Самое большое внимание привлекает биосигнатура, которую создает растительность на поверхности планеты. Она называется «красный край» или «красный барьер фотосинтеза» и состоит в том, что в ближнем инфракрасном спектре растительность дает резкое усиление отражения. Хлорофилл в растениях поглощает почти весь видимый свет (например, синий свет или красный свет с длиной волны 0,66–0,7 микрона), однако рассеивает и отражает ближний инфракрасный свет в диапазоне 0,75–1,1 микрона. Следовательно, отражательная способность растительности повышается почти что рывком – примерно с 5 % на длине волны 0,68 микрона (видимый красный свет) до приблизительно 50 % на длине волны 0,76 микрона (ближний инфракрасный свет). Кстати, именно поэтому листва получается так ярко на инфракрасных фотографиях – и именно поэтому метод красного края часто применяется в зондировании Земли со спутников для оценки состояния лесов и растительности.

По оценкам, обнаружить красный край на планетах земного типа будет невероятно трудно, поскольку даже телескопы с относительно высоким спектральным разрешением различат растительность только в том случае, если ей покрыта существенная часть планеты, и при этом нужно, чтобы в среднем в течение светового дня было достаточно мало облаков. Последнее условие не так просто выполнить, поскольку как показывают геостационарные спутники, по крайней мере, на Земле, в лесистых регионах облачный покров значительно плотнее.

Хотя красный край, конечно, бесспорная биосигнатура (мы не знаем никаких абиотических механизмов, которые дали бы ложноположительный результат), однако этот метод основан исключительно на свойствах земной растительности, поэтому не вполне понятно, можно ли применять его к экзопланетам. Скажем, нельзя исключать, что «края» или другие типы сигнатур на разных длинах волн дает не только хлорофилл, но и другие вещества (другие резкие спектральные особенности также потенциально чреваты ложноположительными результатами).

Как потенциальную биосигнатуру на поверхности планет ученые рассматривают и хиральность – то, что молекулы живой материи несимметричны, то есть отличаются от собственных зеркальных отражений. Скажем, большинство аминокислот могут существовать в обоих вариантах, и в «правом», и в «левом», но живая материя на Земле содержит только «левые»[44] аминокислоты. Если предположить, что большинство жизни во вселенной склонно к такой асимметрии, обнаружение хиральности может выявить, изобилует ли поверхность живыми организмами. Однако задача обнаружить хиральность – не из простых. Вероятно, в этом поможет поляризационная спектроскопия. Свет состоит из осциллирующих электрических и магнитных полей, и они всегда перпендикулярны друг другу. Поляризацией принято называть направление электрических полей. Когда поля осциллируют в одном направлении, мы называем это линейной поляризацией. При круговой поляризации поля при движении волны вращаются в плоскости с постоянной частотой (либо по часовой стрелке, либо против). Пигментное поглощение может привести к какой-то линейной поляризации, как, например, в случае земного сияния. Линейная поляризация довольно высока в видимом свете и низка в ближнем инфракрасном, в противоположность эффекту красного края, однако такую же картину может давать и рассеянная в атмосфере пыль, поэтому есть опасность ложноположительных результатов. Круговая поляризация, с одной стороны, дает более надежную сигнатуру оптических следов аминокислот, но, с другой стороны, ожидаемый от нее сигнал совсем слаб, поэтому, вероятно, его не удастся зарегистрировать.

Помимо устойчивых газовых и поверхностных биосигнатур, астрономы рассматривают и вероятность временных и периодических биосигнатур. В их число входят, например, колебания уровня газов – углекислого газа, молекулярного кислорода и метана, а также колебания отражающей способности поверхности планеты (альбедо). На Земле такие модуляции, как правило, вызваны сменой времен года и сопутствующими переменами у растений. Однако амплитуда этих колебаний – всего порядка нескольких процентов (и также имеется большой риск ложноположительных результатов), поэтому на сегодня их надежное обнаружение выходит за рамки возможностей даже следующего поколения телескопов.

Мы отдаем себе отчет, что изложенные выше рассуждения о биосигнатурах не могли не оказаться перегруженными научными и техническими подробностями. Однако общая картина довольно проста и невероятно интересна: мы либо вот-вот обнаружим жизнь вне Солнечной системы, либо вот-вот получим возможность дать обоснованную оценку тому, насколько редко на самом деле встречается внеземная жизнь (в случае, если ничего не найдем). Не приходится сомневаться, что первые признаки простейших организмов на экзопланетах будут обнаружены в виде биосигнатурных газов. Эти газы либо скажут нам о неравновесности атмосферы экзопланеты, либо будут характерны для биосферы, где идет фотосинтез. Астрономы знают, что самым многообещающим признаком такого рода станет обнаружение высокой концентрации молекулярного кислорода (возможно, в результате измерения заметных концентраций озона). До недавних пор ученые считали, что телескоп им. Уэбба в этом не поможет. Причина проста. Этот телескоп проектировался не для того, чтобы определять концентрацию кислорода на далеких планетах – или, если уж на то пошло, не для того, чтобы искать потенциально обитаемые экзопланеты. Его первоначальная цель – заглянуть в глубины космоса дальше, чем Космический телескоп имени Хаббла, и показать нам самые первые галактики во вселенной. Поскольку телескоп им. Уэбба видит только в красном и инфракрасном спектре, никто не ожидает, что он разглядит яркие спектральные линии кислорода. Однако астрономы – люди очень находчивые и никогда не преминут воспользоваться всеми преимуществами такого замечательного телескопа. Поэтому первым делом исследовательская группа, которую возглавляет астробиолог Джошуа Криссансен-Тоттон из Вашингтонского университета, получила в 2018 году интереснейший теоретический результат. На основании компьютерного моделирования ученые показали, что телескоп им. Уэбба вполне способен распознать биосигнатуру в виде дисбаланса «метан плюс углекислый газ». А точнее, исследователи обнаружили, что этот телескоп способен довольно точно зарегистрировать углекислый газ и одновременно оценить количество метана, чтобы исключить известные нам небиологические сценарии выработки метана на уровне примерно 90 %. В этом отношении особенно интересно, что телескоп им. Уэбба, вероятно, сумеет достичь такой точности при наблюдениях атмосферы самой обсуждаемой планеты в обитаемой зоне – планеты TRAPPIST-1e, которая вращается в обитаемой зоне красного карлика с массой около 9 % солнечной. Планета TRAPPIST-1e похожа на Землю массой, радиусом и температурой на поверхности, и она получает от своей звезды примерно столько же излучения, как и Земля. Это автоматически помещает ее в список экзопланет, особенно достойных изучения с точки зрения обитаемости. Кроме того, большой интерес вызывает система TOI-700, в обитаемой зоне которой вращаются две планеты земного размера (TOI-700d и TOI-700e).

Астрономы не отказались и от идеи обнаружить кислород. В 2020 году группа ученых под руководством Томаса Фочеза из Центра космических полетов имени Годдарда показала, что телескоп им. Уэбба, возможно, сумеет зарегистрировать спектральную линию кислорода на длине волны 6,4 микрона, которую раньше не очень интенсивно искали при изучении экзопланет. Фочез и его коллеги показали, что молекулы кислорода при столкновении в атмосфере экзопланет либо друг с другом, либо с молекулами других газов поглощают инфракрасный свет на этой длине волны, что дает заметную линию поглощения в спектре, которую (в принципе) можно зарегистрировать у относительно близких экзопланет. Если телескоп им. Уэбба и в самом деле выявит экзопланету с богатой кислородом атмосферой, это будет очень воодушевляющее открытие, несмотря на то, что наличие только одного биосигнатурного газа нельзя считать однозначным доказательством существования жизни.

Космический телескоп им. Уэбба уже продемонстрировал свои многообещающие таланты при определении состава экзопланетной атмосферы. В 2022 году он получил высококачественный спектр гигантской экзопланеты WASP-39b, в котором видны линии углекислого газа. Это был первый случай, когда на экзопланете найден углекислый газ. Однако жизни на WASP-39b мы точно не найдем. Это газовый гигант с массой около 28 % массы Юпитера, который вращается очень близко к своей звезде (орбитальный период всего четыре дня), поэтому там очень жарко (около 900 °С). Так что эта планета относится к классу «горячих юпитеров». Гораздо большее впечатление произвело открытие, которое совершила в сентябре 2023 года группа под руководством Никку Мадхусудана из Кембриджского университета. При помощи телескопа им. Уэбба ученые обнаружили метан и углекислый газ в атмосфере субнептуновой экзопланеты K2-18b (с радиусом примерно в 2,6 раза больше земного и массой около 8,6 массы Земли). По-видимому, метана и углекислого газа там много (по 1 % каждого), а аммиака нет совсем, и это по меньшей мере не противоречит некоторым моделям, указывающим на существование поверхностного океана под богатой водородом атмосферой (весь аммиак тонет в океане, который, в сущности, высасывает его из атмосферы). Сам по себе метан едва ли вырабатывается живыми организмами, поскольку в богатой водородом атмосфере он вполне может синтезироваться в ходе фотохимических реакций между углеродом и водородом. Планеты типа K2-18b получили название «гикеаны» – это слово, образованное из английских слов hydrogen (водород) и ocean (океан). Но самое любопытное, что исследователи обнаружили там еще и признаки диметилсульфида – однако сейчас, когда мы пишем эти строки, это измерение еще не считается статистически значимым. Если это открытие подтвердится, оно будет первым возможным признаком внеземной жизни, поскольку диметилсульфид на планетах-гикеанах считается биосигнатурой. Как мы уже отмечали в этой главе, на Земле диметилсульфид вырабатывается, в частности, морскими микроводорослями. Однако следует подчеркнуть, что в статье, опубликованной в январе 2024 года, группа ученых во главе с Николасом Воганом из Исследовательского центра Эймса предположила, что наблюдения телескопа им. Уэбба на планете K2-18b можно объяснить и в случае, если эта планета – богатый газами мини-Нептун, на поверхности которого нет жизни. Так или иначе, эти результаты определенно подталкивают нас к дальнейшим попыткам исследовать атмосферу кандидатов в гикеаны. В частности, дальнейшие наблюдения телескопа им. Уэбба должны подтвердить или опровергнуть наличие существенного количества диметилсульфида в атмосфере K2-18b.

Чтобы определить, какие именно типы атмосфер можно считать достаточным доказательством существования жизни на каменистых планетах, астробиолог Дэвид Кэтлинг из Вашингтонского университета и его коллеги попытались составить вероятностную картину, благодаря которой можно будет оценивать вероятность, что тот или иной набор наблюдательных данных следует считать достоверным свидетельством существования жизни, а не ложноположительным результатом. Приведем всего несколько характерных примеров их результатов. По оценкам ученых, если мы найдем планету размером с Землю в обитаемой зоне какой-нибудь звезды и сможем подтвердить, что на ее поверхности есть океан жидкой воды (например, пронаблюдаем блики), а кроме того, обнаружим, что ее атмосфера богата молекулярным кислородом и к тому же содержит как закись азота, так и метан, вероятность, что такая планета обитаема, составит 90–100 %. Такая же экзопланета в обитаемой зоне, у которой мы обнаружим только молекулярный кислород в атмосфере в сочетании с углекислым газом и водяным паром, может оказаться обитаемой только с вероятностью в диапазоне от 66 до 100 %. Если на экзопланете найдется только молекулярный кислород, только сочетание органической дымки с обилием метана или только спектральная линия, указывающая на красный край, вероятность, что она обитаема, составит 50 на 50. Если биосигнатур будет еще меньше, это заставит сделать вывод, что планета, скорее всего, необитаема.

Следует помнить, что определение состава атмосферы экзопланеты – задача очень трудная. Не забывайте, что всего лет тридцать назад было невозможно обнаружить даже сами экзопланеты.