Поиск внеземной жизни на далёких планетах может опираться на серьёзное упущение. Дело в том, что при расшифровке химических следов жизни, или биосигнатур, на перспективных кандидатах за пределами Солнечной системы не учитывается характер излучения самой родительской звезды. Без этого ключевого фактора поиски жизни во Вселенной рискуют превратиться в погоню за ложным следом.
Хотя астрономы уже открыли тысячи экзопланет, убедительных доказательств существования жизни ни на одной из них пока не найдено. При этом астрономия подошла к этапу, когда мощные телескопы способны детально изучать всё больше потенциально обитаемых миров. Особенно перспективны планеты у M-карликов — небольших и более холодных, чем Солнце, звёзд: когда планета проходит перед такой звездой, она перекрывает значительную долю её света, что облегчает обнаружение самой планеты и её атмосферы. Таких звёзд к тому же очень много — M-карлики являются самым распространённым типом звёзд в Млечном Пути. Однако если неверно понимать, как эти светила взаимодействуют с атмосферами планет, можно ошибочно истолковать значение наблюдений за самыми многообещающими мирами.
Наиболее изученные биосигнатуры — это метан, кислород и озон. На Земле они часто возникают в результате биологических процессов, а озон служит косвенным признаком наличия кислорода. Но даже на нашей планете молекулы, которые принято связывать с жизнью, не являются однозначным биологическим отпечатком: они могут образовываться в геологических и химических процессах, а также в атмосферных реакциях под действием солнечного света. Поэтому потенциальная биосигнатура, найденная где-то во Вселенной, — это лишь подсказка, а не доказательство жизни. Нельзя интерпретировать химические сигналы от потенциально обитаемой планеты, не понимая звезду, которая её освещает.
M-карлики испускают ультрафиолетовое излучение, способное разрывать молекулы и запускать химические реакции в атмосфере обращающейся вокруг планеты. Интенсивность и длина волны этого излучения определяют, какие молекулы образуются и сохраняются и насколько они распространены. Две планеты с одинаковыми свойствами могут получить совершенно разные атмосферы лишь потому, что их звёзды излучают ультрафиолет по-разному. Излучение звезды способно заставить одинаковый уровень биологической активности выглядеть на одной планете сильнее, чем на другой, или представить небиологическую химию как жизнь. Недавнее исследование, направленное 19 августа на сервер препринтов arXiv, показало это на полностью смоделированных планетах. Группа под руководством аспиранта по астрономии Калифорнийского университета в Санта-Крусе К. Эвана Дэвиса моделировала похожие на Землю планеты у двух разных типов M-карликов возрастом от 650 миллионов до 5 миллиардов лет.
Учёные рассматривали атмосферы, напоминающие земную в доиндустриальную эпоху с высоким содержанием кислорода, а также в архейском эоне (примерно 4–2,5 миллиарда лет назад), когда появились первые формы жизни, но кислорода в атмосфере почти не было. В моделях учитывалось обычное, «спокойное» ультрафиолетовое излучение звёзд, а не короткие вспышки. Меняя возраст и ультрафиолетовое излучение смоделированных звёзд при сопоставимых планетах, исследователи изучали, как эволюция звезды меняет атмосферу и сигналы, которые могут наблюдать астрономы. Одно из самых заметных различий проявилось в метане: смоделированные планеты с доиндустриальной атмосферой у 5-миллиардолетних M-карликов накапливали до 10 раз больше метана, чем аналогичные планеты у более молодых звёзд возрастом 650 миллионов лет, а метановые сигналы в данных были до 68% сильнее для старых систем. Более слабое ультрафиолетовое излучение старого M-карлика позволяло метану жить дольше и накапливаться в атмосферах, из-за чего планета у старой звезды могла казаться более биологически активной, хотя на деле разница объяснялась излучением светила.
Ещё более яркий результат дал озон. У смоделированных архейских планет, бедных кислородом и богатых углекислым газом (CO2), более сильное ультрафиолетовое излучение молодых M-карликов разлагало больше CO2. Это запускало реакции, создававшие кислород и озон без всякого участия жизни: в некоторых моделях атмосфер содержалось более чем в 100 000 раз больше озона, чем в аналогичных моделях у старых звёзд. Гипотетический наблюдатель мог бы принять такой сигнал озона за косвенное свидетельство биологического происхождения кислорода. Озон не бесполезен как биосигнатура, но эти расчёты показывают, что его нельзя уверенно толковать, не зная ультрафиолетовой среды, сформировавшей атмосферу. Астрономы уже понимают, что одна молекула не докажет существование жизни на экзопланете: исследователи используют модели атмосфер, ищут сочетания газов и рассматривают небиологические объяснения, прежде чем называть сигнал потенциальной биосигнатурой. Но даже лучшая модель атмосферы может ввести в заблуждение, если излучение звезды учтено неверно. Ультрафиолетовые наблюдения M-карликов остаются ограниченными, поэтому учёные часто полагаются на оценки по похожим звёздам, хотя два внешне схожих M-карлика могут давать очень разный уровень ультрафиолета. Поэтому, прежде чем наводить телескопы на перспективные экзопланеты, нужно изучать их родительские звёзды: для этого требуются повторные ультрафиолетовые наблюдения, обычно другими телескопами и приборами или в иные периоды, чем при изучении самой экзопланеты. Такие наблюдения позволяют охарактеризовать, как меняется излучение звезды со временем, а более точные оценки её возраста — вычисляемые по таким свойствам, как вращение и магнитная активность, — покажут, как это излучение эволюционировало. Затем, когда начнётся изучение экзопланеты, потенциальные биосигнатуры нужно анализировать с помощью моделей, опирающихся на точные измерения родительской звезды. Как рекомендует исследование, астрономам следует также искать сопутствующие молекулы, например угарный газ, которые могли бы показать, возник ли озон в реакциях света с углекислым газом, а не благодаря биологии. Первое убедительное открытие жизни на другой планете будет зависеть от понимания не только самой планеты, но и звезды, сформировавшей наблюдаемую нами атмосферу.