Коротко — что нужно, чтобы надёжно отличить биосигнатуру от абиотики, затем разбор Марса и Венеры и план дальнейших наблюдений.
1) Критерии необходимости и достаточности (наблюдения и анализ)
- Надёжное детектирование: повторяемость и независимость измерений (разные инструменты/методы). Статистическая значимость желательно $>5\sigma$.
- Нелокальность систематических ошибок: контроль инструментальных эффектов, земных контаминаций и спектральных смешений (линий других молекул).
- Мультилинейность и изотопы: детектировать несколько переходов/линий и/или изотопы, согласованные по относительным интенсивностям и вертикальному профилю.
- Вертикальный и пространственно-временной профиль: измерить высоту происхождения, распределение по широте/долготе и сезонную/временную вариабельность.
- Баланс потоков: оценить поток образования $\Phi$, необходимый для поддержания наблюдаемой концентрации при фотохимическом/диффузионном распаде: $\Phi =\frac{N}{\tau }$, где $N$ — колонная плотность, $\tau$ — время жизни. Сопоставить $\Phi$ с максимальными возможными абиотическими источниками (вулканизм, серпентинизация, метеориты, фотолиз).
- Химико-физический контекст: знать состав атмосферы, температуру, давление, красоксостояние, УФ-поток звезды/Солнца — нужны модели, показывающие, может ли абиотическая химия воспроизвести наблюдения.
- Противопроверка абиотики: экспериментальные/моделирующие ограничения на скорости и выходы абиотических реакций (лабораторные измерения кинетики).
- Совокупность признаков: один газ редко достаточен. Достаточность приходит при комбинации независимых индикаторов, которые совместно несовместимы с абиотическим сценарием внутри известных погрешностей (напр., устойчивое состояние сильного редокс-неравновесия, специфические органические молекулы и изотопные сигнатуры, пространственно-временная синхронизация с биофакторами).
2) Пример — метан на Марсе
- Наблюдения: телескопические и орбитальные сообщения, плюс in-situ измерения Curiosity. Curiosity сообщал фоновые уровни порядка $\sim 0.4\mathrm{ppb}$ с эпизодическими всплесками до $\sim 7\mathrm{ppb}$. Другие миссии и наземные наблюдения давали противоречивые результаты; Trace Gas Orbiter (TGO) поставил очень строгие верхние пределы на глобальные концентрации.
- Проблемы/возможные ложные источники: инструментальные систематики и земное фоновое загрязнение; пространственная и временная неоднородность, несовместимая между платформами; возможные абиотические источники — разложение органики под действием УФ/радиации, серпентинизация, дегазация клатратов; поглощение/рекомбинация метана в поверхностных порах (быстрая локальная потеря).
- Что ещё нужно измерить: многоточечные карты с высокой пространственно-временной разрешающей способностью; вертикальные профили метана; изотопные соотношения C (${}^{13}\mathrm{C}{/}^{12}\mathrm{C}$) и H при возможности; точные локальные потоки $\Phi$; сопоставление с геологическими структурами (трещины, горячие зоны, минералогия).
- Конкретные шаги: автономные высокочувствительные тандемные масс-спектрометры/тюнинг-лазерные спектрометры на поверхности и в орбите; орбитальные спектрометры с высокой пространственной разрешающей способностью и стабильной калибровкой (повторные наблюдения одними и теми же инструментами); возвращение образцов для лабораторного анализа и измерения изотопов; лабораторные эксперименты кинетики абиотических реакций в марсианских условиях; полевое сопоставление всплесков с метеоусловиями и ветром (трассировка потоков).
3) Пример — фосфин (PH3) в атмосфере Венеры
- Сообщение 2020 г.: заявили обнаружение $\sim 20\mathrm{ppb}$ PH${}_3$ в облачной области из данных JCMT/ALMA (субмм) и IR; это вызвало много внимания.
- Контроверсии: последующие переанализы ALMA показали, что сигнал мог быть артефактом калибровки/обработки данных; спектральная линия могла смешиваться с SO${}_2$ или другими поглощениями; наземные и орбитальные повторные наблюдения дали значительно более низкие оценки или верхние пределы (несовместимые с первоначальным значением).
- Абитические источники/вопросы: на Венере возможны абиотические пути производства фосфора в облаках или в вулканизме, но многие такие механизмы дают либо слишком маленькие потоки, либо требуют неизвестной химии в кислых, окисленных облаках. Также возможна неверная интерпретация спектра.
- Что ещё нужно измерить: подтверждение несколькими независимыми линиями PH${}_3$ и/или изотопами; вертикальные профили — локализуется ли PH${}_3$ в облаках; одновременное измерение SO${}_2$, других P‑соединений и редокс-параметров облаков; in-situ масс‑спектрометр в облачной среде.
- Конкретные шаги: повторные высокоспектральные наблюдения (sub‑mm, mid‑IR) с контролем базовой линии; орбитальные миссии с современными спектрометрами; атмосферные зонды/погружения в облака с высоким разрешением масс‑спектрометра и газового хроматографа; лабораторные эксперименты фосфорной химии в концентрированных серной средах, оценка выходов при метеоритном и вулканическом вводе.
4) План дальнейших наблюдений (практические рекомендации)
- Немедленно: независимые повторные наблюдения ключевых линий (sub‑mm, IR) с тщательной калибровкой и публикацией сырых данных для повторной обработки. Для Венеры — многоволновые кампании (ALMA, JCMT, SOFIA, крупные IR‑телескопы); для Марса — глобальное картирование метана с орбиты и комплексная сеть наземных/орбитальных инструментов.
- In-situ: сенсоры с:
- чувствительностью на уровне единиц долей на триллион там, где нужно, и стабильностью,
- способностью измерять изотопные соотношения,
- возможностью профильных измерений.
Для Венеры — зонды/парашютные платформы или облачные пакеты; для Марса — дополнительные наземные станции и возврат проб.
- Модели и эксперименты: совместные лабораторные программы по кинетике абиотических реакций при соответствующих условиях; глобальные фотохимические и геохимические модели с оценкой неопределённостей; расчет потоков и вероятностное сравнение (байесовский анализ) биологической против абиотической гипотезы.
- Порог подтверждения: требовать мультиинструментального подтверждения, согласованного вертикального/пространственного профиля и расчёта потоков, где абиотическая альтернатива либо исключена, либо имеет вероятность значительно ниже биологической (по заранее определённым критериям).
- Для экзопланет: применять те же принципы — мультивольтная проверка (несколько биосигнатур), учёт звездного УФ, моделирование абиотического производства (включая водную потерю → абиотический O${}_2$/O${}_3$), требовать $>5\sigma$ по линиям и совместный Bayesian model comparison между биологической и абиотической гипотезами.
Короткое резюме: один положительный спектральный пик — недостаточно. Нужны повторяемость, независимость, мультилинейность/изотопы, профиль и оценка потоков в контексте фотохимии и геофизики. Для Марса и Венеры требуется сочетание высокочувствительных орбитальных/наземных наблюдений, in‑situ измерений с определением потоков и изотопов, а также лабораторных/модельных ограничений на абиотические механизмы.