Wypatrujemy, nasłuchujemy, węszymy

"Wiemy, gdzie patrzeć i jak patrzeć", deklarowała Stofan. "A skoro jesteśmy na właściwej ścieżce, to nie ma żadnych powodów, aby wątpić, że znajdziemy to, czego szukamy." Przedstawiciele agencji nie sprecyzowali, jakie dokładnie ciało niebieskie mają na myśli. Z ich wypowiedzi wynika, że może to być np. Mars, inny obiekt w Układzie Słonecznym lub jakaś egzoplaneta, choć w tym ostatnim przypadku trudno zakładać zdobycie rozstrzygających dowodów zaledwie w ciągu jednego pokolenia. Na pewno odkrycia z ostatnich lat i miesięcy wskazują na jedno: wody - i to w stanie ciekłym, jaki uznaje się za niezbędny warunek do powstania i utrzymania organizmów żywych - jest w Układzie słonecznym sporo.

„Do 2040 r. odnajdziemy życie pozaziemskie”, wtóruje NASA w swoich rozlicznych medialnych wypowiedziach Seth Shostak z Instytutu SETI. Nie mówi jednak o kontakcie z obcą cywilizacją - w ostatnich latach fascynowały nas bowiem zamiast tego kolejne odkrycia samych tylko przesłanek występowania życia, jak np. zasobów ciekłej wody w ciałach Układu Słonecznego, śladów zbiorników i cieków wodnych na Marsie czy występowania ziemiopodobnych planet w strefach życia gwiazd. Słyszymy więc o warunkach sprzyjających życiu i o śladach, najczęściej chemicznych. Różnica pomiędzy czasem obecnym a tym, co działo się w tym względzie kilka dekad temu, polega na tym, że teraz śladów, oznak i warunków życia nie wyklucza się w nieomal żadnym miejscu, nawet na Wenus, czy we wnętrzach odległych księżyców Saturna.

Rośnie liczba narzędzi i technik służących do wykrywania tak definiowanych tropów. Doskonalimy techniki obserwacji, nasłuchu i detekcji, w różnych zakresach fal. Ostatnio też wiele mówi się o szukaniu śladów chemicznych, sygnatur życia, nawet wokół bardzo dalekich gwiazd. To właśnie nasze "węszenie".

Wielka chińska czasza

Narzędzia mamy coraz większe i czulsze. We wrześniu 2016 r. do użytku oddany został gigantyczny chiński radioteleskop FAST, którego zadaniem będzie poszukiwanie oznak życia na innych planetach. Naukowcy z całego świata wiążą z jego działaniem duże nadzieje. „Będzie zdolny do szybszych i dalszych obserwacji niż kiedykolwiek wcześniej w historii pozaziemskich badań”, mówił Douglas Vakoch, przewodniczący METI International, organizacji skupiającej się na poszukiwaniu obcych form inteligencji. Pole widzenia FAST będzie dwukrotnie większe od teleskopu Arecibo w Puerto Rico, który przez ostatnie 53 lata cieszył się w tym względzie prymatem.

Czasza FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) ma 500 m średnicy. Składa się z 4450 trójkątnych paneli wykonanych z aluminium. Zajmuje powierzchnię porównywalną do trzydziestu boisk piłkarskich. Do pracy potrzebuje kompletnej ciszy w promieniu 5 km, dlatego z okolicznych terenów zostało przesiedlonych prawie 10 tys. osób. Radioteleskop jest położony w naturalnym basenie, w pięknej scenerii zielonych formacji krasowych w południowej prowincji Guizhou.

Zanim jednak FAST zacznie właściwy nasłuch w poszukiwaniu cywilizacji pozaziemskich, trzeba będzie go najpierw odpowiednio skalibrować. Pierwsze dwa lata jego pracy poświęcone będą więc głównie wstępnym badaniom i regulacji.

Milioner i fizyk

Jednym z głośniejszych w ostatnim czasie projektów poszukiwania inteligentnego życia w kosmosie jest przedsięwzięcie brytyjskich i amerykańskich naukowców wspieranych przez rosyjskiego miliardera Jurija Milnera. Na badania, które mają trwać co najmniej dziesięć lat, ów biznesmen i fizyk przeznaczył 100 mln dol. „W ciągu jednego dnia będziemy zbierać tyle danych, ile inne tego typu programy gromadziły w rok”, zapowiada Milner. Zaangażowany w projekt fizyk Stephen Hawking twierdzi, że poszukiwania mają sens, skoro odkryto już tak wiele planet pozasłonecznych. „Jest w kosmosie tak dużo światów i cząsteczek organicznych, że istnienie tam życia wydaje się prawdopodobne”, komentował. Projekt nazwany Breakthrough Listen będzie największym jak do tej pory naukowym badaniem poszukującym oznak inteligentnego życia poza Ziemią. Prowadzony przez zespół naukowców z University of California w Berkeley będzie mieć szeroki dostęp do dwóch najpotężniejszych teleskopów świata: Green Bank w Wirginii Zachodniej oraz Parkes Telescope w australijskiej Nowej Południowej Walii.

Milner przedstawił przy okazji jeszcze jedną inicjatywę, nazwaną Breakthrough Message. Zobowiązał się oto do wypłacenia 1 mln dol. nagrody temu, kto stworzy specjalną cyfrową wiadomość przeznaczoną do wysłania w kosmos, możliwie najlepiej reprezentującą ludzkość i Ziemię. I to wcale nie koniec pomysłów duetu Milner-Hawking. Niedawno media doniosły bowiem o projekcie Breakthrough Starshot, który polegać miałby na wysłaniu do układu gwiazdy Alfa Centauri nanosondy napędzanej laserowo, osiągającej szybkość… jednej piątej prędkości światła!

Kosmiczna chemia

Nic tak nie krzepi poszukiwaczy życia w kosmosie jak odkrycia dobrze znanych nam „swojskich” substancji chemicznych w odległych rejonach przestrzeni. Choćby obłoków pary wodnej „wiszących” w przestrzeni kosmicznej. Kilka lat temu natrafiono na taki obłok wokół kwazaru PG 0052+251. Według obecnej wiedzy, to największy ze wszystkich znanych nam rezerwuarów wody w kosmosie. Dokładne obliczenia wskazują, że gdyby całą tę parę wodną skroplić, byłoby jej 140 bilionów razy więcej niż wody we wszystkich ziemskich oceanach. Masa odkrytego wśród gwiazd „zbiornika wody” wynosi 100 tys. razy więcej niż masa Słońca. Sam fakt występowania gdzieś wody nie oznacza oczywiście istnienia tam życia. Po to, by ono zakwitło, musi być spełnionych wiele różnych warunków.

O astronomicznych „znaleziskach” organicznych substancji w odległych obszarach kosmosu słyszymy ostatnio całkiem często. W 2012 r. np. uczeni odkryli w odległości około tysiąca lat świetlnych od nas hydroksyloaminę, która składa się z atomów azotu, tlenu i wodoru, a po połączeniu z innymi cząsteczkami jest teoretycznie w stanie tworzyć struktury życia na innych planetach.

Organiczne związki w protoplanetarnym dysku, krążącym wokół gwiazdy MWC 480

Cyjanek metylu (CH₃CN) i cyjanoacetylen (HC₃N), które znajdowały się w protoplanetarnym dysku, krążącym wokół gwiazdy MWC 480, odnalezione w 2015 r. przez badaczy z amerykańskiego Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), to kolejna poszlaka wskazująca na możliwość zaistnienia w przestrzeni kosmicznej chemii stwarzającej szanse na biochemię. Dlaczego te związki są tak ważnym odkryciem? Były one obecne w naszym Układzie Słonecznym w momencie, kiedy na Ziemi formowało się życie, a bez nich prawdopodobnie nasz świat nie wyglądałby tak jak dzisiaj. Sama gwiazda MWC 480 jest dwa razy cięższa od naszej gwiazdy i znajduje się o ok. 455 lat świetlnych od Słońca, czyli niedużo w porównaniu do odległości spotykanych w kosmosie.

Niedawno zaś, w czerwcu 2016 r., badacze z zespołu, do którego należy m.in. Brett McGuire z Obserwatorium NRAO oraz profesor Brandon Carroll z Caltechu, zauważyli w kosmosie ślady złożonych cząsteczek organicznych należących do tzw. cząsteczek chiralnych. Chiralność przejawia się w tym, że cząsteczka wyjściowa i jej odbicie lustrzane nie są identyczne i, podobnie jak wszystkie inne obiekty chiralne, nie można ich nałożyć na siebie na drodze translacji i obrotu w przestrzeni. Chiralność to cecha wielu związków naturalnych - cukrów, białek i nie tylko. Do tej pory nie dostrzegliśmy żadnego z nich poza Ziemią.

Opisywane odkrycia nie oznaczają, że w kosmosie powstaje życie. Niemniej sugerują, że mogą tam się utworzyć przynajmniej niektóre cząsteczki potrzebne do jego narodzin, a później dostać się na planety wraz z meteorytami oraz innymi obiektami.

Barwy życia

Zasłużony Teleskop Kosmiczny Kepler przyczynił się do odkrycia grubo ponad stu planet podobnych do Ziemi oraz liczonych w tysiące kandydatek na egzoplanety. Od 2017 r. NASA planuje wykorzystać kolejny teleskop kosmiczny, następcę Keplera, Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS. Jego zadaniem będzie wyszukiwanie planet pozasłonecznych metodą tranzytu (czyli przechodzących przez tarczę macierzystych gwiazd). Wystrzelenie go na wysoką eliptyczną orbitę okołoziemską pozwoli dokonać przeglądu całego nieba, w poszukiwaniu planet krążących wokół jasnych gwiazd w naszym najbliższym sąsiedztwie. Misja potrwa prawdopodobnie dwa lata, w trakcie których przebadanych zostanie około pół miliona gwiazd. Uczeni spodziewają się odkryć dzięki temu kilkaset planet podobnych do Ziemi. Kolejne powstające instrumenty, takie jak np. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (James Webb Space Telescope), mają śledzić i wgłębiać się w dokonane już odkrycia, sondować atmosfery i poszukiwać chemicznych wskazówek, które mogłyby stanowić trop do znalezienia później życia.

Projekt Transiting Exoplanet Survey Satellite - wizualizacja

Jednak o ile wiadomo z grubsza, jakie są tzw. biosygnatury życia (np. występowanie tlenu i metanu w atmosferach), o tyle nie wiadomo, które z tych chemicznych sygnałów z odległości dziesiątek i setek lat świetlnych definitywnie przesądzają sprawę. Naukowcy zgadzają się, że występowanie tlenu i metanu jednocześnie to silna przesłanka do istnienia życia, gdyż nie są znane procesy inne niż życiowe, które wytwarzałyby oba te gazy jednocześnie. Jak się okazuje jednak, sygnatury takie mogą zostać zakłócone przez prawdopodobnie krążące wokół egzoplanet (tak jak wokół większości planet Układu Słonecznego) egzoksiężyce. Jeśli bowiem atmosfera księżyca zawiera metan, a planety - tlen, to nasze przyrządy (na obecnym etapie ich rozwoju) mogą połączyć je w jedną sygnaturę tlenowo-metanową, bez dostrzeżenia egzoksiężyca.

Fioletowa Ziemia

Może jednak powinniśmy szukać nie po śladach chemicznych, lecz po kolorze? Wielu astrobiologów jest zdania, że jednymi z pierwszych mieszkańców naszej planety były halobakterie. Mikroby te absorbowały zielone widmo promieniowania i zamieniały je na energię. Odbijały natomiast promieniowanie fioletowe, dzięki czemu nasza planeta oglądana z kosmosu miała właśnie taką barwę.

Do pochłaniania światła zielonego halobakterie wykorzystywały retinal, czyli purpurę wzrokową, który można znaleźć w oku kręgowców. Z czasem na naszej planecie zaczęły jednak dominować bakterie wykorzystujące chlorofil, który pochłania światło fioletowe, a odbija zielone. To właśnie dlatego Ziemia wygląda, jak wygląda. Astrobiolodzy przypuszczają, że w innych systemach planetarnych halobakterie mogą rozwijać się dalej, dlatego sugerują poszukiwania życia na fioletowych planetach.

Obiekty tego właśnie koloru najprawdopodobniej będzie w stanie dostrzec wspomniany Teleskop Jamesa Webba, którego start jest planowany na 2018 r. Takie obiekty będą jednak możliwe do obserwacji pod warunkiem, że nie znajdą się zbyt daleko od Układu Słonecznego, a centralna gwiazda układ planetarnego będzie na tyle nieduża, by nie zakłócać innych sygnałów.

Innymi pierwotnymi organizmami na egzoplanecie podobnej do Ziemi byłyby wg wszelkiego prawdopodobieństwa porosty i algi. Ponieważ oznacza to charakterystyczne ubarwienie powierzchni, zarówno lądu jak i wód, należałoby wypatrywać określonych barw sygnalizujących życie. Nowa generacja teleskopów powinna rejestrować światło odbijane przez egzoplanety, co pozwoliłoby poznać ich kolorystykę. W przypadku Ziemi obserwowanej z kosmosu widać np. sporą dawkę promieniowania w bliskiej podczerwieni, które pochodzi od chlorofilu w roślinności. Tego rodzaju sygnały odebrane z okolic gwiazdy otoczonej egzoplanetami byłyby wskazówką, że „tam” też coś może rosnąć. Zieleń sugerowałaby to jeszcze silniej. Planeta pokryta prymitywnymi porostami jawiłaby się w odcieniu żółci.

Żółte porosty

Skład atmosfer egzoplanet naukowcy określają na podstawie wspominanego wyżej tranzytu. Metoda ta umożliwia bowiem badanie składu chemicznego atmosfery planety. Światło przechodzące przez górne warstwy atmosfery zmienia swoje widmo - analiza tego zjawiska dostarcza informacji o występujących tam pierwiastkach.

Naukowcy z University College w Londynie i Uniwersytetu Nowej Południowej Walii opublikowali w 2014 r., na łamach czasopisma „Proceedings of the National Academy of Sciences”, opis nowej, dokładniejszej metody analizy występowania na nich metanu, najprostszego z gazów organicznych, którego obecność powszechnie uznaje się za oznakę potencjalnego życia. Niestety, dotychczasowe modele opisujące zachowanie metanu są dalece niedoskonałe, dlatego ilość metanu w atmosferze odległych planet jest zwykle niedoszacowana. Z pomocą najbardziej zaawansowanych superkomputerów, udostępnionych przez projekt DiRAC (Distributed Research utilising Advanced Computing) i Uniwersytet w Cambridge, przeprowadzono symulację ok. 10 mld linii spektralnych, które mogą wiązać się z pochłanianiem promieniowania przez cząsteczki metanu w temperaturze sięgającej nawet 1220°C. Nowa lista linii, ok. 2 tys. razy obszerniejsza od dotychczasowych, pozwoli lepiej badać zawartość metanu w bardzo szerokim przedziale temperatury.

Metan sygnalizuje możliwość istnienia życia, natomiast inny, znacznie nam droższy gaz - tlen - okazuje się nie być wcale gwarantem obecności życia. Gaz ten na Ziemi pochodzi głównie od fotosyntetyzujących roślin i glonów. Tlen to jedna z podstawowych sygnatur życia. Jednak zdaniem naukowców potraktowanie obecności tlenu jako równoznacznika obecności organizmów żywych może być błędem.

Ostatnie badania ujawniły dwa przypadki, w których wykrycie tlenu w atmosferze odległej planety może dawać fałszywy wskaźnik obecności życia. W obu z nich tlen powstał w wynik produkcji pozabiotycznej. W jednym z przeanalizowanych scenariuszy światło ultrafioletowe, pochodzące z gwiazdy mniejszej od Słońca, może uszkadzać obecny w atmosferze egzoplanety dwutlenek węgla, uwalniając z niego cząsteczki tlenu. Symulacje komputerowe wykazały, że rozpad CO₂ daje nie tylko O₂, ale i duże ilości tlenku węgla (CO). Jeżeli gaz ten jest silnie wykrywany obok tlenu w atmosferze egzoplanety, może wskazywać to na fałszywy alarm. Inny scenariusz dotyczy gwiazd o małej masie. Emitowane przez nie światło sprzyja tworzeniu krótkotrwałych cząsteczek O₄. Ich detekcja obok O₂ także powinna zapalić lampkę alarmową astronomom.

Modele cząsteczek metanu

W poszukiwaniu metanu i innych śladów

Podstawowa metoda tranzytu o samej planecie mówi niewiele. Da się za jej pomocą określić jej rozmiar i odległość od gwiazdy. Technika pomiaru prędkości radialnej może pomóc określić jej masę. Połączenie dwóch metod pozwala obliczyć gęstość. Czy można jednak wejrzeć dokładniej w egzoplanetę? Okazuje się, że tak. NASA umie już przyjrzeć się lepiej takim planetom, jak Kepler-7 b, dla którego z wykorzystaniem teleskopów Kepler i Spitzer opracowano mapę chmur w atmosferze. Okazało się, że ta planeta jest zdecydowania za gorąca dla form życia, jakie znamy - panuje tam bowiem skwar od 816 do 982°C. Jednak sam fakt tak dokładnego jej opisania to wielki krok naprzód, zważywszy, że mówimy o świecie oddalonym od nas o sto lat świetlnych.

Z pomocą przychodzi także optyka adaptatywna, stosowana w astronomii w celu wyeliminowania zaburzeń powodowanych drganiami atmosfery. Używanie jej polega na sterowaniu teleskopem przez komputer dla uniknięcia lokalnych odkształceń zwierciadła (rzędu kilku mikrometrów), co koryguje błędy w otrzymywanym obrazie. Tak działa Gemini Planet Imager (GPI) umiejscowiony w Chile. Po raz pierwszy instrument uruchomiono w listopadzie 2013 r. GPI stosuje detektory podczerwieni, które są na tyle skuteczne, że mogą rejestrować spektrum świetlne tak ciemnych i odległych obiektów, jakimi są egzoplanety. Dzięki temu uda się dowiedzieć więcej na temat ich składu. Jako jeden z pierwszych celów obserwacyjnych wybrano planetę Beta Pictoris b. W tym przypadku GPI działa trochę podobnie do słonecznego koronografu, czyli przesłania tarczę odległej gwiazdy, aby wydobyć jasność znajdującej się w pobliżu planety.

Kluczem do obserwacji „śladów życia” jest światło pochodzące od gwiazdy, wokół której krąży planeta. Przechodzące przez atmosferę egzoplanety pozostawia specyficzny ślad, który można mierzyć z Ziemi przy pomocy metod spektroskopowych, czyli analizy promieniowania emitowanego, pochłanianego lub rozpraszanego przez obiekt fizyczny. Podobne podejście można zastosować, aby badać powierzchnie egzoplanet. Jednak jest jeden warunek. Powierzchnie muszą odpowiednio mocno absorbować lub rozpraszać światło. Dobrymi kandydatami są w tym przypadku planety parujące, czyli takie, których wierzchnie warstwy unoszą się, tworząc dużą chmurę pyłu.

Jak się okazuje, potrafimy już rozpoznawać z dużej odległości również takie elementy, jak zachmurzenie planety. Istnienie gęstego woalu chmur wokół egzoplanet GJ 436b i GJ 1214b zostało wywnioskowane na podstawie analiz spektroskopowych światła macierzystych gwiazd. Obie planety zaliczane są do kategorii tzw. super-ziemi. GJ 436b położona jest 36 lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Lwa. GJ 1214b znajduje się w konstelacji Wężownika, 40 lat świetlnych od nas.

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) pracuje obecnie nad satelitą, którego zadaniem będzie dokładne charakteryzowanie i poznawanie budowy znanych już egzoplanet (CHEOPS). Start tej misji zapowiadany jest na 2017 r. NASA z kolei chce w przestrzeń wysłać w tym samym roku wspomnianego już satelitę TESS. W lutym 2014 r. Europejska Agencja Kosmiczna zatwierdziła zaś misję PLATO, związaną z wysłaniem w kosmos teleskopu zaprojektowanego do poszukiwań ziemiopodobnych planet. Według aktualnego planu wystartować ma w 2024 r. i szukać skalistych obiektów z zawartością wody. Te obserwacje powinny pomóc również w poszukiwaniu egzoksiężyców - na podobnej zasadzie, jak wykorzystano do tego dane z Keplera.

Europejska ESA rozwijała przed laty program Darwin. NASA miała podobny „przeszukiwacz planet” TPF (Terrestrial Planet Finder). Celem obu projektów było badanie planet o rozmiarach podobnych do ziemskich pod kątem obecności w atmosferze gazów sygnalizujących warunki przyjazne życiu. Oba polegały na śmiałych wizjach tworzenia sieci kosmicznych teleskopów współpracujących w poszukiwaniach ziemiopodobnych egzoplanet. Dekadę temu technologie nie były jeszcze wystarczająco rozwinięte i programy zamknięto, jednak nie wszystko poszło w niwecz. Bogatsze o doświadczenia NASA i ESA pracują obecnie razem nad wspomnianym Kosmicznym Teleskopem Webba. Dzięki jego wielkiemu 6,5-metrowemu zwierciadłu możliwe będzie badanie atmosfer dużych planet. Pozwoli to astronomom wykrywać ślady chemiczne tlenu i metanu. To już będą konkretne informacje o atmosferach egzoplanet - kolejny etap uszczegółowiania wiedzy o tych odległych światach.

W NASA pracują rozmaite zespoły nad kolejnymi alternatywami badawczymi w tej dziedzinie. Jednym z takich mniej znanych i będących na wczesnym jeszcze etapie projektów jest StarShade. Chodziłoby w nim o zacienienie światła gwiazdy czymś na kształt parasola, aby na jego obrzeżach dało się obserwować planety. Przez analizę długości fal można będzie określać składniki ich atmosfer. NASA oceni projekt w tym lub w przyszłym roku i zdecyduje, czy podejmie się realizacji tej misji. Jeśli ruszy, to w 2022 r.

Cywilizacje na peryferiach galaktyk?

Wykrywanie śladów wskazujących na istnienie życia oznacza skromniejsze aspiracje niż poszukiwanie całych cywilizacji pozaziemskich. Wielu badaczy, w tym również Stephen Hawking, to ostatnie odradza - ze względu na potencjalne zagrożenia dla ludzkości. W poważnych kręgach zazwyczaj nie wspomina się o żadnych obcych cywilizacjach, kosmicznych braciach czy inteligentnych istotach. Gdybyśmy jednak chcieli szukać zaawansowanych kosmitów, to niektórzy badacze też mają koncepcje, jak zwiększyć szanse ich znalezienia.

Np. astrofizyk Rosanne Di Stefano z Uniwersytetu Harvarda twierdzi, że zaawansowane cywilizacje mieszkają w gęsto upakowanych gromadach kulistych na obrzeżach Drogi Mlecznej. Badaczka przedstawiła swoją teorię na dorocznym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Kissimmee na Florydzie na początku 2016 r. Tę dość kontrowersyjną hipotezę Di Stefano uzasadnia faktem, że na skraju naszej galaktyki znajduje się ok. 150 starych i stabilnych kulistych gromad, które stanowią dobry grunt do rozwoju jakiejkolwiek cywilizacji. Ściśle upakowane gwiazdy mogą oznaczać wiele leżących blisko siebie systemów planetarnych. Tak wiele gwiazd zbitych w kule to dobry teren, żeby z powodzeniem przeskakiwać z jednego miejsca na drugie, zachowując zaawansowane społeczeństwo. Bliskość gwiazd w gromadach mogłaby być korzystna dla podtrzymania życia, twierdzi Di Stefano.