Poszukiwanie fosforu w innych gwiazdach

 

 Poszukiwanie życia może być o wiele bardziej chaotyczne, niż się wydaje. Te dwa słowa tworzą ładny, uporządkowany tytuł, ale to, co się z nimi wiąże, jest niezwykle trudne. Jak w tej rozległej galaktyce możemy znaleźć życie i planety lub księżyce, które mogą je gościć? Ledwo jesteśmy na etapie odkrycia lub wykluczenia innego życia w naszym Układzie Słonecznym.

Znalezienie go gdzieś indziej w galaktyce, nawet w naszym międzygwiazdowym sąsiedztwie, jest zadaniem tak trudnym, że może być trudne do pojęcia.

Więc za każdym razem, gdy naukowcy myślą, że znaleźli coś, co może dać im choć małą szansę w ich prawie niemożliwym zadaniu, zasługuje na to, aby o tym porozmawiać.

 Nowe badanie mówi, że gwiazdy zawierające fosfor (P) mogą z większym prawdopodobieństwem gościć planety z życiem. Jest to oparte na dotychczasowej nauce o egzoplanetach oraz naszej wiedzy o chemii i życiu. Fosfor, o ile wiemy, jest substancją chemiczną niezbędną do życia, a planety mają tendencję do naśladowania składu swoich gwiazd. Zatem gwiazdy, które mają fosfor, prawdopodobnie urodziły planety, które go posiadają, a co za tym idzie, mają szansę na życie.

Nowy artykuł nosi tytuł „ The Influence of Stellar Phosphorus on Our Understanding of Exoplanets and Astrobiology ”. Głównym autorem jest dr Natalie Hinkel, fizyk planetarny z Southwest Research Institute (SwRI). Artykuł został opublikowany w The Astrophysical Journal Letters.

„Mój współautor, dr Hilairy Hartnett, jest oceanografem i wskazał, że fosfor jest niezbędny dla wszelkiego życia na Ziemi” - powiedział główny autor Hinkel w komunikacie prasowym - „Jest niezbędny do tworzenia DNA, błon komórkowych, kości i zębów ludzi i zwierząt, a nawet morskiego mikrobiomu planktonu”.

Tutaj, na Ziemi, błony komórkowe składają się z cząsteczek fosfolipidów rozpuszczonych w ciekłej wodzie.  Fosfolipid ma szkielet z atomów węgla (kolor szary), a także wodór (kolor niebieski), fosfor (kolor żółty), tlen (kolor czerwony) i azot (kolor niebieski).  żródło: Ties van Brussel

Astronomowie wykorzystują spektroskopię do określenia pierwiastków chemicznych obecnych w gwiazdach. Mogą określić względną obfitość pierwiastków, takich jak fosfor. Skład chemiczny gwiazdy jest wskaźnikiem składu chemicznego planet krążących wokół niej, ponieważ wszystkie pochodzą z tego samego ośrodka międzygwiazdowego.

W astrofizyce każdy pierwiastek cięższy od wodoru i helu jest uważany za metal. Astrofizycy odnoszą się do „metaliczności” gwiazdy, co oznacza, ile lub jak mało gwiazdy składa się z pierwiastków cięższych niż H i He. Istnieje pewna różnica zdań co do dokładnej metaliczności Słońca, ponieważ różni badacze dochodzą do łącznie około 1,3% metalu do 1,8% metalu. W każdym razie część tego procentu to fosfor, a niektóre dane pokazują, że Słońce ma wyższą niż przeciętna zawartość fosforu.

Fosfor ma kluczowe znaczenie dla życia, jakie znamy. W swojej postaci ortofosforanowej fosforan tworzy szkielet cząsteczek genetycznych i jest walutą energetyczną prawie całego metabolizmu. Jest to część tego, co naukowcy nazywają CHNOPS (węgiel, wodór, azot, tlen, fosfor i siarka). Znalezienie go ma prawdopodobnie kluczowe znaczenie dla znalezienia życia. W oceanach Ziemi fosfor jest ograniczającym składnikiem odżywczym i jest najmniej dostępny z sześciu występujących w CHNOPS. Podczas gdy CHNOPS są najpowszechniejszymi pierwiastkami w typowej komórce, P występuje najmniej. I chociaż C, H, N, O i S znajdują się w pierwszej dziesiątce najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków we Wszechświecie, P zajmuje 17 miejsce.

Wizja artysty przedstawiająca skaliste egzoplanety krążące wokół Gliese 832, czerwonego karła znajdującego się zaledwie 16 lat świetlnych od Ziemi.  Obecnie nie jest możliwe zmierzenie zawartości powierzchni jakichkolwiek egzoplanet, więc poszukiwanie gwiazd w poszukiwaniu fosforu może być użytecznym skrótem w poszukiwaniu życia.  Źródło: ESO / M.  Kornmesser / N.  Risinger.

Obecnie nie mamy żadnego sposobu na zmierzenie zawartości powierzchni egzoplanety. Tak więc badanie charakteryzujące pierwiastki chemiczne w egzoplanetach jest bardzo odległe. Obecnie nie można również stwierdzić, czy egzoplaneta odsłoniła skały kontynentalne i wody powierzchniowe, dwie rzeczy, które uważamy za kluczowe dla geochemicznych cykli planetarnych niezbędnych do życia. „Szukając egzoplanet i próbując sprawdzić, czy nadają się one do zamieszkania, ważne jest, aby planeta żyła z aktywnymi cyklami, wulkanami i tektoniką płyt” - powiedział główny autor Hinkel.

Opierając się na gwiezdnych proxy zawierających fosfor, naukowcy mogą pójść na skróty w poszukiwaniu życia. Mogą skoncentrować swoje wysiłki na planetach otaczających gwiazdy, które wykazują fosfor. W przyszłości, kiedy będziemy mogli dokładniej zbadać poszczególne egzoplanety, astronomowie będą już wiedzieli, które z nich mogą zawierać niezbędny fosfor.

W tym badaniu naukowcy wykorzystali katalog Hypatia, który Hinkel opracował jako publicznie dostępną bazę danych gwiazd. Hypatia została stworzona w celu „oceny i porównania stosunków obfitości węgla, azotu, krzemu i fosforu w pobliskich gwiazdach z tymi w przeciętnym morskim planktonie, skorupie ziemskiej, a także w dużych ilościach krzemianów na Ziemi i Marsie”. Ale katalog Hypatia zawiera tylko informacje o 9434 gwiazdach, a dla niektórych z tych gwiazd pomiary są niekompletne.

To jest częściowy zrzut ekranu części katalogu Hypatiea.  Pokazuje liczbę zbadanych gwiazd, które zawierają każdy pierwiastek, nie licząc wodoru i helu.  Żelazo (Fe) jest obecne w każdej gwiazdce w katalogu, podczas gdy fosfor (P) jest obecny tylko w 100 gwiazdach.  Źródło zdjęcia: Natalie Hinkel / Hypatia

Jedną z przeszkód w badaniu i znajdowaniu fosforu w gwiazdach jest to, że nie jest on łatwo widoczny. Kiedy astronomowie prowadzą obserwacje spektroskopowe gwiazd, zazwyczaj nie patrzą tam, gdzie powinni, aby je znaleźć. Dzieje się tak, ponieważ obserwuje się go na krawędzi fal optycznych światła i światła podczerwonego.

„Nasze Słońce ma stosunkowo wysoki poziom fosforu, a biologia Ziemi wymaga niewielkiej, ale zauważalnej ilości fosforu” - kontynuował Hinkel - „Tak więc na planetach kamiennych, które tworzą się wokół gwiazd macierzystych z mniejszą ilością fosforu, jest prawdopodobne, że fosfor będzie niedostępny dla potencjalnego życia na powierzchni tej planety. Dlatego też wzywamy społeczność do uczynienia obserwacji fosforu priorytetem w przyszłych badaniach i projektach teleskopów”.

Nasze Słońce jest gwiazdą drugiej populacji, mającą około 5 miliardów lat. Jako taka ma wyższą metaliczność i zawiera pierwiastki cięższe od wodoru i helu, w tym tlen, węgiel, neon, żelazo i fosfor, choć tylko w niewielkich procentach.  Ale nawet przy niewielkim procencie fosforu astronomowie twierdzą, że zawartość fosforu jest stosunkowo wysoka.  Zdjęcie: NASA / Obserwatorium Dynamiki Słońca.

Nasze Słońce jest gwiazdą drugiej populacji, mającą około 5 miliardów lat. Jako taka ma wyższą metaliczność i zawiera pierwiastki cięższe od wodoru i helu, w tym tlen, węgiel, neon, żelazo i fosfor, choć tylko w niewielkich procentach. Ale nawet przy niewielkim procencie fosforu astronomowie twierdzą, że zawartość fosforu jest stosunkowo wysoka. Zdjęcie: NASA / Obserwatorium Dynamiki Słońca.

Katalog Hypatia może zawierać ważną lekcję. Polowanie na egzoplanety, które mogłyby wspierać życie, zwykle koncentruje się na planetach w ekosferze ich gwiazd, co ma sens. O ile nam wiadomo, żadna woda w stanie ciekłym nie oznacza życia. Ale jeśli tylko 100 z 9434 gwiazd w nim zawiera fosfor, to ten czynnik ograniczający powinien zostać użyty do sprecyzowania poszukiwań. W końcu brak fosforu może też oznaczać brak życia.

Autorzy uważają, że inny mały teleskop kosmiczny na podczerwień na orbicie okołoziemskiej mógłby załatwić sprawę. „Dlatego, aby poprawić nasze zrozumienie P i jego roli w zamieszkiwalności planety, społeczność musi opracować instrumenty, które mogą przezwyciężyć te wyzwania obserwacyjne” - piszą. „Na przykład spektrograf w podczerwieni znajdujący się na niskiej orbicie okołoziemskiej lub w kosmosie byłby w stanie uzyskać dostęp do molekularnych linii P (takich jak PS), a także do linii elementarnych, które nie są osiągalne z ziemi”.

Segment zwierciadła głównego (EDU) Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, pokryty złotem. JWST będzie miał moc pobierania widm atmosfer egzoplanet i określania ich zawartości. Ale jej moc jest potrzebna, aby odpowiedzieć na inne pytania naukowe. Może nadszedł czas na kolejny, mniejszy teleskop kosmiczny do poszukiwania fosforu w gwiazdach. Źródło: NASA / Drew Noel

Autorzy uważają, że prawdopodobnie będzie potrzebna ściślejsza współpraca między różnymi dyscyplinami naukowymi, aby rozwijać naukę o egzoplanetach. Konieczność istnienia P dla życia, w połączeniu z trudnością wykrycia go w gwiazdach, wyjaśnia to jasno. „W tym liście”, piszą, „przedstawiliśmy przykład, w którym zrozumienie z geobiologii ujawnia, że ​​P, pierwiastek dotąd niedoceniany w astrofizyce, jest niezwykle ważny dla biologii”.

„Z drugiej strony geobiolog dowiaduje się, że P jest niezwykle trudny do zmierzenia, zwłaszcza w kontekście innych bioistotnych pierwiastków. Obie części interdyscyplinarnej współpracy będą musiały współpracować, aby przyspieszyć myślenie społeczności egzoplanet i uzyskać dane potrzebne do śledzenia systemów biologicznych na egzoplanetach”.