Kan främmande liv existera i metanbebodda zonen?

Inbäddad i sin tjocka filt av atmosfär närmar sig frigid Titan den lysande lemmen av Saturnus den 14 mars 2008. (Bildkredit: NASA/JPL/Space Science Institute)

Sökandet efter liv är till stor del begränsat till jakten på vatten. Vi letar efter främmande planeter på rätt avstånd från deras stjärnor för att flytande vatten ska stänka och flöda fritt på deras ytor, vi 'följer vattnet' på Mars och SETI skannar radiofrekvenser i 'vattenhålet' mellan 1,420 MHz utsläppslinjen av neutralt väte och 1,666 MHz hydroxyllinjen.

Det finns två mycket goda skäl till att vår uppmärksamhet är så starkt inriktad på vatten. För det första är det ett effektivt lösningsmedel för biologisk kemi, som tillåter molekyler att röra sig i celler, och det har egenskaper som är vänlig mot livet - en hög värmekapacitet, förmågan att förbli i flytande form över ett brett temperaturintervall och en molekylär densitet som tvingar molekyler att organisera sig, snarare än vattnet som organiserar sig runt molekylerna. För det andra är biosignaturerna för en vattenbaserad kemi mycket lättare för oss att på distans identifiera.

Dessutom är det viktigaste faktumet om vattens förhållande till livet att det är här på jorden.

'Vissa hävdar att det är det enda viktiga med vatten', säger Chris McKay från NASA: s Ames Research Center. McKay är en astrobiolog och planetvetare som specialiserat sig på att jaga främmande miljöer och sedan ställa frågan 'Kan något leva här?' snarare än att bestämma vad som är och inte är beboeligt i förväg.

'Vi lever på en planet där vatten är en vätska och vi har anpassat och utvecklats för att arbeta med den vätskan,' sa McKay. 'Livet har mycket smart använt vattnets egenskaper för att göra saker inte bara när det gäller lösning, utan för att använda den starka polariteten i lösningen till dess fördel när det gäller hydrofoba och hydrofila bindningar, och med hjälp av själva vattenstrukturen för att hjälpa till att anpassa molekyler. ' [ Extremofiler: Världens konstigaste liv ]

Antag dock att livet inte behöver begränsas till en vattenbaserad kemi; skulle vi kunna känna igen signaturerna för sådant liv och de livsmiljöer där det lever? Ur ett perspektiv verkar vatten vara en så bra match för livet eftersom det kan vara den enda matchningen; ingen annan vätska har de egenskaper eller överflöd som vatten har. Å andra sidan finns det en annan synvinkel som säger att det finns mer i historien, och att livet helt enkelt fungerar med vilket material det än har till hands.

På jorden är det materialet vatten, men på andra planeter kan det vara något annat. Och vi har redan upptäckt en annan värld i vårt solsystem där floder och sjöar är gjorda med en helt annan vätska.

En falsk färgbild av Titans yta som knäpptes av NASA: s Cassini-rymdfarkoster den 22 juli 2006. Sjöarna verkar mörkare än den omgivande terrängen på grund av det unika sättet att sprida radar, vilket liknar hur vattensjöar på jorden gör det.(Bildkredit: NASA/JPL/USGS)

Titans vätska för livet?

Saturnus, den majestätiska ringplaneten, ligger 1,4 miljarder kilometer från solen. Saturnus är en gasformig värld med en atmosfär av väte och helium, och ingen märkbar stenig yta nedanför.

Men bland dess följd av iskalla månar finns Titan, större än planeten Merkurius och inbäddad i en tät kappa av kolvätesmog som är suspenderad i sin kväverika atmosfär. Titan är den enda månen i solsystemet som är känd för att ha en atmosfär, och det har fascinerat astronomer ända sedan Gerard Kuiper upptäckte metan där 1944.

När det gemensamma NASA-European Space Agency Cassini-Huygens-uppdraget anlände till Saturnian-systemet 2004 avslöjades sanningen om Titan. Infraröda kameror och radar på Cassini visade en värld som svämmades av svarta, oljiga floder och sjöar, medan Huygens -sonden störtade genom den ogenomskinliga atmosfären för att landa på en fuktig översvämning, men inte en fuktig med vatten. [ Fantastiska Titan -bilder ]

På Titan, där temperaturen är bara 94 grader över absolut noll (minus 290 grader Fahrenheit; 179 grader Celsius) är vattnet lika fast som sten och flytande metan rinner genom floddalarna och in i polära sjöarna på hög latitud. I stället för en vattencykel har Titan en metancykel och en komplex molekylär soppa som bildas av reaktioner i den övre atmosfären mellan ultraviolett strålning från solen och metan.

Anta att livet kan existera i en miljö som denna - det skulle vara en helt ny kategori av beboelig planet, en där flytande metan ersätter flytande vatten, vilket leder till en helt annan beboelig zon, en som är längre bort från en stjärna än det flytande vattnet zon.

McKay är redan före matchen. Tillsammans med Ashley Gilliam från NASA Ames och University of California, Santa Cruz, publicerade han ett papper i tidskriften Planetary and Space Science i april som beskriver var en värld med temperaturer som är lämpliga för flytande metan kunde hittas runt en röd dvärgstjärna.

Metanvärldar

Röda dvärgar-även kallade M-dvärgar efter deras klassificering på Hertzsprung-Russell-diagrammet-är stjärnor som är mindre och svalare än vår sol. Därför är planetsystemen runt omkring dem nedskalade i enlighet därmed.

McKay och Gilliam beräknar att en planet skulle ha en yttemperatur på minus 290 grader Fahrenheit (179 grader Celsius) i en zon mellan 0,63 och 1,66 astronomiska enheter (61,5 miljoner och 154 miljoner miles, eller 99 miljoner och 248 miljoner km) runt stjärnan Gliese 581, en röd dvärg av M3-typ som ligger 20,5 ljusår bort.

Fyra planeter har redan bekräftats i omlopp kring Gliese 581, men ingen inom den flytande metanbebodda zonen. Ytterligare två planeter har hävdats existera i systemet, och en av dessa skulle falla inom zonen, vid 0,76 astronomiska enheter, men bevis för att denna värld existerar har bevisat mycket kontroversiell . Alternativt skulle den flytande metanbebodda zonen runt en kallare dvärg av M4 -typ vara ännu närmare, mellan 0,084 och 0,23 astronomiska enheter (7,8 miljoner till 21,4 miljoner miles eller 12,6 miljoner till 34,4 miljoner km).

Kalla, metandominerade världar skulle lätt kunna existera runt solliknande stjärnor, och Titan är ett bevis på det. Men det finns fördelar med att hitta dessa världar runt röda dvärgar istället. För det första gör deras små orbitalradier dem lättare att upptäcka, oavsett om de är t ransits eller via radiell hastighet Doppler skiftar. För det andra är Titans atmosfär ogenomskinlig för blått och ultraviolett ljus, men transparent för rött och infrarött ljus, och röda dvärgar producerar mer av det senare än det förra. Om Titan kretsade runt en röd dvärg, skulle mer rött ljus sippra igenom till dess yta, värma planeten och utöka räckvidden för den flytande metanbebodda zonen.

(Intressant nog, a röd jätte , som ligger nära slutpunkten i livscykeln för en solliknande stjärna, ger ljus med liknande röda våglängder. När vår sol expanderar till en uppblåst röd jätte om cirka fem miljarder år, som uppslukar alla planeterna upp till jorden och möjligen Mars, kan Titan mycket väl dra nytta - åtminstone en kort stund, innan den röda jätten puffar iväg för att lämna efter sig en vit dvärgstjärna.)

Röda dvärgar är också ofta mycket magnetiskt aktiva och upplever stora stjärnbländningar som avger kraftiga utbrott av ultraviolett strålning. Även om dessa facklor inte ska irreversibelt skada exoplanetatmosfärer, enligt forskning som leds av Antigona Segura vid Universidad Nacional Autonoma de Mexico, kan de ha en annan typ av inverkan på Titan-esque atmosfärer, separera molekyler för att skapa en dis som vi ser omsluter Saturnus största måne. Ju mer aktiv den röda dvärgen är, desto mer disig blir atmosfären på en Titan-liknande planet. Och ju tjockare dis, desto kallare yta och ju närmare stjärnan måste den flytande metanbebodda zonen vara.

Större eller mindre dis skulle också förändra det yttre utseendet på en sådan värld. Om vi ​​en dag ska leta efter beboeliga planeter i den flytande metanbebodda zonen måste vi veta hur de kommer att se ut, liksom vilka biosignaturer vi ska leta efter. Det är här som den främsta stötesten ligger.

'Vi vet bara inte vilka tecken på liv som skulle vara i en sådan atmosfär eftersom det skiljer sig så mycket från vårt,' säger Lisa Kaltenegger, som forskar om beboeliga exoplaneter vid Max Planck Institute i Tyskland och vid Harvard –Smithsonian Center for Astrophysics. 'Som sagt, det kommer att förändras snabbt om Chris [McKay] hittar liv på Titan och kan berätta vad det producerar och vad vi kan leta efter på distans med ett teleskop.' [ 5 Djärva påståenden om främmande liv ]

Planets banor i Gliese 581 -systemet jämförs med vårt eget solsystem. Gliese 581 -stjärnan har cirka 30 procent massan av vår sol, och den yttersta planeten är närmare sin stjärna än vi är mot solen. Gliese 581d kanske kan hålla flytande vatten på ytan.(Bildkredit: Zina Deretsky, National Science Foundation)

Bevis på liv

McKay har redan några förslag och, tantalizingly, det kan till och med finnas stödjande bevis från Titan. År 2005 publicerade han ett papper med Heather Smith från International Space University i Strasbourg, som bygger på arbete av Steven Benner vid University of Florida, som beskriver hur metanbaserade livsformer på Titan ('metanogener') kan konsumera väte, acetylen och etan och andas ut metan istället för koldioxid. Om en sådan livsform existerade kan den avslöja sig genom en utarmning av väte, acetylen och etan vid ytan.

Otroligt nog är detta vad studier av den här månen faktiskt har visat, men McKay själv är tveksam till att dessa mätningar nödvändigtvis betyder att det finns liv på Titan. Han pekar snarare på andra, mer sannolika förklaringar, inklusive misstag i modelleringen av Titans atmosfär som dessa mätningar delvis härleds från, till okända fysiska processer som förekommer på Titan som inte är relaterade till liv. När det gäller att använda denna formel för att söka efter liv någon annanstans, är utarmningen av väte, acetylen och etan på ytan av en disig planet inte gynnsam för fjärrspektroskopisk avbildning från många ljusår bort.

'Det är inte klart att vi skulle kunna se utarmningen av väte över interstellära avstånd,' sa McKay. 'På jorden är naturligtvis den stora biosignaturen som är synlig över interstellära avstånd uppbyggnaden av syre, men inte ens det är en entydig indikator för liv, för under större delen av jordens historia har det funnits liv men ingen uppbyggnad av syre.'

Ändå har Jonathan Lunine från University of Arizona spekulerat i att det finns många fler exotitaner än exo-jordar där ute. Om McKay har rätt om metanbaserat liv, skulle sådana livsmiljöer kunna överstiga många planeter med vattenbaserat liv. Problemet är att de kalla temperaturerna i vilka flytande metan finns skulle resultera i livsformer med mycket långsamma metabolism. Livet skulle vara trögt. Finns det något sätt det kan värmas upp?

'Du måste påkalla mycket tryck för att hålla metanvätska vid varmare temperaturer,' sa Kaltenegger. 'Och ​​om du tänker efter är det mycket vatten och kol. Så om du gör planeten varmare är det mycket mer sannolikt att du får koldioxid än metan, och metan skulle gå ur sin vätskefas så att du inte skulle ha trippelpunkten [där för en given temperatur och tryck kan ett material existera som en vätska, fast eller gas] som vattnets trippelpunkt på jorden. ' [De konstigaste främmande planeterna]

Denna illustration visar alla 1 235 av de potentiella främmande planetkandidaterna som NASA: s Kepler -uppdrag hittat hittills. Planeterna är avbildade som korsar framför sina värdstjärnor, som alla är representerade i skala.(Bildkredit: Jason Rowe och Kepler -teamet)

Andra lösningar

Om varm flytande metan inte kommer på tal, vilka andra potentiella substitut för vatten finns det? Vätefluorid kommer nära egenskaperna hos flytande vatten, men fluor är relativt sällsynt i universum och det är därför osannolikt att det spelar någon stor roll i livet. Vanligare är salt: om temperaturen är tillräckligt varm blir salter flytande.

'Jag kan tänka mig en värld där det finns natriumkloridvätska och salt är på något sätt grunden för livet', sa McKay, men han medger att det är spekulativt. I stället för att lägga för mycket tid på främmande idéer tror han att det är bättre att först leta efter miljöerna och sedan fråga: Kan något leva där?

Kaltenegger delar samma filosofi. 'Först måste vi ta reda på med hjälp av modeller vad som krävs för att en planet ska vara beboelig, och sedan tittar vi på data som kommer in om sådana världar och ser hur långt vi kan sträcka ut den beboeliga definitionen.'

Men av de nästan 700 exoplaneter som bekräftats hittills (räknas inte alla obekräftade kandidatvärldar upptäckt av NASA: s Kepler -uppdrag), bara två är potentiellt lämpliga för flytande vatten, och det är bara under förutsättning att förhållandena på själva planeterna är perfekta. När det gäller flytande metan, utan några hårda data om egenskaperna hos metanbaserat liv, kommer astronomer att ta fel på försiktighetens sida. Även McKay gynnar fortfarande att leta efter vattenbaserat liv och livsmiljöer.

Vi vet att vatten fungerar; det är något vi förstår, sa han. 'Även om jag hävdar att vi bör överväga flytande metan, vet vi inte att det fungerar. I den meningen gissar vi fortfarande. '

Vi kan fortsätta gissa tills nästa uppdrag till Titan , vilket kanske inte händer förrän på 2030 -talet. Precis som jorden är mallen för vattenbaserade livsmiljöer, är Titan mallen för metanbaserade livsmiljöer. Men om det inte kan visas liv där, kommer flytande metanbebodda zoner alltid att passeras över till förmån för vattniga zoner. Tyvärr kanske vi saknar en stor del av livet under processen.

Denna berättelse tillhandahålls av Astrobiology Magazine , en webbaserad publikation sponsrad av NASA astrobiologiprogrammet .