Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Pod vodíkovým nebem

Publikováno: Vesmír 95, 290, 2016/5

Planety hmotnější než ta naše, takzvané „superzemě“, jsou nejčastějšími souputníky hvězd. V jejich atmosférách často převládá vodík. Může na nich existovat život? A pokud ano, mohli bychom jej nalézt?

Rozdělení planet na plynné obry s masivními atmosférami lehkých plynů a terestrické (kamenné) planety s atmosférami tvořenými těžšími molekulami bylo dlouho považováno za obecné pravidlo. Pokrok ve výzkumu exoplanet z něj však učinil spíše lokální kuriozitu. Prozatím nejhojnější hmotnostní třídou exoplanet jsou totiž tělesa ležící svou hmotností někde mezi oběma extrémy. Ačkoli jsou často označována jako „superzemě“, nemalá část z nich má rozsáhlou atmosféru obsahující pravděpodobně i vodík a héelium.

Ukazuje se, že potenciál planety pro udržení vodíkové atmosféry je dán nejen tradičně uvažovanými parametry, tedy hmotností a teplotou, ale též působením UV záření a hvězdného větru, produkovaného její mateřskou hvězdou. I mezi zdánlivě slibnými „zeměmi“ a „superzeměmi“ určitě najdeme řadu těles s vodíkovou atmosférou, jejíž chemismus se naší Zemi podobat rozhodně nebude. Musí to ale nutně znamenat, že jsou takové planety pro život nevhodné?

Američtí geofyzikové Raymond Pierrehumbert a Eric Gaidos zjistili, že vodík je účinný skleníkový plyn, který navíc (na rozdíl od vodní páry a oxidu uhličitého) nemá tendenci při nízkých teplotách vymrzat. Vhodně hustá vodíková atmosféra proto dokáže udržet na povrchu planety příjemnou teplotu v libovolné vzdálenosti od hvězdy. Planeta ve vzdálenosti 2 AU (2× vzdálenější od Slunce než Země) by si vystačila s vodíkem při tlaku 1 bar, okolo 6 AU (za drahou Jupitera) by již musela mít 10 barů a v 15 AU (mezi Saturnem a Uranem) 100 barů. Při ještě hustší atmosféře by se teplota vhodná ke koupání udržela dokonce i na planetě, která žádnou hvězdu neobíhá, pokud má dostatek geotermálního tepla.1)

Živý termostat

Vodík v atmosférách kamenných planet může být prvotní, nasbíraný gravitací planety z okolní pramlhoviny. Dokonce i tělesa hmotnosti Měsíce si takovou atmosféru mohou dočasně nalapat – záleží ale na jejich gravitaci, teplotě a „agresivitě“ mateřské hvězdy, zda si ji uchovají delší dobu. Může ale vzniknout i geochemicky, například reakcí vody s železem nebo s redukovanými minerály (serpentinizace). Bohužel neznáme žádný geologický proces, který by planetám zajišťoval vodíkové atmosféry „šité na míru“ potřebám živých organismů, zatímco u planet podobných Zemi může být skleníkový efekt zprostředkovaný CO2 termostaticky regulován.

Zajímavé je, že život (pokud na takové planetě vznikne) si může „podříznout větev, na které sedí“. Pokud by sopky na planetě uvolňovaly CO2 a pokud by se na jejím povrchu objevily organismy živící se podobně jako naše metanogenní bakterie, tedy slučováním H2 a CO2 na vodu a metan, mohly by odčerpáním vodíku způsobit klimatický kolaps.2)

Optimističtěji se na roli života dívá americký geofyzik Dorian Abbot. Za příznivých okolností by totiž biosféra mohla být sama sobě termostatem a regulovat složení atmosféry k vlastnímu prospěchu – a to díky tomu, že organismy obecně mají tendenci měnit intenzitu svého metabolismu v závislosti na teplotě. Například zmínění metanogenové by odčerpávali vodík z atmosféry, ale klesající teplota by tuto jejich podvratnou činnost nakonec zabrzdila. Na planetě, kde by byl vodík stále doplňován geologickou činností (nebo která by byla vystavena zvyšujícímu se oslunění), by byla nastolena dynamická rovnováha. Naopak na planetě, která by ztrácela vodík únikem do kosmu, by zamrznutí mohlo být oddáleno aktivitou organismů vodík generujících.3) Přítomnost „biologického termostatu“ na planetách zcela nepodobných Zemi je jistě fascinující možností.

Jak život odhalit?

Snad již brzy budeme mít k dispozici kosmické teleskopy, které budou schopny spektrálně proměřit složení atmosfér exoplanet. Spektrální detekce plynů produkovaných životem by nicméně nebyla snadná a jednoznačná ani u planet podobajících se Zemi, natož u těch zcela odlišných.

Planetoložka Sara Seagerová z MIT a spoluautoři si v publikaci z roku 2013 posvítili na možnost dálkové detekce života právě na planetách s vodíkovou atmosférou.4) Zabývali se především tím, jaké životní strategie by mohly místní organismy používat, jaké plyny by při tom uvolňovaly a jak efektivně by tyto plyny byly likvidovány přirozenými procesy v atmosféře. Při zvážení realistických možností budoucích přístrojů se potom snažili odhadnout, nakolik představitelné by bylo vytvoření detekovatelné koncentrace daného plynu biosférou. Je zajisté nesnadné činit odhady kvality a kvantity „zažívacích produktů“ mimozemských organismů na exotické planetě, na druhé straně chemie je univerzální stejně jako hlad organismů po energii, takže určitá vodítka takové modelování přinést může.

První skupinou metabolických reakcí, na které se Sara Seagerová a její kolegové zaměřili, jsou pochody, při nichž organismus získává energii. Například člověk může oxidovat organické molekuly kyslíkem na vodu a CO2. Co si ovšem počít na planetě, kde je hlavní složkou atmosféry vodík? Logickou volbou pro místní organismy by bylo zprostředkovávat reakce oxidovaných molekul s vodíkem. Pozemské organismy to umějí: organické molekuly nebo CO2 redukují vodíkem na vodu a metan (metanogenní bakterie) anebo redukují oxidované formy síry na sirovodík (bakterie redukující síru). Bohužel sirovodík ani metan nejsou na planetě s vodíkovou atmosférou dobrými biomarkery – v místních podmínkách by snadno vznikaly i abioticky.

Zajímavější možnosti skýtá jiný prvek: dusík. Molekuly amoniaku jsou teplem (v sopkách) nebo ultrafialovým zářením (v atmosféře) snadno konvertovány na obyčejný molekulový dusík N2 a tato reakce probíhá pouze jednosměrně. Organismus, který by dokázal z dusíku a vodíku zpětně vytvářet amoniak, by dosáhl energetického zisku – a zároveň by poskytl nádherný biomarker v podobě amoniaku. Seagerová nazvala svoji „modelovou“ planetu „Cold Haber World“ (chladný Haberův svět), na počest Haberovy (či též Haberovy-Boschovy) reakce – průmyslového procesu, při němž z dusíku a vodíku vzniká amoniak. Fritz Haber a Carl Bosch byli prvními chemiky, kteří tuto reakci zvládli. Fakt, že se tak stalo teprve počátkem 20. století a jejich počin byl oceněn Nobelovou cenou, ukazuje, že rozbití molekul N2 není nic snadného. To nese pro astrobiology jednu zprávu dobrou a jednu špatnou.

Dobrá zpráva je, že amoniak by byl i při poměrně rozumné produkci snadno zaznamenatelný a jeho abiotická syntéza je téměř vyloučena. I kdyby se na povrchu planety povaloval katalyzátor v podobě kovového železa, musela by teplota dosáhnout 550 °C, aby začal vznikat spontánně. Přítomnost tak vysokých teplot by zřejmě nebylo obtížné vyloučit, stejně jako jiné možné zdroje falešně pozitivních výsledků.

Špatná zpráva je, že „haberovský“ metabolismus nemá žádný známý pozemský precedens. Není vyloučeno, že by popsaná reakce mohla probíhat za enzymové katalýzy i při pokojové teplotě, bakterie (ani chemici) to však zatím neumějí. Některé organismy sice umějí rozbíjet N2 v procesu dusíkové fixace, dělají to ale proto, aby si opatřily dusík nutný pro syntézu organických molekul, a energeticky za to draze platí. „Haberovský“ krok, tedy reakci mezi dusíkem a vodíkem, nezprostředkovává žádný – možná proto, že volného vodíku je na Zemi málo, a tudíž se taková specializace nevyplatí. Je to tedy případ opravdu „mimozemské“ životní strategie, která by dávala smysl jen v (pro nás) exotických podmínkách.

Život zvládnuvší Haberovu-Boschovu syntézu za pokojové teploty by ovšem s velkou pravděpodobností snížil koncentraci buď vodíku, nebo dusíku, dokud by se příslušný plyn pro něj nestal limitující živinou. Činnost „haberovských“ organismů by snadno mohla být významným faktorem ve vývoji planetárního klimatu díky vyčerpávání skleníkově působícího vodíku. Vznikla by mezi živými a neživými systémy rovnováha a případně podobný termostatický mechanismus, jaký navrhl Dorian Abbot pro metanogenezi?

Další možnosti

Jako druhý typ biomarkerů si Seagerová a kol. zvolili vedlejší produkty syntézy organických molekul. Co si pod tím představit? Pokud jste rostlina a potřebujete získat organické molekuly na bázi uhlíku z oxidu uhličitého a vody, bude vaším odpadním produktem nejspíše kyslík. V atmosféře bohaté na vodík ale bude zdrojem uhlíku spíš metan a nejlogičtějším odpadem vodík. Jenže ve vodíkové atmosféře se biologicky vytvářený vodík hledá poněkud obtížně.

Třetí velkou skupinou biomarkerů jsou plyny, které život syntetizuje z nějakých specifických důvodů, ačkoli z toho energeticky „nic nemá“ (metylchlorid, dimetylsulfid, karbonylsulfid, sirouhlík, snad i oxid dusný nebo fosfan). Tyto biomarkery jsou degradovány hlavně fotochemicky (UV zářením a následnými radikálovými reakcemi), a to jak v ovzduší pozemském, tak i hypotetickém vodíkovém. Charakter mateřské hvězdy je proto jedním z nejdůležitějších faktorů, který rozhodne o tom, zda mimozemskou biosféru zaznamenáme. Chladná a málo aktivní hvězda generující minimum UV záření je v tomto ohledu nejlepší nadějí, protože v atmosféře jejích planet by se mohly biogenní plyny snáze nahromadit a dosáhnout pozorovatelných koncentrací.

A proč právě vodíkem bohatá atmosféra by mohla být při pokusech o detekci exo-biosféry klíčová? Zaprvé může být na „superzemích“ typická. Je sice možné, že v budoucnu objevíme vzdálené „země“ v podobném či snad ještě větším počtu jako dnes „superzemě“, větší planety ale vždy budou představovat snazší pozorovací cíl. Vodíkové atmosféry jsou navíc lehčí, a proto rozsáhlejší než atmosféry pozemského typu. Při studiu spektra planety přecházející přes hvězdný disk proto produkují mnohem silnější signál.

Pokud bychom nalezli planetu ze všech hledisek ideální (blízkou „superzemi“ s rozsáhlou atmosférou, obíhající neaktivního červeného trpaslíka, a navíc obydlenou dostatečně produktivní biosférou), mohl by se tak o detekci biomarkerů postarat již v blízké budoucnosti dalekohled Jamese Webba. Nedávno se navíc objevila fascinující možnost, že těleso hmotnější než Země by se mohlo skrývat i na periferii naší vlastní sluneční soustavy, což by dokonce otevíralo naději na jeho přímý průzkum.

Poznámky

1) Stevenson D. J.: Nature, DOI: 10.1038/21811.

2) Pierrehumbert R., Gaidos E.: The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.1088/2041-8205/734/1/L13.

3) Abbot D. S.: The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.1088/2041-8205/815/1/L3.

4) Seager S. a kol.: The Astrophysical Journal, DOI: 10.1088/0004-637X/777/2/95, Seager S. a kol.: The Astrophysical Journal, DOI: 10.1088/0004-637X/775/2/104.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201605_290-291.pdf (262 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky