W 2020 roku naukowcy odkryli gaz zwany fosfiną w atmosferze skalistej planety wielkości Ziemi. Nie wiedząc, że fosfinę można wytworzyć inaczej niż w procesach biologicznych, „naukowcy twierdzą, że jedynym wyjaśnieniem źródła tej substancji chemicznej jest coś obecnie żywego”, New York Times zgłoszone. W miarę upływu czasu „gazy biosygnałowe” fosfina wydawała się strzałem w dziesiątkę.

Dopóki nie było.

Planetą była Wenus, a twierdzenie o potencjalnej biosygnaturze na wenusjskim niebie nadal budzi kontrowersje, nawet po latach. Naukowcy nie mogą być zgodni co do tego, czy fosfina w ogóle tam występuje, nie mówiąc już o tym, czy byłby to mocny dowód na istnienie obcej biosfery na naszej bliźniaczej planecie.

To, co okazało się trudne dla Wenus, będzie trudniejsze tylko dla egzoplanet oddalonych o wiele lat świetlnych.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), wystrzelony w 2021 roku, przesłał już dane na temat składu atmosfery średniej wielkości egzoplanety nazwanej K2-18 b, które niektórzy zinterpretowali – kontrowersyjnie – jako możliwy dowód życia. Jednak nawet gdy nadzieje na wykrycie sygnatur biologicznych rosną, niektórzy naukowcy zaczynają otwarcie zadawać pytania, czy gazy w atmosferze egzoplanety będą kiedykolwiek przekonującym dowodem na obecność kosmitów.

W wielu ostatnich artykułach analizujemy zniechęcające niepewności w wykrywaniu biosygnatur egzoplanet. Jednym z kluczowych wyzwań, jakie identyfikują, jest to, co stawia filozof nauki Piotra Wickersa na Uniwersytecie w Durham nazywa problem nieprzemyślanych alternatyw. Mówiąc prościej, skąd naukowcy mogą być pewni, że wykluczyli wszelkie możliwe niebiologiczne wyjaśnienia obecności gazu – zwłaszcza jeśli geologia i chemia egzoplanet pozostają niemal tak samo tajemnicze jak życie pozasłoneczne?

„Ciągle badane są nowe pomysły i może istnieć jakiś abiotyczny mechanizm tego zjawiska, o którym jeszcze nie pomyślano” – powiedział Vickers. „Na tym polega problem nieprzemyślanych alternatyw w astrobiologii”.

„To kawałek słonia w pokoju” – powiedział astronom Daniela Angerhausena ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu, który jest naukowcem projektu pracującego nad misją LIFE – proponowanym teleskopem kosmicznym, który miałby wyszukiwać gazy biosygnałowe na egzoplanetach podobnych do Ziemi.

Jeśli lub kiedy naukowcy wykryją przypuszczalny gaz biosygnałowy na odległej planecie, będą mogli zastosować wzór zwany twierdzeniem Bayesa do obliczenia szansy na istnienie tam życia w oparciu o trzy prawdopodobieństwa. Dwa z nich dotyczą biologii. Po pierwsze, prawdopodobieństwo pojawienia się życia na tej planecie, biorąc pod uwagę wszystko, co o niej wiadomo. Drugie to prawdopodobieństwo, że jeśli istnieje życie, stworzy to obserwowany przez nas biosygnał. Zdaniem astrobiologów oba czynniki niosą ze sobą znaczną niepewność Cole'a Mathisa Uniwersytetu Stanowego w Arizonie i Harrison Smith z Instytutu Nauk o Ziemi i Życiu przy Tokijskim Instytucie Technologii, który badał tego rodzaju rozumowanie w: a papier ostatni upadek.

Trzecim czynnikiem jest prawdopodobieństwo, że obserwowany sygnał wytworzy planeta pozbawiona życia – co jest równie poważnym wyzwaniem, jak zdają sobie teraz sprawę naukowcy, które wiąże się z problemem niewynalezionych alternatyw abiotycznych.

„Takie jest prawdopodobieństwo, że według nas nie potrafisz pełnić obowiązków w sposób odpowiedzialny” – stwierdził Vickers. „Może prawie wahać się od zera do 1”.

Rozważmy przypadek K2-18 b, „mini-Neptuna”, którego wielkość jest pośrednia między Ziemią a Neptunem. W 2023 r. dane JWST wykazały statystycznie słabe oznaki obecności siarczku dimetylu (DMS) w atmosferze. Na Ziemi DMS jest wytwarzany przez organizmy morskie. Badacze, którzy wstępnie wykryłem go na K2-18 b zinterpretowali inne gazy odkryte na jej niebie w ten sposób, że planeta jest „wodnym światem” z nadającą się do zamieszkania powierzchnią oceanu, potwierdzając swoją teorię, że tamtejszy DMS pochodzi od życia morskiego. Jednak inni naukowcy interpretują te same obserwacje jako dowód na niegościnny, gazowy skład planet bardziej podobny do składu Neptuna.

Nieprzemyślane alternatywy już wielokrotnie zmuszały astrobiologów do zrewidowania swoich pomysłów na temat tego, co składa się na dobry podpis biologiczny. Kiedy była fosfina odkryte na Wenusnaukowcy nie znali żadnych sposobów jego wytworzenia na pozbawionej życia skalistej planecie. Od tego czasu zidentyfikowali kilka wykonalnych Abiotyczne źródła gazu. Jeden ze scenariuszy zakłada, że ​​wulkany uwalniają związki chemiczne zwane fosforkami, które mogą reagować z dwutlenkiem siarki w atmosferze Wenus, tworząc fosfinę – jest to wiarygodne wyjaśnienie, biorąc pod uwagę, że naukowcy znaleźli dowody na aktywny wulkanizm na naszej bliźniaczej planecie. Podobnie tlen uznawano za gaz biosygnałowy aż do 2010 roku, kiedy to badacze, w tym Victoria Meadows z Wirtualnego Laboratorium Planetarnego Instytutu Astrobiologii NASA rozpoczął znaleźć sposoby jakie mogłyby to zrobić planety skaliste gromadzić tlen bez biosfery. Na przykład, może powstać tlen z dwutlenku siarki, którego jest mnóstwo na światach tak różnorodnych jak Wenus i Europa.

Obecnie astrobiolodzy w dużej mierze porzucili pogląd, że pojedynczy gaz może być biosygnaturą. Zamiast tego skupiają się na identyfikacji „zespołów” lub zestawów gazów, które nie mogłyby współistnieć bez życia. Jeśli cokolwiek można dziś nazwać biosygnaturą o złotym standardzie, jest to połączenie tlenu i metanu. Metan szybko rozkłada się w atmosferze bogatej w tlen. Na Ziemi te dwa gazy współistnieją tylko dlatego, że biosfera stale je uzupełnia.

Jak dotąd naukowcom nie udało się znaleźć abiotycznego wyjaśnienia biosygnatur tlenowo-metanowych. Jednak Vickers, Smith i Mathis wątpią, czy ta konkretna para – lub być może jakakolwiek mieszanina gazów – będzie kiedykolwiek przekonująca. „Nie ma sposobu, aby mieć pewność, że to, na co patrzymy, jest w rzeczywistości konsekwencją życia, a nie konsekwencją jakiegoś nieznanego procesu geochemicznego” – powiedział Smith.

„JWST nie jest detektorem życia. To teleskop, który może nam powiedzieć, jakie gazy znajdują się w atmosferze planety” – powiedział Mathis.

Sarah Rugheimer, astrobiolog z York University, który bada atmosfery egzoplanet, jest bardziej optymistyczny. Aktywnie poszukuje alternatywnych abiotycznych wyjaśnień biosygnatur zespołów, takich jak tlen i metan. Mimo to mówi: „Otworzyłabym butelkę szampana – bardzo drogiego szampana – gdybyśmy zobaczyli tlen, metan, wodę i CO₂”na egzoplanecie.

Polewanie drinkami w tajemnicy z ekscytującym rezultatem różni się oczywiście od mówienia światu, że znaleźli kosmitów.

Rugheimera i innych badaczy, z którymi rozmawiał Quanta w przypadku tej historii zastanawiają się, jak najlepiej mówić publicznie o niepewności związanej z podpisami biologicznymi – i zastanawiają się, w jaki sposób wahania w opiniach astrobiologicznych na temat danego wykrycia mogą podważyć zaufanie społeczne do nauki. Nie są osamotnieni w swoich zmartwieniach. Gdy saga o fosfinie na Wenus osiągnęła punkt kulminacyjny w 2021 r., administratorzy i naukowcy NASA błagali społeczność astrobiologów o ustanowienie solidnych standardów pewności w wykrywaniu podpisów biologicznych. W 2022 r. zebrało się setki astrobiologów na wirtualne warsztaty w celu omówienia tej kwestii – chociaż nadal nie ma oficjalnego standardu ani nawet definicji biosygnału. „W tej chwili jestem całkiem szczęśliwy, że wszyscy zgodziliśmy się, że przede wszystkim stanowi to pewien problem” – powiedział Angerhausen.

Badania postępują pomimo niepewności – tak jak powinny, twierdzi Vickers. Wpadanie w ślepe zaułki i konieczność cofania się jest czymś naturalnym w raczkującej dziedzinie, takiej jak astrobiologia. „To coś, co ludzie powinni spróbować lepiej zrozumieć, jak ogólnie działa nauka” – powiedział Smith. „Możemy aktualizować to, co wiemy”. A odważne twierdzenia na temat biosygnatur rozpalają ogień wśród naukowców, aby je sfałszować – twierdzą Smith i Vickers – aby polować na nieprzemyślane alternatywy.

„Nadal nie wiemy, co do cholery dzieje się na Wenus, więc oczywiście wydaje nam się to beznadziejne” – powiedziała astrochemik Clara Sousa-Silva z Bard College, ekspertka w dziedzinie fosfiny, która pomogła w odkryciu Wenus. Dla niej następny krok jest jasny: „Pomyślmy jeszcze raz o Wenus”. Astronomowie praktycznie ignorowali Wenus przez dziesięciolecia. Kontrowersje dotyczące podpisów biologicznych zapoczątkowały nowe wysiłki nie tylko mające na celu odkrycie wcześniej nieuwzględnionych abiotycznych źródeł fosfiny, ale także lepsze zrozumienie naszej siostrzanej planety jako takiej. (Co najmniej pięć misji na Wenus planowane są na nadchodzące dziesięciolecia.) „Myślę, że jest to również źródło nadziei dla egzoplanet”.