Descobrir exoplanetas é quase rotina agora. Encontrámos mais de 5.500 exoplanetas e o próximo passo é estudar as suas atmosferas e procurar bioassinaturas. O Telescópio Espacial James Webb está liderando esse esforço. Mas em algumas atmosferas de exoplanetas, os relâmpagos podem dificultar o trabalho do JWST, obscurecendo algumas bioassinaturas potenciais e amplificando outras.



A detecção de bioassinaturas nas atmosferas de planetas distantes é repleta de dificuldades. Eles não anunciam sua presença e os sinais que recebemos das atmosferas dos exoplanetas são complicados. Novas pesquisas acrescentam outra complicação ao esforço. Diz que os relâmpagos podem mascarar a presença de coisas como o ozono, uma indicação de que pode existir vida complexa num planeta. Também pode amplificar a presença de compostos como o metano, que é considerado uma bioassinatura promissora.

A nova pesquisa é intitulada “O efeito dos relâmpagos na química atmosférica de exoplanetas e potenciais bioassinaturas” e foi aceita para publicação na revista Astronomy and Astrophysics. . Está disponível no arXiv servidor de pré-impressão. O autor principal é Patrick Barth, pesquisador do Instituto de Pesquisa Espacial da Academia Austríaca de Ciências.

Embora tenhamos descoberto mais de 5.500 exoplanetas, apenas 69 deles estão em zonas potencialmente habitáveis ​​em torno das suas estrelas. São planetas rochosos que recebem energia suficiente das suas estrelas para potencialmente manter água líquida nas suas superfícies. Nossa busca por bioassinaturas está focada neste pequeno número de planetas.

O próximo passo importante é determinar se estes planetas têm atmosferas e qual é a composição dessas atmosferas. O JWST é o nosso instrumento mais poderoso para esses fins. Mas para compreender o que o JWST nos mostra em atmosferas distantes, temos de saber o que os seus sinais nos dizem. Pesquisas como essa ajudam os cientistas a se prepararem para as observações do JWST, alertando-os sobre potenciais falsos positivos e bioassinaturas mascaradas.

Em suas pesquisas, os autores combinaram experimentos de laboratório com modelagem fotoquímica e de transferência radiativa. As atmosferas podem ser extraordinariamente complexas e é provável que não existam dois exoplanetas que tenham as mesmas qualidades atmosféricas. Mas a física e a química ditam o que pode acontecer, e os modelos fotoquímicos e de transferência radiativa podem lidar com milhares de tipos diferentes de reações químicas em atmosferas.

Nos experimentos de laboratório, a descarga de faíscas substituiu o raio. Os pesquisadores se concentraram em atmosferas contendo N₂ , CO₂ e H₂ e os diferentes produtos produzidos pelos raios. Outras pesquisas fizeram o mesmo, mas este trabalho é diferente. Pesquisas anteriores focaram em produtos individuais ou apenas em um pequeno número de produtos. Mas Barth e seus colegas ampliaram esse trabalho. Eles estudaram a produção de uma ampla variedade de produtos químicos.

Isso permitiu-lhes “…investigar tendências nas nossas experiências relativas ao estado de oxidação dos produtos dos raios e à influência do vapor de água”, explicam. "Em particular, estávamos interessados ​​no efeito dos relâmpagos na produção de potenciais (anti-)bioassinaturas no contexto das observações atuais e futuras de atmosferas exoplanetárias."

Os pesquisadores descobriram que o efeito dos raios nas bioassinaturas depende do tipo de atmosfera e da quantidade de raios. Eles analisaram dois grandes tipos de atmosferas:redutoras e oxidantes. Uma atmosfera redutora não contém oxigênio ou outros gases oxidantes e não pode produzir compostos oxidados. Uma atmosfera oxidante é o oposto. Ele contém oxigênio, que produz compostos oxidados.

Seus resultados mostram que, para um planeta com águas superficiais e condições habitáveis, com uma atmosfera ligeiramente redutora ou ligeiramente oxidante, é menos provável que os raios produzam falsos positivos. Os autores prevêem que "... para o tipo de atmosfera aqui estudada, os raios não são capazes de produzir um NH₃ falso positivo ou CH₄ bioassinatura." Eles dizem que também é improvável que um raio possa produzir um falso positivo N₂ Ó bioassinatura.

Mas o raio produziu alguns compostos, incluindo CO e NO. Os pesquisadores usaram as taxas de produção de ambos os produtos químicos para calcular como as taxas de relâmpagos afetam a composição química da atmosfera. Em seguida, aplicaram esse modelo a planetas do tamanho da Terra nas zonas habitáveis ​​do Sol e ao TRAPPIST-1 para atmosferas óxicas e anóxicas. Eles conduziram simulações desses cenários em planetas com e sem biosferas. Eles também calcularam os espectros simulados desses mundos para identificar assinaturas químicas.

Seus resultados? “Descobrimos que os relâmpagos não são capazes de produzir uma anti-bioassinatura de CO falso-positiva em um planeta habitado”, explicam os autores. "Em uma atmosfera rica em oxigênio, no entanto, as taxas de relâmpagos apenas algumas vezes maiores que as da Terra moderna podem mascarar o O₃ bioassinatura [ozônio]."

Mas em outras situações, os raios podem evitar falsos positivos. Na atmosfera anóxica de um planeta orbitando uma antiga anã vermelha, relâmpagos mais frequentes que os da Terra podem remover um tipo de falso positivo confuso.

"Da mesma forma, em uma atmosfera anóxica e abiótica de um planeta orbitando uma anã M tardia, relâmpagos com taxas de flash dez vezes ou mais do que a da Terra moderna podem remover a característica abiótica de ozônio produzida pelo CO₂ fotólise, evitando a detecção de bioassinatura falso-positiva", explicam. Dizer que é complicado é um eufemismo.

Há ainda outra reviravolta. Os relâmpagos podem não impedir outros falsos positivos importantes. "… um raio pode não ser capaz de impedir todos os O₂ falsos positivos cenários para CO₂ -planetas terrestres ricos orbitando anãs M ultrafrias", escrevem os autores.

Aqueles com olho para a ironia podem notar alguns aqui. Os cientistas têm certeza de que os relâmpagos desempenharam um papel na vida na Terra, fornecendo a faísca energética que fez a bola rolar. Mas o facto de os relâmpagos também poderem tornar mais difícil a descoberta de vida é algo irónico.

Mas a ironia é uma invenção humana. A natureza não se importa. Ele faz o que faz e cabe a nós descobrir isso.

“Em resumo, o nosso trabalho fornece novas restrições para a caracterização completa dos processos atmosféricos e superficiais em exoplanetas”, concluem os autores.

Mais informações: Patrick Barth et al, O efeito dos relâmpagos na química atmosférica de exoplanetas e potenciais bioassinaturas, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.13682
Informações do diário: arXiv , Astronomia e Astrofísica

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