U posljednjih nekoliko desetljeća astronomi su potvrdili postojanje tisuća planeta izvan našeg Sunčevog sustava. S vremenom se proces pomaknuo od otkrića do karakterizacije u nadi da će se pronaći koja od ovih planeta može podržati život. Zasad su ove metode neizravne prirode, što znači da astronomi mogu zaključiti samo ako je planet nastanjiv na temelju toga koliko jako nalikuje Zemlji.
Da bi pomogli u lovu na "potencijalno useljive" egzoplanete, tim Cornellovih istraživača nedavno je stvorio pet modela koji predstavljaju ključne točke u evoluciji Zemlje. Ti „snimci“ onoga kako je izgledala Zemlja tijekom različitih geoloških epoha mogli bi uvelike poboljšati potragu za izvanzemaljskim životom pružajući cjelovitiju sliku kako život može izgledati na planeti.
Studija koja se nedavno pojavila u Pisma astrofizičkog časopisa, vodila je Lisa Kaltenegger - izvanredna profesorica astronomije na Sveučilištu Cornell i direktorica Instituta Carl Sagan (CSI). Koristeći prethodne geološke epohe kao smjernicu, Kaltenegger i njezin tim razvili su spektralne predloške koji će pomoći teleskopi nove generacije u lovu na planete slične Zemlji.
To uključuje i James Webb svemirski teleskop (JWST) i Svemirski infracrveni svemirski teleskop (WFIRST), koji će se u svemir uputiti 2021. i 2024. godine. Kao što je Kaltenegger objasnio u nedavnom priopćenju za CSI:
"Ove nove generacije svemirskih i zemaljskih teleskopa u kombinaciji s našim modelima omogućit će nam da identificiramo planete poput naše Zemlje na udaljenosti od oko 50 do 100 svjetlosnih godina."
„Koristeći vlastitu Zemlju kao ključni, modelirali smo pet različitih Zemljinih epoha kako bismo pružili predložak kako možemo okarakterizirati potencijalnu egzo-Zemlju - od mlade, prebiotičke Zemlje do našeg modernog svijeta. Modeli nam također omogućuju da istražimo u kojem bi trenutku Zemljine evolucije daleki promatrač mogao prepoznati život u „blijedoplavim točkama“ i drugim svjetovima poput njih. “
Da bi sve to razbili, astronomi su trenutno ograničeni na traženje planeta koji nalikuju Zemlji, uglavnom zato što je Zemlja jedini poznati planet koji podržava život. Međutim, uvjeti koje danas vidimo na Zemlji samo su jedan snimak onoga što je naš planet izgledao s vremenom. U prošlosti su se zemaljska geologija i atmosfera znatno razlikovali, što je igralo vitalnu ulogu u evoluciji zemaljskog života.
Za potrebe svoje studije, Kaltenegger i njezin tim stvorili su atmosferske modele koji odgovaraju onome što je izgledala Zemlja prije 3,9 milijardi godina. Ta "prebiotička Zemlja" imala je atmosferu koja je bila sastavljena uglavnom od ugljičnog dioksida. Drugi model, "anoksična zemlja", prikazuje kako je naš planet izgledao prije 3,5 milijardi godina, kada atmosfera nije bila kisika.
Tri druga modela otkrivaju tranziciju Zemlje koja je učinjena u sadašnjost, a koja je uključivala porast fotosintetskih organizama (prije oko 3,5 milijarde godina) i „Veliki događaj oksigenacije“ (prije otprilike 2,4 do 2 milijarde godina). Tijekom tih epoha, kisik se u našoj atmosferi postupno dizao iz koncentracije od 0,2% do današnje razine od 21%. Kao što je rekao Kaltenegger:
„Naša Zemlja i zrak koji udišemo drastično su se promijenili otkako je Zemlja nastala prije 4,5 milijarde godina, i prvi put se ovaj rad bavi kako astronomi koji pokušavaju pronaći svjetove poput našeg, kako bi uočili mlade na moderne planete slične Zemlji u tranzitu, koristeći našu vlastitu povijest Zemlje kao predložak. "
Iako još uvijek nije poznato kada je Zemlja postigla atmosferu s obilnim kisikom, ovi modeli pružaju okvir za atmosferske karakteristike prisutne na Zemlji prije nekoliko milijardi godina. Na temelju ovih predložaka, egzoplanete s atmosferskom razinom manjom od 1% kisika vjerojatno će pokazati znakove nastajanja biologije, ozona i metana.
Pored svemirskih teleskopa poput JWST i WFIRST, zemaljskih teleskopa poput ESO-ovih ekstremno velikih teleskopa (ELT), tridesetmetarskog teleskopa (TMT) i divovskog Magellanovog teleskopa (GMT). Ovi teleskopi će pomoću svoje visoke osjetljivosti i prilagodljive optike moći provesti izravno snimanje udaljenih egzoplaneta i karakterizirati njihovu atmosferu.
Pomoću ovih instrumenata astronomi će moći gledati kao manje, stjenovite egzoplanete sa čvršćim orbitama (aka. Planete slične Zemlji) dok prolaze ispred svojih zvijezda domaćina (što je poznato i kao Metoda tranzita). Kad se to dogodi, sunčeva će svjetlost proći kroz njihovu atmosferu i proizvesti spektar koji će astronomi koristiti za utvrđivanje kakvih kemikalija postoje.
"Jednom kada egzoplanet prođe i blokira dio svoje zvijezde domaćina, moći ćemo dešifrirati njene atmosferske spektralne potpise", rekao je Kaltenegger. "Koristeći zemaljsku geološku povijest kao ključ, lakše možemo uočiti kemijske znakove života na udaljenim egzoplanetima."
Ako je zemaljska geološka povijest bilo koji pokazatelj, planete koje su sposobne podržati kroz život prolaze kroz neke ozbiljne prijelaze, dijelom zato što nastanak života utječe na evoluciju planeta. U tom pogledu, kvalifikatori poput „zemaljski“ i „potencijalno useljivi“ imaju vremensku dimenziju, koja uključuje vremenski raspon uvjeta.
