Кратко — последовательность и критерии для оценки шанса биологического происхождения одновременных CH${}_4$ и O${}_2$:
1) Проверка достоверности детекции
- Устранить систематические ошибки, звездные эффекты (spots/faculae), контаминацию (зависимость по фазе), инструментальные артефакты; использовать разные инструменты/спектральные диапазоны и повторные транзиты.
- Выполнить независимый retrieval с учётом облачности/систематик, оценить неопределённости и корреляции между молекулами.
2) Количественная формализация «несостояния равновесия»
- Оценить сторо́гие концентрации (объёмные доли) $X_{C{H}_4},X_{O_2}$ и их неопределённости.
- Оценить, насколько далёко смесь от термодинамического равновесия через химическую реакцию
$$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4+2{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O},$$ используя
$$\Delta G=\Delta G^{\circ }+RT\ln Q,Q=\frac{p_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2}{p}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}^2}{p_{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4}{p}_{{\mathrm{O}}_2}^2}.$$ Большое отрицательное $\Delta G$ при наблюдаемых парциальных давлениях указывает на сильную хемодисбалансность — потенциальную биосигнатуру.
3) Оценка требуемых потоков (источников) для поддержания наблюдаемых концентраций
- В стационарном приближении тестовая оценка источника газа:
$$F\approx \frac{N}{\tau },$$ где колонная плотность $N\approx X\cdot n_{0}H$, $n_0=\frac{p}{k_{B}T}$, масштаб высоты $H=\frac{k_{B}T}{mg}$, а $\tau$ — фотохимическая/утечная жизнь молекулы (зависит от UV спектра звезды).
- Сравнить требуемые $F_{C{H}_4}$ и $F_{O_2}$ с реалистичными геофизическими/абитическими источниками (вулканизм, серпентинизация, разложение карбонатов, фотолиз воды с потерей водорода).
4) Проверка абиотических сценариев (ключевые диагностические пары)
- Абитические пути для O${}_2$: фотолиз H${}_2$O с потерей H (водная деградация), CO${}_2$ фотолиз + неэффективное восстановление; наличие высокого O${}_2$ при истощённой H${}_2$O и следах уноса H — признак водного распада.
- Абитические источники CH${}_4$: вулканические/серпентинизация, удары; для большинства этих сценариев ожидаем повысившийся CO и/или H${}_2$.
- Диагностические наблюдения: наличие CO при высоком O${}_2$ — частый индикатор абиотического накопления O${}_2$. Наличие O${}_3$ и его профиль указывает на фотохимию O${}_2$. Высокий H${}_2$ указывает на восстановительные абиотические процессы.
5) Необходимые дополнительные наблюдения
- Широкополосные и спектры в UV–NIR–MIR для: CO${}_2$, CO, H${}_2$O, O${}_3$, H${}_2$, SO${}_2$, NOx, а также лучшее ограничение давления/температуры.
- Измерение UV/XUV спектральной подсветки звезды и активности (флейринг) — критично для $\tau$.
- Высокое разрешение (R) для очистки пересечений линий и измерения линий CO, isotopic ratios (если возможно).
- Фазовые кривые / вторичные-eclipse / эмиссионные спектры для ограничения температурного профиля и распределения газов.
- Долгосрочная мониторировка на сезонность/вариабельность CH${}_4$ (биологические источники могут давать сезонные сигналы).
6) Необходимые модели
- Комплексные фотохимические модели (1D и по возможности 3D) с заданным UV спектром звезды, температурным профилем и начальными составами.
- Климатические модели для поверхностных условий и жидкой воды.
- Модели внутренней геохимии/выделения газов (вулканизм, серпентинизация), модели атмосферного уноса.
- Рассчёт полного красно/восстановительного бюджета планеты (redox balance).
- Байесовское сравнение гипотез: биологический модель vs набор абиотических сценариев — вычисление правдоподобий $P(D|M)$ и апостериорных вероятностей
$$P(\mathrm{bio}|D)=\frac{P(D|\mathrm{bio})P(\mathrm{bio})}{P(D)},$$ где $P(D)=P(D|\mathrm{bio})P(\mathrm{bio})+{\sum }_{i}P(D|{\mathrm{abiotic}}_i)P({\mathrm{abiotic}}_i)$.
7) Практические критерии оценки «вероятности биологичности»
- Если наблюдаемые $X_{C{H}_4}$ и $X_{O_2}$ требуют устойчивых источников, которые превышают возможные геофизические потоки (по моделям) — в пользу биологии.
- Если совместно наблюдаются: высокий O${}_2$, низкий H${}_2$ / вода, и признаки водного истощения — скорее абиотический сценарий (водная потеря).
- Наличие CO вместе с O${}_2$ — сильный маркер абиотики.
- Сильная хемодисбалансность (большое отрицательное $\Delta G$), маловероятно поддерживаемая абиотикой — поддерживает биологическую гипотезу, но требует строгой статистической проверки и подтверждающих наблюдений.
Коротко о вероятностях: окончательная численная вероятность зависит от априорных сведений (тип планеты, возраст, масса, геология звезды) и от того, насколько полны и сильны альтернативные абиотические сценарии. Практически — строят набор правдоподобий по моделям и получают апостериорную вероятность биологии, а не единое «чистое» правило.
Резюме (шаги, которые нужно сделать немедленно)
- Уточнить детекцию (повторить, разные инструменты).
- Измерить/ограничить CO, H${}_2$O, CO${}_2$, O${}_3$, H${}_2$ и UV-светимость звезды.
- Выполнить фотохимические + геофизические модели, рассчитать требуемые потоки, сравнить с абиотическими возможностями.
- Провести байесовский сравнительный анализ гипотез.
Эти данные + модели дают количественную оценку вероятности биологического происхождения; без них любое утверждение будет сильно спекулятивно.