Medir as atmosferas de outros mundos para ver se há nutrientes suficientes para a vida

Um gráfico da NASA explicando como um telescópio pode medir a atmosfera de um exoplaneta usando espectroscopia. Crédito:NASA/JPL-Caltech/Lizbeth B. De La Torre

A vida na Terra depende de seis elementos críticos:carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre. Esses elementos são chamados de CHNOPS e, junto com vários micronutrientes e água líquida, são o que a vida precisa.

Os cientistas estão conseguindo detectar exoplanetas que podem ser quentes o suficiente para ter água líquida em suas superfícies, o sinal mais básico de habitabilidade. Mas agora, eles estão tentando melhorar seu jogo, encontrando CHNOPS em atmosferas de exoplanetas.

Estamos apenas no início da compreensão de como os exoplanetas poderiam sustentar vida. Para aumentar a nossa compreensão, precisamos de compreender a disponibilidade do CHNOPS nas atmosferas planetárias.

Um novo artigo postado no arXiv servidor de pré-impressão examina o problema. É intitulado “Restrições de habitabilidade pela disponibilidade de nutrientes em atmosferas de exoplanetas rochosos”. O autor principal é Oliver Herbort, do Departamento de Astrofísica da Universidade de Viena e pós-doutorado da ARIEL. O artigo foi aceito pelo International Journal of Astrobiology .

No nosso nível tecnológico atual, estamos apenas começando a examinar as atmosferas dos exoplanetas. O JWST é nossa principal ferramenta para a tarefa e é bom nisso. Mas o JWST está ocupado com outras tarefas. Em 2029, a ESA lançará o ARIEL, o grande levantamento atmosférico de exoplanetas infravermelhos com detecção remota. ARIEL se concentrará exclusivamente nas atmosferas de exoplanetas.

Antecipando a missão desse telescópio, Herbort e os seus colegas investigadores estão a preparar-se para os resultados e o que eles significam para a habitabilidade. “A própria compreensão detalhada dos planetas torna-se importante para a interpretação das observações, especialmente para a detecção de bioassinaturas”, escrevem. Em particular, estão a examinar a ideia de biosferas aéreas. “Nosso objetivo é entender a presença desses nutrientes em atmosferas que mostram a presença de condensados de nuvens de água, potencialmente permitindo a existência de biosferas aéreas”.

Nosso planeta irmão Vênus tem uma superfície insustentável. O calor e a pressão extremos tornam a superfície do planeta inabitável por qualquer medida que possamos determinar. Mas alguns cientistas propuseram que poderia existir vida na atmosfera de Vénus, com base em grande parte na detecção de fosfina, um possível indicador de vida. Este é um exemplo de como seria uma biosfera aérea.

“Este conceito de biosferas aéreas amplia as possibilidades de habitabilidade potencial desde a presença de água líquida na superfície até todos os planetas com nuvens de água líquida”, explicam os autores.

Os autores examinaram a ideia de biosferas aéreas e como a detecção de CHNOPS as influencia. Eles introduziram o conceito de níveis de disponibilidade de nutrientes nas atmosferas dos exoplanetas. Na sua estrutura, a presença de água é necessária independentemente da disponibilidade de outros nutrientes. “Consideramos qualquer atmosfera sem condensação de água como inabitável”, escrevem eles, um aceno à primazia da água. Os pesquisadores atribuíram diferentes níveis de habitabilidade com base na presença e na quantidade de nutrientes CHNOPS.

Para explorar a sua estrutura de disponibilidade de nutrientes, os investigadores recorreram a simulações. As atmosferas simuladas continham diferentes níveis de nutrientes, e os pesquisadores aplicaram seu conceito de disponibilidade de nutrientes. Seus resultados visam compreender não a habitabilidade, mas o potencial químico para a habitabilidade. A atmosfera de um planeta pode ser alterada drasticamente pela vida, e esta pesquisa visa compreender o potencial atmosférico para a vida.

Esta tabela da pesquisa ilustra o conceito dos autores sobre a disponibilidade de nutrientes atmosféricos. Como mostra a linha superior, sem água nenhuma atmosfera é habitável. Diferentes combinações de nutrientes têm diferentes potenciais de habitabilidade. 'vermelho' significa redox e 'ox' significa a presença do estado oxidado de CO₂ , NÃO_x e SO₂ . Crédito:Herbort et al 2024

“Nossa abordagem não visa diretamente a compreensão das bioassinaturas e atmosferas dos planetas, que são habitados, mas das condições em que a química pré-biótica pode ocorrer”, escrevem. Em seu trabalho, a concentração atmosférica mínima para que um nutriente esteja disponível é 10⁹ , ou um ppb (parte por bilhão).

"Descobrimos que, para a maioria das atmosferas, em pontos (gás p, gás T), onde a água líquida é estável, as moléculas contendo o SNC estão presentes em concentrações acima de 10⁹ ", escrevem eles. Eles também descobriram que o carbono está geralmente presente em todas as atmosferas simuladas e que a disponibilidade de enxofre aumenta com a temperatura da superfície. Com temperaturas de superfície mais baixas, o nitrogênio (N₂ , NH₃ ) está presente em quantidades crescentes. Mas com temperaturas superficiais mais altas, o nitrogênio pode se esgotar.

O fósforo é uma questão diferente. “O elemento limitante dos elementos CHNOPS é o fósforo, que está principalmente presente na crosta planetária”, escrevem. Os autores destacam que, em tempos passados, na atmosfera terrestre, a escassez de fósforo limitou a biosfera.

Uma biosfera aérea é uma ideia interessante. Mas não é o principal impulso dos esforços dos cientistas para detectar atmosferas de exoplanetas. A vida na superfície é o seu Santo Graal. Não deveria ser surpresa que ainda se trata de água líquida, considerando todas as coisas. “Semelhante a trabalhos anteriores, os nossos modelos sugerem que o factor limitante para a habitabilidade na superfície de um planeta é a presença de água líquida”, escrevem os autores. No seu trabalho, quando a água superficial estava disponível, o CNS estava disponível na baixa atmosfera perto da superfície.

Mas as águas superficiais desempenham vários papéis na química atmosférica. Pode ligar-se a alguns nutrientes em algumas circunstâncias, tornando-os indisponíveis, e noutras circunstâncias, pode torná-los disponíveis.

“Se houver água disponível na superfície, os elementos não presentes na fase gasosa são armazenados nos condensados da crosta”, escrevem os autores. O intemperismo químico pode então torná-los disponíveis como nutrientes. "Isso fornece um caminho para superar a falta de fósforo e metais atmosféricos, que são usados em enzimas que impulsionam muitos processos biológicos."

Isto complica as coisas em mundos cobertos por oceanos. Moléculas pré-bióticas podem não estar disponíveis se não houver oportunidade para a água e as rochas interagirem com a atmosfera. “Se de facto for possível demonstrar que a vida pode formar-se num oceano aquático sem qualquer terra exposta, esta restrição torna-se mais fraca e o potencial para a habitabilidade da superfície torna-se principalmente uma questão de estabilidade da água”, escrevem os autores.

Alguns dos modelos são surpreendentes por causa da água líquida atmosférica. “Muitos dos modelos mostram a presença de uma zona de água líquida nas atmosferas, que está separada da superfície. Estas regiões podem ser de interesse para a formação de vida em formas de biosferas aéreas”, escrevem Herbort e seus colegas.

Se há algo que pesquisas como esta mostram é que as atmosferas planetárias são extraordinariamente complexas e podem mudar drasticamente ao longo do tempo, às vezes por causa da própria vida. Esta pesquisa faz algum sentido na tentativa de entender tudo. Enfatizando a complexidade está o fato de os pesquisadores não incluírem a radiação estelar em seu trabalho. Incluir isso tornaria o esforço difícil.

A questão da habitabilidade é complicada, confundida pela nossa falta de respostas às questões fundamentais. A crosta de um planeta precisa estar em contato com a água e a atmosfera para que os nutrientes CHNOPS estejam disponíveis? A Terra tem uma biosfera aérea temporária. As biosferas aéreas podem ser uma parte importante da habitabilidade dos exoplanetas?

Mas, além de todas as simulações e modelos, por mais poderosos que sejam, o que os cientistas mais precisam é de mais dados. Quando o ARIEL for lançado, os cientistas terão muito mais dados com os quais trabalhar. Pesquisas como essa ajudarão os cientistas a entender o que o ARIEL encontra.

Mais informações: Oliver Herbort et al, Restrições de habitabilidade pela disponibilidade de nutrientes em atmosferas de exoplanetas rochosos, arXiv (2024). arxiv.org/abs/2404.04029
Fornecido por Universe Today

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