Коротко — сначала возможные абиотические механизмы, затем какие дополнительные наблюдения нужны для проверки биологического происхождения.
Абиотические механизмы (суть и признаки)
- Фотолиз воды + уход водорода в космос. При сильном UV/EUV облучении или при длительной «пред-main-sequence» фазе звезды вода разлагается, H уходит, остаётся накопление O2. Признак: высокий O2 при дефиците пара воды в атмосфере/на поверхности. Важны величины потока EUV и масса планеты.
- Мокрый/сухой парниковый режим (moist/runaway greenhouse). Нарушение холодовой ловушки позволяет водяным парам достигать верхней атмосферы и разлагаться, что ведёт к O2-накоплению.
- Фотолиз CO2 с неэффективной рекомбинацией CO + O → CO2. При малом потоке восстановительных газов (H2, H2S) и слабых поверхностных поглотителях CO может накапливаться, а O атомы формируют O2 (или O3). Признак: одновременно высокие CO и O2.
- Дегазация/распад минералов и перекисей (например, разложение перхлоратов, H2O2) под UV — малые локальные источники O2 возможны в сухих условиях.
- Остаточный O2 после массовой потери воды: при больших и длительных потерях воды может остаться атмосферный кислород вплоть до десятков–сотен бар в экстремальных моделях. Сильный O4 (O2–O2 CIA) — признак очень большой частичной доли O2.
Какие дополнительные наблюдения нужны, чтобы склониться к биологическому происхождению (и почему)
- Совместное обнаружение O2 и восстановительных газов в режиме сильного редокс-неравновесия (сильный биосигнатурный критерий):
- CH4: обнаружение метана на уровнях, сопоставимых с устойчивым источником (примерно ${\mathrm{CH}}_4\gtrsim 10^{-6}$ по объёмной доле), в присутствии O2 указывает на непрерывное пополнение (биологию), т.к. фотохимический срок жизни CH4 мал.
- Другие восстановители: H2, H2S — их присутствие вместе с O2 тоже свидетельствует о сильной поддерживаемой неравновесности.
- Измерить CO: значительная концентрация CO вместе с O2 — сильный сигнал абиотической фотолиза CO2 (биология обычно потребляет CO). Наблюдаемые полосы CO, например в ближней/средней ИК ($\lambda \sim 4.7\mu \mathrm{m}$).
- Измерить водяной пар (H2O): отсутствие H2O в тропосфере/верхней атмосфере при большом O2 указывает на прошлую потерю воды → абиотический сценарий. Полосы H2O: $\lambda \sim 0.94\mu \mathrm{m}$, $\lambda \sim 1.4\mu \mathrm{m}$.
- O4 (O2–O2) — оценка количества O2: сильные O4-полосы указывают на очень большие давления O2 (абиотический остаток после Massive water loss). Наблюдаемые O4-полосы, например $\lambda \sim 1.06\mu \mathrm{m}$, в видимой/ближнем ИК.
- O2 спектральные признаки и эмиссия: A‑полоса O2 при $\lambda =0.76\mu \mathrm{m}$; ночное/дневное свечение O2(a${}^1$\Delta) при $\lambda =1.27\mu \mathrm{m}$ — диагностические линии.
- Озон (O3): измерение O3 (полоса Хартли/Хоффа в UV около $\lambda \sim 0.25\mu \mathrm{m}$ и стратосферная полоса $\lambda =9.6\mu \mathrm{m}$) помогает понять вертикальное распределение кислорода и фотохимию.
- Лайман‑α и наблюдение за потоком H/побегом водорода: измерение выхлопа водорода в Lyman‑α ($\lambda =121.6\mathrm{nm}$) и UV/EUV спектра звезды — чтобы оценить историческую и текущую потерю воды.
- Оценка вулканизма/поглощателей: наличие SO2, H2S (вулканические газы) и/или активной поверхности, потребляющей O2, уменьшает вероятность длительного абиотического накопления O2.
- Определение общего давления и наличия N2: давление влияет на фотохимию и холодовую ловушку; N2 можно искать через CIA‑полосу (N2–N2) в ИК ($\lambda \sim 4.3\mu \mathrm{m}$ и др.) — важно для оценки возможностей жидкой воды и геохимических поглотителей.
- Изучение звезды и её возраста/активности: молодые, активные или M‑класс звезды с высоким EUV легче вызывают водопотери → абиотический взгляд.
- Моделирование: совместное воспроизведение наблюдаемых составов атмосферой при известных звездных спектрах и геофизике планеты — проверка, можно ли получить показанные соотношения газов абиотически без нереалистичных условий.
- Временные изменения и сезонность: биосигнатуры могут демонстрировать сезонные колебания (O2/CH4/CO2), которые сложнее объяснить чисто абиотически.
- Изотопные соотношения (идеал): биологические процессы фракционируют изотопы C и O; на практике дистанционное измерение трудно, но при будущем сверхчувствительном спектре могло помочь.
Короткое резюме стратегии
- Не доверять одному лишь признаку O2. Сначала проверить наличие H2O, CO, CH4, O4, O3, вулканических газов и профиль давления, а также UV/EUV активности звезды. Если обнаружен O2 + восстановители (например CH4) в устойчивом неравновесии и при нормальной водяной доступности — это сильно в пользу биологии. Если же O2 велик при отсутствующей H2O и/или при сильных O4 и CO — вероятно абиотический сценарий (водопотеря или CO2‑фотолиз).