Исследование химии и динамики оксида азота NO как перспективного биомаркера для экзопланет земного типа

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00364

НазваниеИсследование химии и динамики оксида азота NO как перспективного биомаркера для экзопланет земного типа

Руководитель Бисикало Дмитрий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт астрономии Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые слова экзопланеты, атмосферы экзопланет земного типа, потери атмосферы, атмосферные биомаркеры, химия нечетного азота, кинетический метод Монте-Карло, МГД

Код ГРНТИ41.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Атмосфера Земли обладает рядом специфических особенностей. Во-первых, основной составляющей является N2, присутствие которого указывает на наличие тектонической активности и является уникальным свойством планет земной группы в Солнечной системе. Изучение происхождения атмосферного азота и его стабильности дает представление об уникальности среды обитания на Земле. Во-вторых, одновременное существование N2 и O2 в атмосфере Земли не имеет аналогов во всей Солнечной системе. Такое сочетание тесно связано с существованием аэробных форм жизни. Наличие азота на поверхности, в океане и в атмосфере может способствовать или препятствовать обитаемости планеты земной группы, поскольку азот жизненно необходим всем известным формам жизни. В недавних работах (Lammer et al., Astrobiology, 19, 927, 2019; Spross et al., Astronomy Reports, 65, 275, 2021) обсуждались различные источники атмосферного азота, стабильность атмосфер с преобладанием азота и развитие ранней азотной атмосферы Земли. В частности, было показано, что наличие N2-O2-атмосферы является явным биомаркером для аэробных форм жизни. Дело в том, что первичные атмосферы таких планет легко разрушаются и химически стабильная смесь N2-O2 может быть сформирована только сильными вторичными источниками этих молекул. Единственным, известным в настоящее время, комплексом способным обеспечить такие массивные вторичные потоки являются аэробные формы жизни. Таким образом, обнаружение N2-O2 атмосферы на экзопланете, вращающейся в зоне обитаемости вокруг звезды солнечного типа, является сильным признаком наличия развитой аэробной внеземной биосферы. Радикал NO является прямым индикатором атмосферы, в которой доминирует N2-O2, поскольку его образование является следствием присутствия молекулярного азота и кислорода в качестве основных компонентов в атмосфере планеты. Сама идея использовать NO в качестве потенциального биомаркера была известна ранее (см., напр., Seager et al., Astrobiology 12,1 , 2012), однако вопрос о возможности наблюдения оксида азота на экзопланетах пока остается открытым. Дело в том, что NO легко разрушается излучением, и для достижения достаточной для его идентификации концентрации в верхней атмосфере необходимо проанализировать не только процессы образования и стока, но и, как показывает пример Земли, динамику верхних слоев атмосферы. Эта сложная задача - исследование химии и динамики оксида азота NO в атмосферах экзопланет земного типа (а именно, суб-нептунов и экзо-земель) – и является целью данного проекта. В предлагаемом инициативном Проекте планируется cоздать комплекс численных моделей (кинетических и МГД) для исследования химии и динамики N2-O2 верхних атмосфер экзопланет семейств суб-нептунов и экзо-земель для оценки возможных проявлений жизни. Изучение химической эволюции верхней атмосферы позволит выявить связь потенциального атмосферного биомаркера оксида азота NO с фракцией надтепловых частиц. Будет проведено исследование химии и динамики NO в N2-O2 атмосферах горячих суб-нептунов и экзо-земель с помощью разработанного ранее участниками Проекта кинетического метода Монте-Карло, предназначенного для исследования кинетики и переноса надтепловых частиц в планетных атмосферах. Предполагается также использовать разработанную авторами многокомпонентную МГД модель для расчета влияния звездного ветра на процесс разрушения оксида азота, и выноса NO в верхние слои атмосферы полярным ветром. Это позволит рассчитать распределение оксида азота NO в верхней атмосфере в зависимости от уровня активности родительской звезды и оценить возможность наблюдений данного потенциального атмосферного биомаркера. В верхних атмосферах экзопланет земного типа радикалы NO активно светят в ИК- и УФ- диапазонах излучения. В данном исследовании мы сконцентрируемся на УФ- диапазоне, рассматривая предлагаемое исследование как теоретическую поддержку для программы исследований атмосфер экзопланет для планируемого космического телескопа «Спектр-УФ» . В ходе предлагаемого исследования эволюции атмосфер суб-нептунов и экзо-земель будут также получены оценки возможности их наблюдения современными методами, что позволит продвинуться в понимании процессов их формирования, а также, возможно, в поиске обитаемых миров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Г.Н. Цуриков, Д.В. Бисикало О возможности наблюдения окиси азота на экзопланетах земного типа с помощью обсерватории WSO-UV (Спектр-УФ) Астрономический журнал (год публикации - 2023)

2. Дмитрий Бисикало, Валерий Шематович, Бенуа Хьюберт The Kinetic Monte Carlo Model of the Auroral Electron Precipitation into N2‐O2 Planetary Atmospheres Universe, Universe 2022, 8(8), 437 (год публикации - 2022)
10.3390/universe8080437

3. А. Г. Жилкин, Д. В. Бисикало ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРУ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБОЛОЧЕК ГОРЯЧИХ ЮПИТЕРОВ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ,, том 99, № 11, с. 970–978 (год публикации - 2022)
10.31857/S0004629922110214

4. Гладышева Ю.Г., Жилкин А.Г., Бисикало Д.В. Химическая модель водородно-гелиевой оболочки горячего юпитера Научные труды Института астрономии РАН, Том 7, выпуск 3, с.195-200 (год публикации - 2022)
10.51194/INASAN.2022.7.3.002

5. А. Г. Жилкин. Трехмерная численная модель оболочки горячей экзопланеты на основе сферических координат АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, том 100, № 4, с. 305–318 (год публикации - 2023)
10.31857/S0004629923040060

6. Шематович В., Бисикало Д., Цуриков Г. Non-Thermal Nitric Oxide Formation in the Earth's Polar Atmosphere Atmosphere, vol. 14, issue 7, p. 1092 (год публикации - 2023)
10.3390/atmos14071092

7. Д. Бхаттачарья, Дж. Т. Кларк, М. Майяси, В. Шематович, Д. Бисикало, Ж. Ю. Шофрэ, Э. Тиманн, Дж. Халекас, К. Шмидт, Ж. Л. Берто, М. С. Чаффин, Н. М. Шнайдер Evidence of Non-Thermal Hydrogen in the Exosphere of Mars Resulting in Enhanced Water Loss Journal of Geophysical Research: Planets, Volume 128, Issue 8, article id. e2023JE007801 (год публикации - 2023)
10.1029/2023JE007801

8. Хьюз, ACG; Чаффин, М.; Меркевич, Э.; Дейган, Дж.; Джолиц, Р.Д.; Каллио, Э.; Гронов Г.; Шематович В. ; Бискалло, Д.; Халекас, Дж.; Саймон В., Сирил; Шнайдер, Н.; Риттер, Б.; Гиразян, З.; Джайн, С.; Джерард, Джей Си; Хеги, Б. Advancing Our Understanding of Martian Proton Aurora Through a Coordinated Multi-Model Comparison Campaign Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 128, Issue 10, article id. e2023JA031838 (год публикации - 2023)
10.1029/2023JA031838

9. А. Г. Жилкин, Ю. Г. Гладышева, В. И. Шематович, Д. В. Бисикало АЭРОНОМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОДОРОДНО-ГЕЛИЕВЫХ ВЕРХНИХ АТМОСФЕР ГОРЯЧИХ ЭКЗОПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, том 100, № 12, с. 1–20 (год публикации - 2023)
10.31857/S0004629923120149

10. Г. Н. Цуриков, Д. В. Бисикало NO БИОМАРКЕР: ТРАНСМИССИОННЫЙ И ЭМИССИОННЫЙ МЕТОДЫ ЕГО ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ В АТМОСФЕРАХ ЭКЗОПЛАНЕТ С ПОМОЩЬЮ СПЕКТР-УФ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, том 100, № 11, с. 987–1004 (год публикации - 2023)
10.31857/S0004629923110105,

11. Жилкин А.Г., Гладышева Ю.Г., Бисикало Д.В. Hydrostatic model for hydrogen-helium atmosphere of hot Jupiter INASAN Science Reports, Volume 8(1), pp. 26-33 (год публикации - 2023)
10.51194/INASAN.2023.8.1.005

12. Гладышева Ю.Г., Жилкин А.Г., Бисикало Д.В. Formation of energetic neutral atoms in envelopes of hot jupiters INASAN Science Reports, Volume 8(1), pp. 34-43 (год публикации - 2023)
10.51194/INASAN.2023.8.1.006

13. Жилкин А.Г., Шематович В.И., Цуриков Г.Н., Бисикало Д.В. Трехмерная численная модель для исследования высыпания электронов в верхние атмосферы экзопланет типа Венеры Астрономический журнал (год публикации - 2024)

14. А. А. Автаева, В. И. Шематович КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ СУБ-НЕПТУНА π Men с Астрофизический бюллетень, № 1, т. 80, 2025. (год публикации - 2024)

15. Цуриков Г. Н., Бисикало Д. В., Шематович В. И., Жилкин А. Г. Поиск биомаркеров с обсерваторией Спектр-УФ: молекула NO в атмосферах экзопланет у активных родительских звезд АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ (год публикации - 2024)

16. Шематович В.И., Бисикало Д.В., Цуриков Г.Н., Жилкин А.Г. Non-Thermal Processes of Nitric Oxide Formation during Precipitation of Auroral Electrons into the Upper Atmospheres of Terrestrial Planets Astronomy Reports, Astronomy Reports, 2024, Vol. 68, No. 8, pp. 843–864 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063772924700744

17. АВТАЕВА А.А., ШЕМАТОВИЧ В.И. КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕТЕПЛОВЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПОТЕРЬ ДЛЯ ЭКЗОПЛАНЕТЫ π Men c ПОД ДЕЙСТВИЕМ РОДИТЕЛЬСКОЙ ЗВЕЗДЫ Труды XVIII Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом». МЕЖДУНАРОДНАЯ БАЙКАЛЬСКАЯ МОЛОДЕЖНАЯ НАУЧНАЯ ШКОЛА ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ, Секция А. Астрофизика и физика Солнца. БШФФ-2024. с. 8 (год публикации - 2024)
10.62955/0135-3748-2024-8

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В соответствии с планом Проекта в 2024 году были созданы численные модели и проведены расчеты атмосферных биомаркеров в N2-O2 верхних атмосферах суб-нептунов и супер-земель, оценен рост лучевых концентраций окиси азота и, соответственно, изменение теплового режима N2-O2 верхней атмосферы горячей экзопланеты вследствие более высокой скорости выхолаживания в ИК линии 5.3 мкм NO в нижней термосфере горячей экзопланеты, проведено трехмерное МГД-моделирование течения в верхних слоях атмосферы земле-подобной экзопланеты с наведенным магнитным полем, а также оценена возможность обнаружения с помощью приборов космической обсерватории Спектр-УФ потенциального биомаркера NO в атмосферах известных экзопланет земного типа. Разработанные в рамках Проекта модели были протестированы на атмосферах Земли и Венеры, что позволило оценить их точность в сравнении с имеющимися данными наблюдений. Процессы, связанные с взаимодействием звездного ветра с атмосферой планеты земного типа, сопровождаются высыпанием электронов и приводят к увеличению концентрации NO в верхней атмосфере, что способствует росту вероятности обнаружения данной молекулы в особенности на экзопланетах в зоне потенциальной обитаемости у более активных звезд, чем Солнце. Для поставленной задачи нами была модифицирована кинетическая модель Монте-Карло (КММК) высыпания высокоэнергичных авроральных электронов в полярную атмосферу Земли (Biskalo et al., Universe, 2022). Используя результаты данной модели – функции распределения образовавшихся надтепловых атомов азота по кинетической энергии, мы также построили модель КММК, описывающую кинетику и перенос свежих надтепловых атомов N в полярной верхней атмосфере Земли (Shematovich et al., Atmosphere, 2023; Шематович и др., АЖ, 2024), что позволило верифицировать модель, так как для Земли имеются результаты довольно точных измерений. Были проведены расчеты зависимости максимумов объемной концентрации NO в атмосферах планет земного типа от потоков энергии высыпающихся электронов. Анализ полученных результатов показывает, что увеличение в пике концентрации NO с ростом потоков высокоэнергичных электронов происходит нелинейным образом при рассмотрении теплового механизма образования данной молекулы. При этом концентрация NO выходит на некоторый уровень насыщения с увеличением возмущений со стороны родительской звезды. Относительные значения концентрации NO при этом возрастают в 14 раз (E0 = 1 кэВ) и 35 раз (E0 = 4 кэВ) при изменении потоков Q0 с 1 до 100 эрг/см^2c. Дополнительный нетепловой канал образования NO может привести к приросту NO в атмосфере на 2 порядка величины по сравнению с тепловым каналом. Это, в свою очередь, подтверждает нашу гипотезу о том, что для активных родительских звезд образование NO в атмосферах экзопланет земного типа может быть более эффективно, чем в атмосфере Земли. Была построена трехмерная МГД-модель взаимодействия звездного ветра с атмосферой экзопланеты земного типа, не обладающей собственным магнитным полем (экзопланеты типа Венеры). Численная модель основана на приближении многокомпонентной магнитной гидродинамики, и учитывает процессы ионизации и рекомбинации. Валидация численной модели, проведенная на примере атмосферы Венеры, показала хорошее соответствие ее результатов данным измерений. Данные, полученные по результатам применения разработанной модели, расширяют наши возможности для обнаружения потенциального биомаркера NO в атмосферах экзопланет, имеющих, подобно Венере, только наведенное магнитное поле. Одной из основных задач Проекта является определение возможности обнаружения молекулы-биомаркера NO в N2-O2 атмосферах экзопланет с помощью космического телескопа (КТ) Спектр-УФ. Ранее нами были предложены условия, при которых обнаружение биомаркера NO с помощью КТ Спектр-УФ может быть возможно: если экзопланета подвержена более высоким потокам жесткого УФ излучения (XUV, 1-91.2 нм) и звездного ветра, чем Земля. Высокий XUV поток приводит к нагреву атмосферы и ее расширению, что сказывается на увеличении наблюдаемого радиуса экзопланеты. Благоприятным фактором для регистрации NO также является высокое содержание этой молекулы в верхней атмосфере. Из наблюдений атмосферы Земли известно, что молекула NO эффективно образуется в результате высыпания энергичных электронов из магнитосферы в полярные области. Интенсивные высыпания электронов в атмосферы экзопланет у активных звезд, могут приводить к увеличению концентрации NO и, соответственно, к повышению шансов для обнаружения этого биомаркера. В рамках этапа 2024 мы определили возможность обнаружения NO с КТ Спектр-УФ в атмосферах экзопланет у активных звезд, которые могут быть подвержены довольно сильным возмущениям со стороны звездного ветра, и, следовательно, большим потокам высыпающихся электронов. Для этого мы разработали модель образования окиси азота в результате тепловых и нетепловых процессов, сопровождающих высыпания энергичных электронов. Эта модель позволяет определить высотное распределение концентрации NO в атмосфере Земли и экзопланет земного типа. Напомним, что в рамках решения задачи мы предполагаем, что у экзопланет, которые мы исследуем, уже сформировалась N2-O2 атмосфера, аналогичная атмосфере Земли. Другие модели, разработанные в рамках Проекта, позволяют строить спектры поглощения атмосфер экзопланет и определять отношение сигнала к шуму для регистрации спектральных линий биомаркера NO с помощью КТ Спектр-УФ в ближнем УФ спектральном диапазоне. По результатам расчетов было показано, что наиболее подходящим для поиска молекулы NO прибором телескопа Спектр-УФ является спектрограф низкого разрешения с длинной щелью (СДЩ). C его помощью обнаружение биомаркера NO потенциально возможно за разумное наблюдательное время (< 200 часов наблюдений), с уровнем значимости 3σ в N2-O2 атмосферах экзопланет у активных звезд. Предельные расстояния от Земли до экзопланет для надежной регистрации спектральных линий NO составляет всего 2 пк, если условия в атмосферах экзопланет аналогичны земной атмосфере. Однако область поиска NO со Спектр-УФ существенно расширяется до 8 и 30 пк для типичных супер-земель и мини-нептунов, которые подвержены интенсивным высыпаниям электронов с потоком энергии в 80 раз больше, чем на Земле, и потоку жесткого УФ излучения активной звезды, равного 5 солнечным потокам. Помимо этого, мы определили, что как минимум три экзопланеты, находящиеся в зоне потенциальной обитаемости у своих родительских звезд, являются кандидатами для поиска молекулы-биомаркера NO в их атмосферах с помощью Спектр-УФ: • супер-земля τ Ceti e (обнаружить сигнал в γ-полосах NO в ее атмосфере возможно за 14 транзитов, суммарно 198 часов); • суб-нептун HD 192310 c (4 транзита, 52 часа наблюдений); • суб-нептун HD 31527 d (17 транзитов, 220 часов наблюдений).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Нет.