Сліди життя чи статистичний шум? Розбираємося у квітневому відкритті слідів життя на екзопланеті K2-18b

Марина Качура Олександра Іванова 28 Червня

Серед квітневих новин астрономії, як і серед майже шести тисяч відкритих сьогодні екзопланет, особливо виділилась одна — екзопланета K2-18b. На ній космічний телескоп «Джеймс Вебб» знайшов такі ж молекули, які на Землі утворюються лише внаслідок життєдіяльності організмів. І якщо це не пряма вказівка на існування позаземного життя, то принаймні один з найсильніших доказів на користь цього, який дотепер отримували астрономи.

Утім, як це притаманно подібним відкриттям, крім сенсаційних заголовків у медіа, з'явилися і критичні статті від науковців, що спростовують знахідку «Джеймса Вебба». Що викликає сумніви у відкритті та чи варто втрачати надію знайти життя за межами Землі — розібралася астрофізикиня Олександра Іванова.

Про яку планету суперечка?

Планета K2-18b, яку підозрюють у наявності життя, знаходиться на відстані 124 світлових років від нас і зовсім не схожа на нашу. Вона у 2,5 раза більша за розміром, удев'ятеро масивніша, а також має товсту атмосферу, тому більше схожа на невеликий Нептун, аніж на гігантську Землю. Утім, K2-18b пощастило обертатися на достатній відстані від своєї зорі, тож вона отримує приблизно стільки ж від неї світла, як і Земля від Сонця, і може підтримувати на поверхні воду у рідкому стані.

А як вважають астрономи, води на K2-18b може бути багато — на їхню думку, під «роздутою» водневою атмосферою планети може ховатися океан. Принаймні про це свідчить відсутність в її атмосфері аміаку і присутність вуглекислого газу, які зазвичай вказують на водне середовище. Власне пошуки океану на K2-18b й привели науковців до потенційного відкриття на ній життя.

Що саме знайшли вчені?

До досліджень атмосфери K2-18b, які могли б зокрема підтвердити чи спростувати існування на ній океану, залучили телескоп «Джеймс Вебб», який зарекомендував себе у виявленні навіть найтонших слідів різноманітних молекул на планетах. На K2-18b він виявив сліди диметилсульфіду та пов'язаної з ним речовини диметилдисульфіду — на Землі ці сполуки виникають, наприклад, у земних океанах завдяки активності фітопланктону. Причому в атмосфері K2-18b їхня концентрація виявилася навіть більшою, ніж на нашій планеті: 10 молекул диметилсульфіду чи диметилдисульфіду на мільйон молекул повітря.

Цікаво, що сліди диметилсульфіду на цій планеті «Джеймс Вебб» виявляв і раніше. У 2023 році дослідники зафіксували слабкий сигнал цієї молекули в ближньому інфрачервоному діапазоні — на довжинах хвиль 1–5.2 мікрометра. Утім, у цьому діапазоні багато різних молекул мають схожі ознаки, тож згодом інші дослідники спростували цю заяву, запропонувавши альтернативне пояснення спектра.

Нове ж відкриття базується на даних із середнього інфрачервоного діапазону (5.5–12 мікрометрів), де диметилсульфід і споріднені з ним молекули мають чіткіші спектральні риси. Крім того, астрономи зафіксували також метан і діоксид вуглецю, що в сукупності вказують на біологічні процеси. Але нові дані не лише не поставили крапку щодо існування життя на K2-18b, а й породили нові питання.

Які цифри поставили життя на планеті під сумнів?

Оцінка достовірності результатів таких спостережень включає кілька важливих аспектів, один з яких це рівень статистичної значущості. У випадку сигналу від диметилсульфіду автори повідомляють про статистичну значущість у 3,5 сигми. Тобто ймовірність того, що відкриття було випадковим сигналом становить приблизно 0,3 відсотка. Для повідомлення у науковій статті цього достатньо, але не для остаточних висновків. Аби точно стверджувати, що науковці виявили сліди диметилсульфіду, точність їхніх результатів має складати 5 сигм, що відповідає ймовірності помилки менш як 1 на 3.5 мільйона.

Крім того, і оцінити чи дійсно сигнал був від диметилсульфіду є складною задачею: в інфрачервоній спектроскопії кілька молекул можуть утворювати схожі сигнали. Зокрема у діапазоні, де виявили диметилсульфід, їх також можуть створювати метан, вуглекислий газ і пара води — усі присутні в атмосфері K2-18b речовини.

Одним зі способів уточнити такі спостереження є побудова теоретичних моделей, які потім порівнюють з отриманими даними. У своїй роботі науковці також побудували таку модель, тобто розрахували, як виглядатиме на спостереженнях телескопа спектр планети із певним складом атмосфери. Відтак вони оцінили, наскільки створена ними модель узгоджується з реальними вимірюваннями «Джеймса Вебба».

Чим менше відхилення, тим краще модель описує реальні спостереження — і тим більше підстав вважати, що вибраний склад атмосфери є правильним. Але зі статті відкривачів лишається незрозумілим, чи не могла інша комбінація речовин — наприклад, без диметилсульфіду — пояснити той самий спектр, який спостерігав «Джеймс Вебб».

Треба лише довести, що диметилсульфід є на K2-18b?

Навіть якщо диметилсульфід або споріднені з ним молекули справді присутні в атмосфері K2-18b, це також не свідчить однозначно про наявність життя. Подібні сполуки можуть утворюватися й унаслідок небіологічних процесів — наприклад, через хімічні реакції в надрах планети або під дією ультрафіолетового випромінювання. В історії науки вже були подібні «натяки на життя» — наприклад, у 2020 році з'явилося повідомлення про виявлення фосфіну в атмосфері Венери, газу, який на Землі переважно пов’язаний із мікроорганізмами. Але пізніше планетологи знайшли пояснення його появі через вулкани, які діють на планеті.

Крім того, сам диметилсульфід не має зіграти остаточну роль у визначенні того, чи є на K2-18b життя — вона сама може виявитися непридатною для його появи та існування.

В чому проблема планети K2-18b?

Однією з головних умов для підтримки життя, принаймні в його земному розумінні, є наявність води в рідкому стані. Але океан з води на K2-18b, про який свідчить відсутність аміаку, може насправді виявитися океаном з розплавленої магми — вона так само, як і вода, ефективно поглинає аміак з атмосфери. Та навіть за умови, що під атмосферою справді існує водяний океан, це зовсім не гарантує його придатності до життя.

Науковці застерігають, що через густу атмосферу, багату на водень, метан і вуглекислий газ, на планеті може діяти потужний парниковий ефект, подібно як на Венері. Через нього температура океану може сягати 370 градусів Цельсія, за якої вода перебуватиме у надкритичному стані — зникне межа між рідиною і парою, і рідина втрачає властивості, необхідні для підтримки стабільних хімічних процесів.

До того ж червоні карлики, до яких належить і батьківська зоря K2-18b, схильні до раптових і потужних спалахів. Такі спалахи можуть різко змінювати умови на планеті, руйнувати молекули в атмосфері й перешкоджати формуванню стабільного середовища, придатного для життя. «Зберегти» планету від руйнівного впливу зорі могли б світловідбивні хмари, які знижували б температуру поверхні. Але наразі спостереження не вказали на їхнє існування, як і комп’ютерні моделі поки не підтверджують цей сценарій.

Чи є сенс взагалі шукати життя на інших планетах?

Планета K2-18b є яскравим прикладом того, наскільки складно інтерпретувати навіть найперспективніші натяки на життя, що і так рідко вдається знаходити. Утім, важливо розуміти, що дотепер астрономи працюють із дуже обмеженими інструментами. Найчастіше планети науковці навіть не бачать напряму, а тому користуються непрямими методами, як і у випадку K2-18b. Щоб визначити її хімічний склад, «Джеймс Вебб» спостерігав, як змінюється світло зорі, коли планета проходила перед нею й частина зоряного світла проходила крізь її атмосферу. Так у спектрі виникали характерні «провали» — сліди того, які саме молекули поглинають світло на певних довжинах хвиль.

Щоб підтвердити існування життя на K2-18b, науковці мають незалежно підтвердити свої знахідки у її хімічному складі, відкинути небіологічні причини їхнього утворення, а також підтвердити здатність планети підтримувати життя загалом. Дотепер такий «тест» не пройшла жодна планета, хоча й астрономи тільки вчаться «зчитувати» ці ознаки. Тож хоч з відкриттям життя на K2-18b варто зачекати, такі знахідки стимулюють розробку нових моделей, методики спостережень і телескопів, які зможуть фіксувати ще слабші сигнали й, можливо, вперше побачити атмосферу іншого світу такою, якою вона є насправді.