То, что мы можем обнаружить озон в атмосфере других планет, не означает, что там есть жизнь. Озоновый слой — признак жизни на Земле, но его обнаружение на Венере показывает, что он может образовываться и абиотическим путём. Это указывает на то, что существуют разные пути его образования не только на Венере, но и на других экзопланетах, похожих на Венеру.
Мы знаем, что озон в атмосфере Земли является биосигнатурой, потому что мы знаем историю Земли. Возможно, жизнь зародилась на нашей планете всего через четыреста или пятьсот миллионов лет после её формирования. Сначала жизнь была ограничена океанами. Суша была недоступна для простых форм жизни на Земле, потому что ультрафиолетовое излучение Солнца беспрепятственно достигало поверхности.
Затем, около трёх миллиардов лет назад, кое-что изменилось: появились фотосинтезирующие организмы.
Эти организмы вырабатывали избыток кислорода в процессе получения энергии и выделяли его в атмосферу. Кислород очень реакционноспособен, и сначала он соединялся с элементами земной коры, образуя минералы. Сейчас кислород является самым распространённым элементом в земной коре. Когда мы добываем такие вещества, как железо и титан, мы добываем их оксиды.
Земная кора долгое время поглощала кислород. Затем, около 2,5 миллиардов лет назад, началось Великое событие, связанное с оксигенацией. В результате Великого события, связанного с оксигенацией, в мелководных морях и атмосфере Земли стало больше свободного кислорода. Появление озонового слоя — прямое следствие Великого события, связанного с оксигенацией.
Когда молекулярный кислород (O2) появился в атмосфере, он подвергся воздействию мощной ультрафиолетовой энергии Солнца. В результате фотодиссоциации молекулы распались на отдельные атомы (O). Поскольку атомы кислорода реакционноспособны, они быстро соединяются с молекулами O2, образуя озон (O3). Этот процесс непрерывен, озон постоянно образуется и разрушается, уменьшая количество ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли. Благодаря озоновому слою жизнь смогла колонизировать сушу.
На фоне истории Земли обнаружение озона в атмосфере Венеры вызвало значительный интерес. Озоном считалась атмосферная биологическая сигнатура, особенно в сочетании с водяным паром и кислородом.
Космический аппарат ESA «Венера-Экспресс» находился на орбите Венеры почти 8 лет, пока его миссия не завершилась в 2014 году. Он обнаружил озон в мезосфере Венеры, переходной области между тропосферой и термосферой планеты. Известно, что мезосфера динамична, в ней происходят фотохимические процессы, наблюдаются сложные ветровые потоки и колебания температуры.
Впервые об озоне было сообщено в статье 2011 года, а в статье 2021 года ему было уделено больше внимания. Ни в одной из статей не утверждалось, что его наличие указывает на наличие жизни на Венере. Однако учёные считают озон биосигнатурой и способом различать разные типы экзопланет. Проблема в том, что атмосфера, похожая на земную, и атмосфера, похожая на венерианскую, могут казаться одинаковыми с большого расстояния, и обе находятся в обитаемой зоне Солнца. В этом отношении считалось, что озон — хороший способ их различить.
Новое исследование, которое будет опубликовано в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества», показывает, что озон на Венере и озон в атмосферах планет в обитаемых зонах далёких звёзд не являются надёжными индикаторами жизни. Исследование называется «Абиотический озон в наблюдаемых атмосферах Венеры и экзопланет, похожих на Венеру,» и его ведущим автором является Робб Колдер, аспирант Института астрономии Кембриджского университета.
«Озон является потенциальным биомаркером и средством различения экзопланет, похожих на Землю, и экзопланет, похожих на Венеру, из-за его связи на Земле с кислородом (O), образующимся в результате фотосинтеза», — пишут авторы. «Однако наличие озона в наблюдаемой атмосфере Венеры, планеты, на которой не обнаружена жизнь, повышает вероятность ложноположительных результатов по биомаркерам озона на экзопланетах, похожих на Венеру».
В своём исследовании авторы использовали фотохимическую модель для изучения озона в мезосфере Венеры. В основе исследования лежит вопрос: существуют ли другие химические пути образования озона не только на Венере, но и на экзопланетах?
Атмосфера Венеры содержит лишь незначительные следы озона. «O3 был обнаружен над облачным слоем Венеры в концентрациях от 0,1 до 1 промилле», — пишут авторы. Озоновый слой был обнаружен на ночной стороне Венеры, хотя другие исследователи обнаружили его в ещё более низких концентрациях на дневной стороне. Интересно, что фотохимические модели предсказывали его наличие ещё до того, как он был обнаружен.
Для образования озона необходим кислород. Предыдущие исследователи предполагали, что за обнаружением озона стоят атомы кислорода, образующиеся на дневной стороне планеты, а затем переносимые ветрами на ночную сторону.
Однако модель Колдера и его коллег показывает, что это не так. Для этого также должно было бы быть больше O2, чем наблюдалось. Даже когда они меняли химический состав нижних слоёв атмосферы, её тепловую структуру и звёздный поток, не образовывалось достаточно озона, чтобы объяснить наличие озона на Венере.
«Эти результаты указывают на то, что за образование озона в мезосфере ночной стороны Венеры отвечает неизвестный в настоящее время химический процесс», — пишут авторы. Это та часть, которая действительно важна.
Если неизвестный нам химический процесс может приводить к образованию озона, то его обнаружение на экзопланете не является надёжным биологическим признаком.
«Если говорить об экзопланетах, похожих на Венеру, то известная нам химия также не способна производить озон в том количестве, которое наблюдается в мезосфере Венеры», — пишут авторы. «Однако до тех пор, пока не будет выяснено происхождение озона на Венере, мы не можем исключать, что производство озона в концентрациях, наблюдаемых с помощью JWST, будет распространено в абиотических мирах, похожих на Венеру. Эта возможность ограничивает полезность озона как в качестве хабсигн, так и в качестве биссигн».
Природа не облегчает нам задачу по определению пригодности экзопланет для жизни. На Земле озон является безошибочным индикатором жизни. Это исследование показывает, что существует по крайней мере ещё один путь образования озона, не требующий наличия жизни.
«Понимание механизма, ответственного за образование O3 в атмосфере Венеры, необходимо для точного прогнозирования концентрации O3 в верхних слоях атмосферы экзопланеты, похожей на Венеру, поскольку наши результаты показывают, что ни один из традиционных химических процессов, рассмотренных в этом исследовании, сам по себе не может привести к наблюдаемым концентрациям O3 в верхних слоях атмосферы», — пишут авторы в заключении.
Однако не всё потеряно. Как только этот механизм или путь будет обнаружен на Венере, учёные смогут лучше интерпретировать его обнаружение на других экзопланетах, похожих на Венеру, в зависимости от того, как он был обнаружен.
«Этот сценарий делает ложное срабатывание O3 менее вероятным для миссий с прямой визуализацией, таких как HWO и LIFE, но остаётся возможным для спектроскопии пропускания с помощью JWST», — заключают авторы.