Gyvybės paieškos kosmose: po 20 metų galbūt gyvensime daug pilnesnėje Visatoje

Pernai rugsėjį žiniasklaidą apskriejo naujiena: Veneroje aptikta gyvybė! Bent jau taip skelbė kai kurios drąsiausios antraštės. Tikslesnis pranešimas buvo toks: Veneros atmosferoje rasta fosfino dujų. Fosfinas (molekulė, susidedanti iš vieno fosforo ir trijų vandenilio atomų) įdomus tuo, kad bent jau Žemėje jo šaltiniai yra tik du: laboratoriniai ar pramoniniai procesai ir kai kurių bakterijų, gyvenančių mažai deguonies turinčioje aplinkoje, metabolizmas. Taigi išvados peršasi dvi: arba Veneroje vyksta koks nors natūralus procesas, kurio Žemėje nepasitaiko, arba ten – tiksliau, atmosferoje keliasdešimties kilometrų aukštyje virš paviršiaus – egzistuoja gyvybė.

Biopėdsakai – užuomina į gyvybę

Nors vėliau fosfino atradimas sukritikuotas ir ginčai, ar signalas realus, tebesitęsia, šis tyrimas iliustruoja pagrindinį būdą, kaip galime rasti gyvybės požymių tolimose planetose, ten nenusiuntę zondo. Tokios dujos kaip fosfinas vadinamos biopėdsakais. Biopėdsakas – tai bet koks cheminis elementas ar junginys, galintis egzistuoti planetos atmosferoje ir daugiausia išskiriamas gyvybinių procesų. Pavyzdžiui, Žemėje pagrindinis biopėdsakas yra deguonis: jei gyvybės mūsų planetoje neliktų, per kelis tūkstantmečius neliktų ir deguonies, nes visos jo molekulės sureaguotų su paviršiaus uolienomis ir taptų jų dalimi. Kitas biopėdsakas – metanas, kurį Žemėje taip pat išskiria beveik vien tik mikroorganizmų metabolizmas. Šių dujų daugiausia ieškoma ir planetose už Saulės sistemos ribų.
Tokių planetų, arba egzoplanetų, tyrimai šiandien atrodo kasdienybė, tačiau pirmoji jų aptikta prieš mažiau kaip 30 metų. 1992-aisiais paskelbtas pirmasis mokslinis straipsnis apie atrastą planetą – netgi dvi – už Saulės sistemos ribų. Tiesa, jos sukasi aplink pulsarą – mirusios žvaigždės liekaną. Dar po trejų metų planeta pirmą kartą aptikta prie pagrindinės sekos žvaigždės. Taip vadiname žvaigždes, kurios šviečia dėl centre vykstančių termobranduolinių reakcijų – kaip ir Saulė. Žvaigždė už savo planetas ryškesnė milijonus kartų, taigi pamatyti planetą šalia – labai sudėtinga, dažnai ir neįmanoma.

Planetų ieškoma dviem pagrindiniais būdais

Dauguma egzoplanetų iki šiol aptiktos netiesioginiais būdais, iš kurių pagrindiniai yra du: radialinių greičių metodas (1 pav.) ir tranzitų metodas (2 pav.). Pirmasis remiasi tuo, kad planeta orbitoje skrieja ne aplink žvaigždę, o kartu su žvaigžde sukasi aplink bendrą masės centrą. Stebėdami žvaigždę, astronomai gali užfiksuoti, kad ji kartais tolsta nuo mūsų, o kartais artėja, ir taip apskaičiuoti greta skriejančios planetos masę bei metų trukmę. Tranzitų metodas naudingas tuo atveju, kai planeta praskrieja tarp mūsų ir žvaigždės disko, jį kuriam laikui užstodama. Išmatavus, kiek tiksliai pritemsta žvaigždė (paprastai kalbame apie mažiau nei vieno procento pokytį), galima nustatyti planetos spindulį, o pamačius keletą tranzitų – ir metų trukmę.

Tranzitų metodas tinka ir biopėdsakų paieškai. Kai planeta skrieja tarp žvaigždės ir mūsų, dalį žvaigždės šviesos užstoja pati planeta, dalį – jos atmosfera. Pro atmosferą kai kurių bangos ilgių spinduliuotė prasiskverbia sunkiau nei kitų, nes įvairūs cheminiai elementai ir junginiai sugeria skirtingo ilgio fotonus. Pamatavus žvaigždės spektrą – spinduliuotės intensyvumo priklausomybę nuo bangos ilgio – tranzito metu ir atėmus iš spektro tarp tranzitų, randamas planetos atmosferos sugerties spektras, kuris parodo atmosferos sandarą.

Deguonis ne visada yra biopėdsakas

Pirmą kartą egzoplanetos – HD 209458 b – atmosferos sudėtis išmatuota 2001 m. Nenuostabu, kad planeta yra dujinė milžinė, tik truputį mažesnės masės už Jupiterį, bet 35 proc. didesnio spindulio. Ji skrieja labai arti savo žvaigždės, 20 kartų arčiau, nei Žemė yra nutolusi nuo Saulės, ir vieną ratą apsuka per pusketvirtos paros. Įkaitusi iki tūkstančio laipsnių karščio, HD 209458 b atmosfera išsipučia, todėl sugeria daug daugiau žvaigždės spindulių ir darosi lengviau ją užfiksuoti. Pirmoji atmosferos analizė atskleidė ten egzistuojant natrio atomus. Po kelerių metų pastebėta, kad atmosfera garuoja – iš jos veržiasi vandenilis, srautas su savimi išsineša ir sunkesnius anglies bei deguonies atomus.

Ar deguonies atomai HD 209458 b galėtų būti biopėdsakas? Deja, ne. Ten atrastos ne molekulės, o deguonies atomai: įkaitusioje planetoje suyra dauguma molekulių, taip pat ir tos, į kurias įeina deguonis. Be to, dujinėse milžinėse vykstančios milžiniškos audros ir žaibo išlydžiai kartais suformuoja deguonies bei ozono atomus net ir be jokio gyvybės indėlio. Tuo tarpu uolinėse planetose šie negyvybiniai procesai sukuria nykstamai mažą deguonies ar ozono molekulių kiekį.

Per artimiausius 10 metų – daug misijų

Uolinių planetų atmosferų atradimų reikėjo palaukti daugiau nei dešimtmetį. Viena vertus, jų atmosferos yra gerokai mažesnės, taigi bet kokį signalą aptikti daug sunkiau. Maža to, net ir egzistuojantį signalą dažnai sunaikina debesys ar miglos, kurių egzoplanetose, pasirodo, esama daug. Tik 2016 m. pavyko nustatyti, kad planeta Vėžio 55 e atmosferoje turi vandenilio ir helio, o štai vandens garų – ne. Vandens nebuvimas labai nestebina – ši planeta irgi skrieja labai arti savo žvaigždės, jos temperatūra siekia apie 2000 laipsnių. Vis dėlto šiek tiek keista, kad tokiame karštyje iš planetos, tik aštuonis kartus masyvesnės už Žemę, neišgaravo visas vandenilis ir helis.

Kol kas egzoplanetų atmosferų atradimų nėra itin daug. Iš viso šiuo metu išmatuota maždaug šimto egzoplanetų atmosferų sudėtis. Bet situacija netrukus gali reikšmingai pakisti. Panašiai kaip Keplerio kosminis teleskopas dešimtis kartų padidino žinomų egzoplanetų skaičių, taip artimiausiu metu darbą pradėsiantis Jameso Webbo kosminis teleskopas ir šio dešimtmečio antroje pusėje planuojamos PLATO bei ARIEL misijos turėtų dešimteriopai praplėsti žinias apie egzoplanetų atmosferas. Jei gyvybės Paukščių Take yra daug, per artėjančius dešimt metų turėtume aptikti ir pėdsakų, kuriuos ji palieka savo planetų atmosferose. Jų neaptikę galėsime gana pagrįstai teigti, kad gyvybė pasitaiko retai.

Gyvybės ieškoma ir arčiau „namų“

Gyvybės paieškos vykdomos ne tik egzoplanetose, bet ir Saulės sistemoje. Tokios paieškos turi didžiulį pranašumą: iki gretimų planetų įmanoma nusiųsti zondus – orbitinius, o kartais ir paviršinius. Tad ir gyvybės pėdsakų galima ieškoti iš daug arčiau, naudojant gerokai didesnį priemonių arsenalą. O ir vietų, kur verta vykdyti paieškas, turime nemažai: tai ir Marsas, ir Venera, ir keli didžiųjų planetų palydovai – Europa, Enceladas, Titanas.

Žemės kaimyninės planetos ne vieną šimtmetį žadino vaizduotę – filosofų, rašytojų, mokslininkų, kino kūrėjų. Dar XIX a. ir netgi XX a. pradžioje buvo gana rimtai svarstoma, kad Marso paviršių vagoja kanalai, o po Veneros debesimis driekiasi tropinės džiunglės. Vėlesnės kosminės misijos atskleidė gerokai kitokį vaizdą: sausas ir šaltas dykumas Marse bei pragarišką karštį ir slėgį Veneroje. Nieko panašaus į žemišką gyvybę ten nerasta, bet tai neatšaldė entuziazmo tęsti paieškas. Kita vertus, didžiųjų planetų palydovais susidomėta prieš kiek daugiau nei dešimtmetį, paaiškėjus, kad juose yra daug skysto vandens.

Marse buvo daug vandens

Būtent vanduo yra pagrindinis cheminis junginys, kurio egzistavimas laikomas geru ženklu ieškant gyvybės. Jis būtinas visai žemiškai gyvybei. Nors kai kurie mikroorganizmai gali ilgai išgyventi be vandens, tokiomis sąlygomis sustoja jų metabolizmas ir dauginimasis. Be to, visur Žemėje, kur randame vandens, randame ir gyvų organizmų. Natūraliai norisi tikėti, kad ši tendencija galios ir kitur. Prieš porą dešimtmečių atrodė, kad vanduo Saulės sistemoje – retenybė. Taip, joje yra daug vandens ledo, ypač išorinėse dalyse, kur ledynai dengia planetų palydovus ar sudaro didelę kometų masės dalį. Bet skystas vanduo? Buvo manoma, kad Žemė yra nedidelė oazė atšiauriame kosmose. Pastaruoju metu požiūris keičiasi.

Marsas šiuo metu yra sausesnis už Žemės dykumas. Bet taip buvo ne visada: prieš keturis milijardus metų ten tekėjo upės, tyvuliavo ežerai, plytėjo jūros. Jaunas Marsas turėjo daug tankesnę atmosferą, kurios slėgis ir kuriamas šiltnamio efektas leido skystam vandeniui išlikti paviršiuje šimtus milijonų metų. Ar per tą laiką ten galėjo užsimegzti gyvybė? O jei užsimezgė, ar galėjo kur nors išlikti iki šių dienų, gal įlindusi į popaviršinius urvus? Į šiuos klausimus bandys atsakyti NASA misija „Perseverance“ („Atkaklumas“), jau vasarį nusileidusi Jezero krateryje, kuris kadaise buvo ežero dugnas, o į jį tekanti upė sunešė daugybę nuosėdų sluoksnių. Šiuose sluoksniuose tikimasi rasti fosilijų ir kitokių praeities gyvybės pėdsakų.

Veneros paviršius – nesvetingas gyvybei

Gali būti, kad tolimoje praeityje vandens buvo ir Veneroje. Tačiau viskas radikaliai pasikeitė prieš pusę milijardo metų, kai kone visas Veneros paviršius persimainė. Gausūs ugnikalnių išsiveržimai užliejo planetą lava, išgarino vandenynus, o atmosferą pavertė pragarišku anglies dvideginio, azoto ir sieros oksido mišiniu. Tiesa, tai – tik viena hipotezė, paremta faktu, kad Veneros paviršiuje yra palyginti nedaug kraterių, o tai rodo paviršiaus uolienų jaunumą.

Kaip Venera vystėsi iš tiesų, kol kas dar toli gražu neaišku. Aišku tik tiek, kad jos paviršius tikrai nesvetingas bet kokiai gyvybei: atmosferos slėgis 90 kartų viršija žemiškąjį, o temperatūra aukštesnė nei 400 laipsnių. Bet pakilę į 50 kilometrų aukštį rastume gerokai kitokią aplinką. Ten slėgis ir temperatūra primena tokius, kokie yra Žemės paviršiuje. O ir atmosferos sudėtis, maišantis iš apačios kylantiems junginiams ir veikiant ultravioletinei Saulės spinduliuotei, atrodo palanki visokiausioms cheminėms reakcijoms, kurios galėtų užmegzti gyvybę. Fosfino signalas, minėtas straipsnio pradžioje, kaip tik aptiktas šiame atmosferos sluoksnyje. Deja, stebėjimais iš Žemės nustatyti ką nors daugiau bus sudėtinga. Didžiausią proveržį sukeltų Veneros atmosferos mėginiai, paimti tam skirtos misijos metu ir pargabenti į Žemę laboratoriniams tyrimams. Šiuo metu tokių misijų nėra planuojama, tad palaukti rezultato teks bent apie dešimtmetį.

Rastos šiltosios versmės

Jupiterio palydovas Europa astronomus sudomino XX a. pabaigoje, kai pastebėtos užuominos apie jos gelmėse egzistuojančius vandenynus. Ypač lygus Europos paviršius rodo, kad paviršiniai ledynai yra minkšti ir paslankūs – būtent tokie jie būtų, jei po jais būtų ne uolienos, o skystis. XXI a. pradžioje Europoje ir Saturno palydove Encelade aptikti geizeriai – iš gelmių į kosmosą besiveržiančios vandens čiurkšlės. Hubble‘o teleskopo nuotraukos, Cassini zondo stebėjimai skrajojant Saturno sistemoje, pakartotinė Galileo zondo duomenų, surinktų Jupiterio sistemoje 1998–2003 m., analizė atskleidė, kad geizeriai turtingi įvairių cheminių junginių. Daugelis junginių – vandenilio molekulės, amoniakas, metanas, kvarco kristalai – nelabai galėtų susiformuoti šaltame vandenyne, tačiau galėtų atsirasti prie hidroterminių versmių vandenyno dugne. Hidroterminės versmės prieš pusšimtį metų atrastos Žemės vandenynuose. Tai yra ertmės uolienose, pro kurias veržiasi Žemės gelmių šilumos įkaitintas vanduo. Aplink jas gyvena daugybė organizmų, nerandamų niekur kitur Žemėje. Kai kurie mokslininkai mano, kad būtent tokiomis sąlygomis mūsų planetoje atsirado pirmoji gyvybė. Jei hidroterminės versmės egzistuoja Europos ar Encelado gelmėse, išauga ir tikimybė ten rasti gyvybės. Ar bent jau įdomių cheminių reakcijų ir jų produktų. Europos link po kelerių metų turėtų išskristi NASA misija „Europa Clipper“, kurios vienas iš tikslų bus geriau suprasti popaviršinio vandenyno savybes. Į Enceladą irgi planuojama misijų, tačiau jos kol kas nėra oficialiai patvirtintos, taigi išskridimo verta tikėtis gal tik po dešimties metų. Skrydis ir į Jupiterį, ir į Saturną trunka ilgiau nei penkerius metus, tad reikšmingai geresnių nei dabar rezultatų teks palaukti bent jau iki ketvirtojo dešimtmečio.

Titane aptiktas skystis – ne vanduo

Greta Encelado aplink Saturną skrieja ir Titanas. Didžiulį palydovą gaubia tanki atmosfera, jame lyja lietūs, teka upės ir plyti ežerai bei jūros. Tik skystas ten ne vanduo, o metanas ir etanas – molekulės, Žemėje sudarančios gamtines dujas. Ši vieta mokslininkus masina kaip galimos alternatyvios biologijos arealas. Titano sąlygomis gali vykti daugybė cheminių reakcijų ir formuotis sudėtingi junginiai, atitinkantys įvairiausias žemiškai gyvybei būtinas medžiagas. Tai ir ląstelių membranos, ir energiją kaupiančios molekulės, ir DNR / RNR analogų pirmtakai... Toli gražu ne gyvybė, bet pakankamai įdomūs dariniai, kad juos norėtųsi tyrinėti detaliau. Apie šias Titano įdomybes sužinojome Cassini misijos metu, 2004–2017 m. Daugiau žinių sulauksime negreitai: ruošiama „Dragonfly“ misija išskris 2027-aisiais, o Saturno sistemą pasiekti turėtų ketvirtojo dešimtmečio viduryje. Iki to laiko Titano paslaptis atskleisti padės tik archyvinių Cassini misijos duomenų analizė, stebėjimai teleskopais iš Žemės bei apylinkių ir laboratoriniai eksperimentai.

Saulės sistemoje, kaip ir už jos ribų, gyvybės paieškos vis intensyvėja, nors ir palengva. Kol kas teigti, kad gyvybės kitur nei Žemėje nėra, tvirtai negalime – pernelyg didelė tikimybė, kad tiesiog dar nepakankamai gerai ieškome. Bet per 10–20 metų situacija pasikeis reikšmingai. Galbūt 2040-aisiais jausimės gyveną daug pilnesnėje Visatoje nei dabar.