Незвичайний ефект допоможе визначити наявність важливого для життя газу на далеких планетах.
Найнадійніший спосіб вивчити щось у безкрайніх просторах космосу - це, що цілком логічно, туди злітати, зібрати зразки, повернути їх на Землю і віддати в руки дослідникам, які скрупульозно вивчать уздовж і поперек кожну позаземну піщинку. Однак провернути подібну операцію досить непросто. На сьогоднішній день таким чином вдалося добути лише трохи місячного грунту, та й то це сталося вже півстоліття тому. Свіжі «надходження» очікуються в грудні цього (2020) року, коли на Землю повинен повернутися японський зонд «Хаябуса-2» зі зразками ґрунту з астероїда Рюгу. Отримати ж зразки з поверхні нашого найближчого сусіда - Марса, дослідники сподіваються не раніше ніж через десять років.
Так що поки в арсеналі астрономів є лише міжпланетні зонди, штучні супутники і луно- і марсоходи, нехай і оснащені складними науковими приладами, але все ж їх можливості в плані аналізу на порядки менше, ніж можливості навіть досить скромної з оснащення дослідницької лабораторії на Землі. Але що робити, коли цікава планета знаходиться на недосяжній ніякими космічними апаратами відстані, якщо нас розділяють не мільйони кілометрів, а десятки світлових років?
Наприклад, якщо ми хочемо дізнатися більше про сім екзопланетів зірки TRAPPIST-1, яка знаходиться від нас на відстані 39.5 світлових років. Інтерес до цієї системи викликаний не тільки незвично великою кількістю землеподібних планет, але і тим, що частина з них може перебувати в так званій «населеній зоні» - це область, в якій на планеті можливе існування води в рідкій формі. Простіше кажучи, це не так близько до зірки, щоб вся вода випарувалася з поверхні екзопланети, але і не так далеко, щоб вся вода гарантовано замерзла. Якщо ж на екзопланеті крім води буде ще й кисень, то і шанси на існування на ній життя у звичному нам розумінні відчутно зростають.
Єдиний спосіб дізнатися щось про такі далекі світи - це використовувати світло, тільки воно може подолати таку величезну відстань і принести нам дорогоцінні крупиці інформації. Справа в тому, що коли промені світла зірки, навколо якої обертаються екзопланети, проходять крізь їх атмосфери, вони вступають з нею (тобто з атмосферою) у взаємодію. Певні частини спектру поглинаються певною молекулами, тому спостерігаючи на Землі, яких світлових «шматочків» не вистачає в дійшли до нас променях, можна припустити хімічний склад атмосфери екзопланети. Але на цьому шляху нас чекає відразу кілька проблем.
Якщо ми розташуємо телескоп зі спектрометром на поверхні Землі, то ми ризикуємо не побачити нічого корисного, в сенсі екзопланетного. Всьому виною буде земна атмосфера, яка сама практично повністю поглине більшу частину таких променів. Це буде виглядати, як спроба побачити зелене світло світлофора через червоний світлофільтр, який, власне, затримує все червоне світло. Щоб вирішити цю проблему, телескопи мають високо в горах, де дуже сухе повітря. А саме молекули води в атмосфері являють собою головний «світлофільтр». Однак навіть це не завжди допомагає вловити потрібне світло, і тоді телескопи виносять за межі земної атмосфери, що заважає спостереженням, як, наприклад, планований до запуску наступного року орбітальний інфрачервоний телескоп імені Джеймса Вебба. З його допомогою астрономи планують досягти великого прогресу у вивченні екзопланет.
Але це тільки одне, нехай і складне, але все-таки вирішуване завдання. Але в спробі виявити екзопланетний кисень спектроскопічними методами нас чекає інша проблема - газоподібний кисень не поглинає в інфрачервоному діапазоні. Чому ж пари води світло поглинали, а кисень - ні? Вся справа в будові молекул і принципах квантової хімії. Щоб молекула речовини змогла поглинути світло певної довжини хвилі, вона повинна мати дипольний момент. Це така властивість, яка характеризується несиметричністю розподілу електричних зарядів в молекулі. Якщо, наприклад, молекула складається тільки з двох, але при цьому різних атомів, один з яких заряджений позитивно, а інший - негативно, тоді у неї буде цей самий дипольний момент. Його образно можна уявити, як стрілочку, проведену від «плюса» до «мінуса». Якщо ж молекула складатиметься з двох однакових атомів, то жоден з них не буде відрізнятися від іншого електричним зарядом, тому і нашу стрілочку намалювати не вийде, а у такої молекули дипольний момент дорівнюватиме нулю. І таким молекулам квантова хімія «забороняє» взаємодіяти зі світлом. А це саме випадок кисню з усім відомою формулою O . Але навіть з цього квантово-хімічного глухого кута є незвичайний вихід.
Ще наприкінці XIX століття фізики помітили незвичайний ефект: при підвищеному тиску газоподібний кисень починає нехай і слабо, але поглинати світло в інфрачервоному діапазоні, а значить, з'являється можливість отримати «заборонений» спектр кисню. Пояснюється цей феномен досить просто. Чим вищий тиск, тим частіше окремі молекули кисню стикаються один з одним. За вкрай нетривалий час «тісного» контакту дві молекули кисню утворюють молекулярний комплекс. Це така дуже нестійка «молекула», яка розвалюється практично відразу після своєї освіти, але головне її гідність в іншому - у неї є той самий дипольний момент. А значить, перед тим, як розпастися назад на молекули кисню, вона може запозичити зі світлом, і квантова хімія не забороняє такий «обхідний манивр».
Саме цю особливість кисню запропонувала використовувати група дослідників з НАСА і декількох інших наукових центрів для пошуку кисню на екзопланетах. Стаття з описом можливості виявлення екзопланетного кисню за допомогою майбутнього телескопа імені - Джеймса Вебба, опублікована в Nature Astronomy (препринт статті доступний на сайті arxiv.org). Дослідники показали можливість виявити кисень в атмосфері екзопланет системи TRAPPIST-1 (якщо він там є, звичайно ж) в концентраціях, які можуть побічно свідчити про існування на них життя. Але, повторимося, щоб дізнатися це напевно, потрібно буде почекати мінімум пару років, коли на орбіту все-таки буде виведений і введений в дію новий телескоп.