Новая технология поможет ученым точнее интерпретировать данные об атмосферах далеких миров и отличать признаки возможной жизни от процессов, имеющих исключительно геологическое или химическое происхождение.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале The Planetary Science Journal. Ученые создали комплексную модель, объединяющую процессы, происходящие в ядре, мантии, земной коре, на поверхности планеты и в ее атмосфере.

Моделирование охватывает период от 50 млн лет после формирования Земли до отметки в 5 млрд лет. При этом исследователям удалось воспроизвести 19 ключевых характеристик доиндустриальной планеты, сформировавшихся за 4,5 млрд лет ее развития.

Среди таких параметров — температура поверхности, содержание углекислого газа и водяного пара в атмосфере, масса океанов, отражательная способность планеты и температура верхней мантии.

Особенность разработки заключается в том, что все эти показатели рассчитываются без учета деятельности живых организмов. Это позволяет определить, какие условия могли бы существовать на Земле, если бы жизнь на ней никогда не возникла.

Ранее ученые уже использовали компьютерные модели, описывающие внутреннее строение Земли и воздействие звездного излучения. Однако новая разработка впервые позволила объединить эти процессы с изменениями атмосферы и поверхности в рамках единой системы.

Главная задача исследования связана с одной из наиболее сложных проблем современной астрономии — поиском достоверных признаков внеземной жизни.

Дело в том, что планета, потенциально пригодная для существования организмов, необязательно является населенной. Наличие жидкой воды, подходящей температуры и определенного состава атмосферы еще не доказывает присутствие биологических процессов.

Некоторые вещества, которые ученые рассматривают как возможные признаки жизни, способны образовываться и без участия живых организмов. Например, содержание отдельных газов в атмосфере может определяться вулканической активностью, химическими реакциями и взаимодействием поверхности с недрами планеты.

Ведущий автор исследования Саманта Гилберт-Джанизек пояснила, что созданная модель поможет понять, каким образом обитаемые, но безжизненные миры могут демонстрировать характеристики, напоминающие признаки живых планет.

По ее словам, новая технология позволит оценивать вероятность того, что обнаруженные при наблюдении экзопланет атмосферные сигналы действительно связаны с существованием организмов.

Для проверки возможностей модели исследователи рассчитали спектр света, который отражала бы Земля при полном отсутствии жизни.

Расчеты проводились в диапазоне длин волн от 0,2 до 2 микрометров. Именно этот диапазон предполагается использовать при наблюдениях с помощью будущей космической обсерватории NASA Habitable Worlds Observatory.

Ученые проанализировали спектральные характеристики углекислого газа, водяного пара, кислорода, озона и метана. Некоторые из этих веществ рассматриваются астрономами как потенциальные биосигнатуры — признаки, способные указывать на наличие живых организмов.

Однако исследование показывает, что обнаружение подобных газов необходимо рассматривать в совокупности с другими характеристиками планеты.

Полученные результаты могут стать основой для сравнения с реальными наблюдениями экзопланет. Если особенности атмосферы удастся объяснить исключительно физическими и геологическими процессами, предположение о существовании жизни потребует дополнительных доказательств.

Если же компьютерная модель не сможет воспроизвести наблюдаемые характеристики без участия биологических процессов, такая планета станет особенно интересной для дальнейшего изучения.

Следующим этапом работы станет адаптация разработанной системы к условиям других планет. Исследователи планируют изменять исходные параметры модели, включая состав атмосферы, характеристики поверхности и отражательную способность, чтобы проверять возможные сценарии развития различных миров.

Особое значение технология может получить после запуска обсерватории Habitable Worlds Observatory. NASA разрабатывает этот космический телескоп для изучения землеподобных планет, обращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце.

Одной из главных научных задач будущей обсерватории станет поиск атмосферных признаков, которые могут свидетельствовать о существовании внеземной жизни.

Старший автор исследования Рори Барнс назвал разработку важным шагом в понимании условий, необходимых для появления живых организмов во Вселенной.

Он отметил, что создание комплексной модели стало результатом более чем десятилетней работы ученых. Возможность одновременно воспроизводить процессы в ядре, мантии, на поверхности и в атмосфере Земли позволит повысить надежность будущих исследований экзопланет.

При этом авторы признают, что разработка имеет определенные ограничения. Модель основана на предположениях о ранней геологической истории Земли, развитии тектоники плит и первоначальном составе атмосферы.

Кроме того, способность объяснить характеристики планеты без участия жизни еще не означает, что живые организмы на ней действительно отсутствуют.

Поэтому ученые намерены использовать новую технологию вместе с астрономическими наблюдениями и другими методами анализа.

Исследователи рассчитывают, что такой подход поможет сократить вероятность ошибочных выводов и позволит точнее определить, какие из многочисленных планет за пределами Солнечной системы заслуживают особого внимания при поиске внеземной жизни.