstania życia w ogóle? Wbrew temu, o czym informują nas w ostatnich dniach media, możliwości teleskopu są pod tym względem nieco ograniczone, co dla wielu fanów astronomii, a zwłaszcza astrobiologii, może być nieco rozczarowujące. Niemniej JWST będzie w stanie wykonać bardzo dużo ważnych badań, które do tej pory były poza naszym zasięgiem, paradoksalnie zaś dla astrobiologii mamy szczęście, że wystartował on ze znacznym opóźnieniem. Gdyby bowiem został wykonany i wystrzelony zgodnie z pierwotnymi planami, to astrobiologia niewiele miałaby z niego pożytku.

Choć od dawna mówi się, że JWST da nam niedostępne dotąd możliwości badania egzoplanet, należy zacząć od tego, że JWST nie był tworzony z myślą o astrobiologii. Dopiero później uzupełniono cele misji o ten aspekt i tutaj jego kolejne opóźnienia okazały się korzystne. Prace nad urządzeniem były bowiem zaawansowane już w latach 90. XX wieku, kiedy idea badania planet pozasłonecznych wykraczała poza możliwości nauki. Dopiero druga połowa tego dziesięciolecia przyniosła przełom w odkryciach egzoplanet, co sprawiło, że aparatura kosmicznego teleskopu została lepiej dostosowana do badania takich obiektów. JWST nie jest jednak obserwatorium astrobiologicznym, został jedynie rozszerzony do umożliwienia pewnego zakresu badań.

Czego JWST nie może?

Oczywiście najbardziej palącym pytaniem związanym z egzoplanetami jest to, czy istnieje na nich życie. Jako że nie mamy możliwości dokonania bezpośredniej obserwacji obcego życia, astrobiolodzy próbują uzyskać dowody pośrednie wskazujące na to, że w jakimś przypadku wzrasta prawdopodobieństwo, że mamy do czynienia z życiem. Takie wskazówki nazywa się biosygnaturami. Należy od razu wyjaśnić, że niezależnie od tego co by nam na ten temat nie pisały popularne media, żadna biosygnatura nigdy nie będzie dowodem na istnienie życia. Nigdy nie będziemy mogli wykluczyć, że zjawisko określone jako biosygnatura (np. wysoka zawartość tlenu w atmosferze, czy np. występowanie zestawu pierwiastków, których nie możemy wyjaśnić inaczej niż za pomocą aktywności biologicznej) nie ma swojego niebiologicznego źródła, którego charakter umyka naszej obecnej wiedzy. Przykładem jest choćby niedawna afera z fosforowodorem na Wenus, który jest dość silną biosygnaturą, ale po jego rzekomym (bo nie do końca pewnym) odkryciu raczej mamy do czynienia z powiększeniem liczby pytań niż z jakimkolwiek rzeczywistym dowodem na cokolwiek. Biosygnatura to jest tylko wskazówka, że warto dogłębniej badać daną planetę.

Paradoksalnie znacznie lepszą i łatwiej wykrywalną biosygnaturą byłaby technosygnatura, czyli zjawisko wskazujące na występowanie procesów niemogących powstać inaczej jak za sprawą cywilizacji (bo każda technosygnatura byłaby jednocześnie dowodem na występowanie życia). Ale to jest inny temat, a JWST nie realizuje takiego programu. I słusznie, bowiem program taki dałby nam (nawet jeśli jakimś cudem wykryłby obcą cywilizację) znacznie mniejszą wiedzę naukową na temat szeregu interesujących nas zjawisk.

JWST będzie badał atmosfery obcych planet, ale niestety wykrycie na nich biosygnatur prawdopodobnie będzie poza jego możliwościami. Istnieją także poważne ograniczenia w tym, jakie planety i w jaki sposób będą badane. Te planety bowiem, które by nas najbardziej interesowały, czyli najbardziej zbliżone parametrami do parametrów ziemskich, bo te dają największe szanse na powstanie takiego życia, jakie znamy z naszej planety, nie znajdą się w repertuarze wykonywanych badań. JWST bowiem ze względu na specyfikę swoich instrumentów nie będzie obserwował egzoplanet krążących wokół gwiazd takich jak Słońce, które dają najbardziej stabilne warunki dla narodzin życia, lecz te krążące wokół czerwonych karłów (karłów typu widmowego M).

Chociaż dzięki temu będziemy dysponować bardzo ważnymi nowymi informacjami, jest to niestety także poważne ograniczenie w poszukiwaniach życia. Tego typu gwiazdy bowiem, choć są najliczniejszymi gwiazdami w naszej galaktyce, uchodzą za niezbyt sprzyjające życiu. Czerwone karły są gwiazdami małymi, co sprawia, że skaliste planety krążące wokół nich znajdują się blisko, również z tego powodu blisko macierzystej gwiazdy znajduje się ekosfera, czyli odległość, w której teoretycznie może występować na planecie woda w stanie ciekłym i dzięki temu warunki najbardziej sprzyjające powstaniu życia. Bliskość ta sprawia, że ze względu na grawitację gwiazdy zjawiska pływowe wyrównują okres rotacji planety wokół osi z obiegiem wokół gwiazdy, inaczej mówiąc, analogicznie jak nasz Księżyc względem Ziemi, planety takie są z reguły zwrócone zawsze tą samą stroną do swojej gwiazdy. Są to warunki, choć nie uniemożliwiające, to znacznie ograniczające możliwości powstania i ewoluowania życia. Największym problemem jest jednak to, że czerwone karły są obiektami, które we wczesnym okresie życia emitują duże rozbłyski promieniowania. Takie zjawiska mogą zarówno pozbawić planetę atmosfery, jak i wręcz ją sterylizować. Pytanie, czy tak się faktycznie dzieje, jest dzisiaj pytaniem otwartym. Niemniej układy planet krążących wokół czerwonych karłów budzą do pewnego stopnia sceptycyzm naukowców co do istnienia, a tym bardziej większego ewoluowania na nich życia.

A tymczasem to niemal tylko planety krążące wokół takich gwiazd będą badane przez JWST. Co zatem zamierzamy się dowiedzieć?

Dużo. Teleskop będzie badał te planety w momencie ich tranzytu, czyli przejścia na tle macierzystej gwiazdy, patrząc z naszego punktu widzenia. Jest to kolejne ograniczenie, bowiem tylko niektóre układy są zwrócone do nas pod takim kątem, aby mógł się odbyć tranzyt (czyli inaczej mówiąc aby odbyło się zaćmienie gwiazdy przez planetę). Jednak metoda ta pozwoli badać atmosfery tych planet, czyli coś, co do tej pory leżało poza naszym zasięgiem.

Pierwsza i bardzo ważna odpowiedź, którą umożliwi teleskop, to stwierdzenie, czy planety krążące wokół takich gwiazd w ogóle mają atmosfery. Odpowiedź twierdząca będzie kluczowa dla badań narodzin życia w kosmosie, bowiem istnienie atmosfery jest fundamentalne dla zjawisk klimatycznych na planecie, a tym samym ogromnie poszerza zakres zjawisk chemicznych na niej zachodzących. W kontekście faktu, że karły są najobficiej występującymi gwiazdami w galaktyce, będzie to ważna odpowiedź na pytanie o skalę szans powstania abiogenezy w kosmosie w ogóle. Jeśliby nie wykryto atmosfer na planetach mających za dom taką gwiazdę, to znaczyłoby, że kosmos obfituje w znacznie mniejszą różnorodność siedlisk sprzyjających życiu.

Atmosfery obcych planet

Dzięki tranzytowi będzie możliwe dokonanie spektroskopii, która pozwoli zanalizować jakie w atmosferze obcej planety, jeśli będzie miała ona atmosferę, występują pierwiastki.

Foton, który zostaje pochłonięty przez atom materii, dostarcza temu atomowi energii, tym samym wzbudzając w nim elektrony na orbitach do przejścia w wyższy stan energetyczny, czyli na wyższą orbitę. Jako że elektrony naładowane są ujemnie, a protony w atomie dodatnio, istnieje ich wzajemna zależność energetyczna. Ponieważ pierwiastek określony jest przez liczbę protonów w jądrze atomu (wodór – jeden proton, hel – dwa protony itd.), atomy różnych pierwiastków są inaczej wzbudzane przez wchłaniany foton. Stała Plancka sprawia dodatkowo, że energia może być pochłaniana i emitowana tylko w określonych porcjach (kwantach energii). Zatem elektron zostaje wzbudzony tylko wtedy, gdy pochłonie energię o danej wartości, nie zostaje zaś wzbudzony energią pomiędzy tymi wartościami. Jako że każdy pierwiastek ma inną budowę protonową i tym samym elektronową, każdy wchłania energię (a potem emituje, gdy oddaje foton) tylko w określony sposób. Tym samym „zabiera” on energię w zakresie widma o bardzo konkretnej częstotliwości. Sprawia to, że widma danych pierwiastków zawierają wówczas „dziury” energetyczne w określonej częstotliwości, widoczne dla nas w postaci czarnych kresek na widmie, pozwalając astronomom zidentyfikować z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Tym sposobem np. pierwiastek hel, niemal niewystępujący na Ziemi, został pierwotnie odkryty na Słońcu (stąd jego nazwa, od „helios”, czyli z greki „Słońce”), a dopiero potem zaobserwowano jego występowanie również na Ziemi.

Sytuacja ta pozwala nam badać skład pierwiastkowy obiektów w kosmosie, ale potrzebujemy do tego wzbudzenia energetycznego, co dla planet nie emitujących samodzielnie takiej energii wymaga przejścia na tle promieniowania gwiazdy. Tym samym metoda ta niesie ograniczenia tylko do tych obcych układów, które ułożone są względem nas pod korzystnym kątem.

Analiza pierwiastkowa będzie dawała całe spektrum możliwości dla modelowania klimatów występujących na takich planetach, a także w przypadku nietypowych pierwiastków określać możliwości chemiczne dla życia. Czy będą mogły zostać w ten sposób określone biosygnatury? Jak twierdzi astronom Jacob Bean, który odegrał wiodącą rolę w planowaniu obserwacji egzoplanet przez JWST, niemal na pewno nie. Głownie dlatego, że sygnały, które dotrą do nas ze skalistych planet krążących wokół czerwonych karłów, będą bardzo, bardzo słabe. „Mogą wystarczyć, aby powiedzieć nam, że atmosfera jest obecna” – powiedział – „ale prawdopodobieństwo, że powiedzą nam coś o biosygnaturach na tych skalistych egzoplanetach — naprawdę nie sądzę, aby tak się stało”.

Również to, że JWST będzie badał Wszechświat głównie w podczerwieni, niesie dla astrobiologii zarówno korzyści, jak i ograniczenia. Podczerwień bardzo dobrze nadaje się do wykrywania cząsteczek opartych na węglu, co jest istotne w kontekście powstawania planet i tworzeniu składników życia. Ale za to jest bardzo nieodpowiednia do wykrywania tlenu, a ten pierwiastek, ze względu na jego unikalne właściwości, byłby znaczącą biosygnaturą, gdyby wykryto go w dużych ilościach na obcych planetach.

Jest jeszcze jedna kwestia, która ma znaczenia dla astrobiologii. JWST będzie nam w stanie powiedzieć, czy dane planety zawierają wodę – najbardziej istotny związek dla powstania życia.

Inne badania astrobiologiczne

Niezależnie od tego, że bohater tego artykułu nie udzieli niektórych odpowiedzi dotyczących planet skalistych, które chcielibyśmy uzyskać, będzie także badał egzoplanety w szerszym kontekście astronomicznym, powiększając naszą wiedzę w kwestii powstawania i ewolucji obcych układów planetarnych. Jako że badania kosmosu w zakresie bliskiej i średniej podczerwieni pozwalają przedrzeć się przez pyły, które dla zakresu światła widzialnego zasłaniają widoczność, wejrzy on w niedostępne dotąd rejony dysków protoplanetarnych, w których formują się planety. Zajrzy także poprzez chmury pyłu i gazu, które otaczają niektóre już uformowane egzoplanety.

Będzie on również prowadził badania innego typu planet, uchodzących za niezbyt przystępne powstaniu życia, ale dających wiedzę o tym jak w ogóle funkcjonują takie układy i jaka występuje we Wszechświecie różnorodność planet. Dzięki niemu poznamy lepiej cechy różnych planet a także zdołamy określić ich prawdopodobną ewolucję. Będą to niezwykle istotne badania, które także przyczynią się do powiększenia wiedzy astrobiologicznej. Wiele układów planetarnych bowiem zaskoczyło nas swoimi parametrami, nieraz trudnymi do wyjaśnienia w kontekście naszych dotychczasowych teorii powstawania układów planetarnych w kosmosie, co doprowadziło do pojawienia się nowych zagadek wymagających wyjaśnienia. Wiadomości, jakie dzięki takim badaniom zyskamy, pozwolą nam także na sprawniejsze poszukiwanie takich egzoplanet, które będą miały większe szanse na ewolucję życia.

Już teraz zaplanowane są badania niektórych ultra gorących Jowiszów, które w swoich atmosferach zawierają gazowe żelazo, a także na badanie planet skalistych wokół pobliskich gwiazd, które mogą przypominać Wenus. Zostanie też przeprowadzone badanie egzoplanety tak zwanej super-Ziemi (skalistej, ale znacznie większej niż Ziemia) GJ1214b pod kątem odpowiedzi na pytanie, czy jest to tak zwany wodny świat, czyli świat pokryty całkowicie lub głównie oceanem.

Z bardzo cennego czasu JWST zostało także zaplanowane dokładniejsze badanie słynnego układu planetarnego Trappist-1, na którego składa się siedem planet skalistych krążących wokół czerwonego karła, ze szczególnym naciskiem na planetę Trappist-1e, która w tym systemie jest najbardziej podobna do Ziemi pod względem wielkości, masy i położenia orbitalnego.

Zupełnie innego typu planetami, którymi będzie się zajmował JWST, są tak zwane pod-Neptuny. Są to planety, których wielkość mieści się pomiędzy naszym Neptunem a Ziemią, a które są otoczone grubą otoczką gazową. Jest to dość powszechnie występujący w kosmosie typ planet, o tyle ciekawy, że nie występuje on w Układzie Słonecznym, a przez to są one dla nas bardzo tajemnicze. Dowiedzenie się o nich więcej jest zatem kluczowe dla nauki o tym, jak powstają układy planetarne w ogóle.

Jedną bowiem z ciekawych rzeczy (ale być może niekorzystnych dla kwestii występowania w kosmosie życia), których dowiedzieliśmy się dzięki dotychczasowemu badaniu obcych układów jest to, że nasz własny układ jest, jak wskazuje nasza dość ograniczona na razie wiedza, nietypowy, wręcz specyficzny. Oznacza to dwie rzeczy. Z jednej strony, że kosmos obfituje w znacznie szerszą paletę typów planet i daje bogatsze formy ewolucji takich układów, niż wcześniej zakładaliśmy. Z drugiej strony może to też oznaczać zmniejszenie szans na powszechne występowanie życia, bowiem jeśli (a wiele na to wskazuje) chemia musi przedrzeć się przez pewne wąskie gardło środowiskowe, aby powstało życie, to nietypowość dla kosmosu Układu Słonecznego może oznaczać, że powstanie życia jest dość nietypowe dla kosmosu w ogóle. Inaczej mówiąc znaczyłoby to wtedy, że aby powstało życie, musi w ewolucji układów planetarnych wystąpić scenariusz nie powszechny, lecz specyficzny, dający w efekcie planetę tak nietypową jak Ziemia (jak dotąd nie udało nam się znaleźć planety, która rzeczywiście przypominałaby Ziemię).

Badania zatem obcych układów planetarnych, które przeprowadzi JWST, przybliży nas nieco do zrozumienia co jest dla kosmosu bardziej typowe w tworzeniu obcych światów, a co bardziej specyficzne, tym samym dając nam pewne wskazówki w odpowiedzi na pytanie o powstawanie życia.

Badania Układu Słonecznego w kontekście życia

JWST przyda się astrobiologii także w kontekście badań Układu Słonecznego. Pozwoli z większymi szczegółami badać obiekty krążące w dużej odległości od Słońca, tj. lodowe światy na orbitach poza Plutonem. Umożliwi lepsze zbadanie górnych partii atmosfer Urana i Neptuna, ponieważ ich skład chemiczny lepiej jest widoczny w podczerwieni, a są to dla nas najbardziej tajemnicze planety w naszym układzie. To wszystko jednak nie będzie dotyczyć kwestii potencjału występowania tam życia.

Pod tym zaś kątem będzie można przeprowadzić badania obiektów, które znajdują się bliżej nas, dzięki którym uzyskamy ogrom informacji, jakich wcześniej żaden ziemski instrument nie zbierał.

Zostanie wykonana spektroskopia gejzerów księżyców Jowisza i Saturna, które wytryskują wodę spod powierzchni lodu okalającego te nieduże globy. Ze względu na to, że pod ich lodem znajdują się oceany ciekłej wody, a księżyce te dysponują wewnętrzną energią cieplną umożliwiającą pewną dynamikę chemiczną, spekuluje się, że środowiska wodne tych księżyców mogą sprzyjać powstaniu mikro-organicznego życia. Tym bardziej, że dotychczasowe badania składu chemicznego materiału wyrzuconego przez taki gejzer na Enceladusie wykryły obiecujące związki chemiczne. Jakkolwiek szansa na życie jest bardzo niewielka, są to środowiska, które warto pod tym kątem badać.

Oko kosmicznego teleskopu zwróci się także ku Marsowi, który badany w podczerwieni z wyśmienitą precyzją, być może odpowie nam na pytanie, dlaczego utracił wodę, a tym samym bliżej przyjrzeć się warunkom, które panowały na nim kiedyś, gdy mógł mieć klimat teoretycznie sprzyjający narodzinom życia.

James Webb Space Telescope nie udzieli nam zatem odpowiedzi na pytanie o życie poza Układem Słonecznym, nie będziemy nim badali planet krążących wokół gwiazd najbardziej sprzyjających swoim planetom pod kątem powstania życia, najpewniej też nie wykryjemy nim znaczących biosygnatur. Ale mimo tego zrobi dla astrobiologii więcej niż wszystkie dotychczasowe urządzenia badające kosmos razem wzięte. A mówimy tu tylko o astrobiologii, która została „jedynie” dodana do zakresu zadań teleskopu. Ogólnie o teleskopie i o tym, co przede wszystkim będzie robił dla astronomii i kosmologii, napiszę w następnym artykule.

Literatura:
https://manyworlds.space/2021/12/17/what-the-james-webb-space-telescope-can-do-for-exoplanet-science-and-what-it-cannot-so/
https://jwst.nasa.gov/content/about/faqs/faq.html
https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope
https://www.sciencealert.com/success-the-james-webb-space-telescope-has-launched
https://jwst.nasa.gov/content/science/origins.html
https://www.digitaltrends.com/features/james-webb-space-telescope-exoplanet-search/

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s