Liv – men ikke som vi kender det

Efter en række fejlslagne missioner blev det i juli 1965 lykkedes for første gang at flyve forbi Mars. Den amerikanske Mariner 4 blev det første rumfartøj til at tage nærbilleder af en anden planet, idet den sendte 22 billeder af den slagtede Mars-overflade tilbage til Jorden. Siden da har mere end 20 vellykkede missioner udforsket den røde plantes atmosfære og overflade.

Takket være de billeder og data, der er indsamlet – og af teleskoper, både på jorden og i rummet – ved vi nu, at Mars for milliarder af år siden havde de tre kritiske ingredienser til liv. Den havde en overflod af de kemiske byggesten, flydende vand på overfladen og en energikilde (vulkansk aktivitet) til at drive de kemiske reaktioner, der gør liv muligt (på Jorden er denne energikilde solen). I dag mener man, at Mars’ ugæstfrie overflade er uegnet til liv, men man har ikke udelukket muligheden for, at der findes liv dybt under den frosne overflade. Indtil nu er der dog ikke fundet beviser på liv – hverken fra oldtiden eller andre steder. At Mars er beboelig, viser det sig, betyder ikke, at den faktisk har et levested.

Søgningen efter liv på Mars er i gang, og der er planlagt yderligere tre missioner til Mars, der skal opsendes i løbet af de næste par år. På længere sigt har en række rumagenturer også til hensigt at indsamle prøver fra Mars og sende dem tilbage til Jorden med henblik på en mere dybtgående analyse. Og søgningen efter tegn på udenjordisk liv strækker sig til dybet af vores solsystem og videre ud.

Europa

Gasgiganten Jupiter, den næste planet efter Mars i solsystemet, er ugæstfri for liv i enhver tænkelig form, som man i øjeblikket kan forestille sig. Men dens iskolde måner – især Europa – har potentiale. En række missioner har fløjet forbi Jupiter og dens måner på vej til andre steder, men Nasa’s Galileo-mission var den første, der var designet til specifikt at kredse om planeten og studere dens måner. Den indsamlede billeder og data i det jovianske system fra 1995 til 2003 og passerede Europa 12 gange.

Billeder og data indsamlet af denne rumsonde tyder på, at Europa har en lagdelt struktur ligesom Jorden: en jernrig kerne, en stenet kappe og en isskorpe. Målinger af det magnetiske felt fandt en elektrisk strøm indeni, hvilket stemmer overens med et salt flydende ocean under den tykke isskorpe, der omgiver hele planeten. Fotografier, der viser enorme revner i isen, som blev taget af den samme mission, understøtter denne idé.

Europas overflade ligner Jordens havis i Antarktis, forklarer François Poulet fra Institut for Rumastrofysik ved Université Paris-Sud i Frankrig: “Det tyder på, at isen er geologisk set ret ung, og det kunne være et bevis på, at den har interaktion med et reservoir af flydende vand. I december 2012 opdagede Hubble-rumteleskopet også vanddamp over Europas sydpol, og det blev foreslået, at det stammede fra udbrud af vandpupper. Rumfartøjer har dog endnu ikke set disse vandpupper, så hvis de eksisterer, må de være intermitterende.

Så Europa har sandsynligvis vand. Men hvad med de to andre nødvendige komponenter for at være beboelig? Den har en kilde til varmeenergi, som stammer fra den friktion, der opstår ved at blive trukket mod Jupiters tyngdefelt med forskellige mængder i de forskellige faser af dens elliptiske bane. Der er også masser af stråling omkring Jupiter, som potentielt kan starte kemiske reaktioner (stærk nok til også meget hurtigt at ødelægge enhver organisk forbindelse, der måtte blive dannet). Men om den har de rette rå kemiske ingredienser vides endnu ikke; modelberegninger tyder på det, men der er brug for flere konkrete data.

I 2022 planlægger både Den Europæiske Rumorganisation (ESA) og Nasa at opsende rumfartøjer, der skal komme helt tæt på Europa. ESA’s Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) vil tage over syv år at nå frem til det jovianske system. “Vi ankommer i slutningen af 2029 og begynder at operere i løbet af 2030”, siger Poulet, der er medlem af det hold, der udvikler det synlige og infrarøde spektrometer om bord kaldet Majis (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer). Juice-missionens hovedmål er Ganymedes, en anden af Jupiters måner, men Europa vil blive overhalet to gange. Majis skal karakterisere overfladesammensætningen af denne måne og – sammen med det UV-spektrometer, der er om bord – bestemme sammensætningen af Europas meget tynde atmosfære. Andre kameraer og spektrometre vil også bidrage til at skabe forståelse af denne isverdens indre og skorpe.

For Nasa’s Europa Clipper-mission er Europa stjernen i showet. Selv om den tilsyneladende oplagte mission ville være at kredse om Europa i et par år, ville ethvert rumfartøj, der gør dette, blive udsat for livsforkortende stråling fra Jupiter. I stedet vil Europa Clipper kredse om Jupiter og dykke ind og ud af dens strålingsbælte. Den vil foretage mindst 45 nærflyvninger af Europa i løbet af tre og et halvt år. En blanding af kameraer og spektrometre vil undersøge månen og dens spinkle atmosfære. Hvis der findes vandpustere over sydpolen, vil den også kunne flyve igennem dem og dermed direkte måle den kemiske sammensætning af månens hav. Hvis Europa Clipper opsendes i 2022, er der to mulige ankomsttidspunkter for den: 2025, hvis Nasa’s nye Space Launch System (SLS), der i øjeblikket er under udvikling, anvendes, eller januar 2030, hvis der anvendes en traditionel raket.

Enceladus

Månerne på Jupiters nabo Saturn er også topmål i jagten på fremmed liv, især Enceladus og Titan. Cassini ankom til Saturn-systemet i 2001 og foretog 23 overflyvninger af Enceladus og 127 af Titan, inden missionen sluttede i september 2017.

Den første forbiflyvning af Enceladus satte flag på, at det ikke var det luftløse islegeme, som man tidligere havde antaget, forklarer Linda Spilker, der er projektforsker på Cassini. Så Cassini tog tættere på, og så tættere igen. “Ved den tredje forbiflyvning opdagede vi i det termiske infrarøde lys en varm sydpol, og vi så på nært hold de fire tigerstribede brud,” siger hun. Tigerstriberne i nærheden af sydpolen er 200 °C varmere end resten af månen. Ligesom med Europa antages det, at friktion forårsaget af tyngdekraften fra Saturn betyder, at Enceladus varmes op indefra og ud.

Denne tredje overflyvning indsamlede også beviser for en plume af materiale, der sprøjter ud fra striberne. “Det gjorde os naturligvis endnu mere nysgerrige på Enceladus,” siger Spilker. “Nogle af de efterfølgende 20 overflyvninger fløj direkte gennem plumematerialet og udtog prøver af gasserne og partiklerne i det. Det var der, vi fandt vanddamp, et saltreservoir og organiske stoffer.”

Ion- og neutralmassespektrometeret om bord på Cassini påviste organiske molekyler i plysene, både i gasserne og i partiklerne i dem, op til instrumentets grænse. ‘De kunne detektere op til 100 atomare masseenheder. Der er grupper fra C2 til C6 og muligvis længere,” forklarer Spilker.

Vi fandt vanddamp, et saltreservoir og organiske stoffer fra Enceladus’ polarstråler

Og selv om det var ‘meget spændende at finde disse organiske stoffer’, er det endnu ikke muligt at sige, om de er dannet af levende væsener eller ej, forklarer hun. ‘Instrumentet har ikke en måde at skelne det på, vi er nødt til at gå tilbage med kraftigere massespektrometre, der går ud til et meget større område, som kan kigge efter modermolekyler med store kæder som aminosyrer og fedtsyrer.’

Andre spændende fund i plyndataene var overskuddet af brint og påvisningen af små korn af nanosilica, som kun kan dannes i meget varmt vand. “Disse to oplysninger pegede tilsammen på tegn på hydrotermiske slamper på Enceladus’ havbund”, siger Spilker. Hydrotermiske slamper dannes på steder, hvor havvand møder magma. Vandet går ned gennem sprækker i kernen, opvarmes og kommer så ud igen med kraft.

På Jorden vrimler hydrotermiske slamslukningssteder med organismer, som ikke ses andre steder. Disse mikrober får deres energi fra næringsstofferne i de mineralrige væsker, der kommer op fra Jordens kerne. Man mener, at de er de eneste organismer på Jorden, der ikke i sidste ende får deres energi fra solen. Hydrotermiske slamslukningssteder på Enceladus og andre planetariske legemer er derfor potentielle steder for liv.

Enceladus menes ligesom Europa at have et globalt ocean under sin isbelagte overflade. En undersøgelse af 10 års Cassini-data, hvor man har set på månens vibrationer, viste, at kernen og skorpen ikke er fastgjort sammen. “En måde at afkoble dem på er at have et globalt hav af flydende vand”, siger Spilker. “Der er nu anslået, at dette globale ocean på Enceladus kan være hundreder af millioner til endda milliarder af år gammelt – det kan endda have eksisteret siden dengang Enceladus blev dannet. Det er spændende, fordi det betyder, at der har været enormt meget tid i en enorm vandmasse til, at der potentielt kunne dannes liv, forklarer hun.

De data, som Cassini har indsamlet, viser, at Enceladus har de tre ingredienser, der er nødvendige for at understøtte liv, men der er endnu ikke fundet noget bevis for, at der rent faktisk er liv til stede. Teleskoper, forklarer Spilker, er ikke gode til at udforske denne måne: “Enceladus er meget lille, og den ligger meget tæt på Saturn, hvilket gør det svært at opdage den fra Jorden”. Og derfor er en yderligere mission her ønskværdig, forklarer hun.

Titan

Cassini var ikke det første rumfartøj, der besøgte Saturns måner. Voyager 1 besøgte området i 1980. Da forskerne gik tilbage for at genbehandle nogle af disse gamle billeder, efter at Cassini havde opdaget Enceladus’ plumes, opdagede de, at strålerne faktisk var blevet fanget på kamera 25 år tidligere.

Det var imidlertid Titan, der var hovedmålet for Nasa’s Voyager-mission. I 1944 opdagede astronomer ved hjælp af teleskoper, at denne måne havde en tyk atmosfære, der indeholdt metan. Data indsamlet af Voyager-rumfartøjer viste derefter, at den hovedsageligt bestod af kvælstof, nogle få procent metan og mindre mængder af kulbrinter som ethan, propan og acetylen. “Vi havde målinger fra Infrared Space Observatory i midten af 1990’erne, som hjalp os med at finde nogle mere komplekse molekyler,” forklarer Sarah Hörst, der er atmosfærekemiker ved Johns Hopkins University i Baltimore, USA. “Benzen var det tungeste molekyle, som vi kendte til før Cassini,” tilføjer hun.

Kemien bliver meget hurtigt meget kompliceret på Titan

“Cassini kom dertil og begyndte at foretage målinger af atmosfæren, og i stedet for at finde ting, der havde en masse på 78 som benzen, fandt Cassini ud af, at der er ioner på toppen af Titans atmosfære, der har en masse på mere som 10.000,” siger Hörst. “Så det er syv eller otte hundrede kulstofatomer i stedet for seks eller syv kulstofatomer.”

Instrumenterne om bord på Cassini – og dens Huygens-sonde, som landede på Titan i januar 2005 – var ikke i stand til at identificere disse ioner, men blot bekræfte, at de eksisterer. Disse molekyler dannes, når nitrogen og metan på ydersiden af atmosfæren nedbrydes af ultraviolet lys og stråling og derefter rekombineres på alle mulige måder. “Kemien bliver meget hurtigt meget kompliceret på Titan”, forklarer Ralph Lorenz, der også arbejder på Johns Hopkins University. Hörst er enig: “En af de største ting, som Cassini har fortalt os om Titan, er, at kemien er endnu mere kompliceret, end vi troede, før vi kom dertil.”

Titan menes også at have et hav af flydende vand under sin isede overflade. “Isskorpen er sandsynligvis meget tykkere på Titan, end den er på Europa og Enceladus,” siger Hörst. Igen, som man har mistanke om for de andre måner med underjordiske oceaner, kunne der eksistere liv dernede. Men dette er ikke det eneste miljø på Titan, hvor der potentielt kunne dannes liv.

Titan har søer på tværs af sine poler. Det er det eneste sted ud over Jorden, som man ved, at der er en væske på overfladen. Men med en overfladetemperatur på -180 °C kan disse ikke indeholde vand. Cassini-missionen fastslog, at de er fulde af superkoldt ethan og methan, som er gasser på Jorden. På Titan skærer disse flydende kulbrinter floddale, danner skyer og falder som regn på Titan. Men kunne de også fungere som det opløsningsmiddel, der er nødvendigt for at opretholde liv?

“Hvis der er organismer på overfladen, skal de bruge en meget anderledes kemi end os,” forklarer Hörst. “Den er måske stadig baseret på kulstof, kvælstof, brint og ilt. Det er måske bare et andet sæt molekyler, der fungerer bedre ved de temperaturer og det opløsningsmiddel.”

Organisk stof falder konstant ud af atmosfæren

“Vi forstår ikke rigtig hele spektret af kemiske muligheder i et upolært opløsningsmiddel som flydende metan,” forklarer Lorenz. “Der er blevet spekuleret i, at det kunne være muligt at danne membraner med acrylonitril. Ideen er, at denne form for samling kaldes et azotosom, en analog til liposomer i konventionel biologisk kemi”. De metanelskende og metanhadende ender af molekylerne kunne måske gøre det muligt for acrylonitril at arrangere sig i en sfærisk vesikel, der er i stand til at isolere et sæt kemikalier fra et andet.

‘Vi kender nogle muligheder for de funktioner, som acrylonitrilkemien skal udføre for i sidste ende at blive levende, men vi ved ikke, hvordan alle trin kan udføres. Vi ved selvfølgelig heller ikke, hvordan alle trinene kunne foregå i vand,” siger Lorenz. “Så det er to forskellige miljøer, som vi skal lede efter liv på Titan. Vi kan lede efter liv, som vi kender det, men også efter liv, som vi ikke kender det, hvilket komplicerer tingene.”

Hörst og Lorenz er en del af en mission på idéstadiet, der har til formål at gøre netop dette. I december 2017 annoncerede Nasa yderligere finansiering til at udvikle muligheden for at sende et drone-lignende rotorfly kaldet Dragonfly af sted for at udforske Titans præbiotiske kemi. I foråret 2019 vil Nasa offentliggøre, om Dragonfly vil lette eller ej.

“Hvis vi er så heldige, at Dragonfly bliver finansieret, vil vi blive opsendt i 2025, og vi kommer til Titan i 2034,” forklarer Lorenz. Dragonfly vil være en quadcopter, der kan flyve nogle få ti kilometer på en time, hvilket er længere end nogen planetarisk rover nogensinde har rejst. “Titan-miljøets særlige karakteristika med dets lave tyngdekraft og tykke atmosfære betyder, at det vil være meget let at flytte laboratoriet ved hjælp af rotorer. Vi vil kunne lette og udforske stadig mere interessante mål,” siger han.

Dragonfly vil indeholde en række instrumenter til at undersøge kemien på Titans overflade og i Titans atmosfære. Den vil også kunne sondere under overfladen ved hjælp af et bor og et gammastrålespektrometer. Det vil give os oplysninger om ting, som man ikke nødvendigvis kan se, hvis vi kun kigger på overfladen,” forklarer Hörst. ‘Organisk stof falder konstant ud af atmosfæren, og det kan dække over det, der er nedenunder.’

Forud for 2034 vil der fortsat blive brugt teleskoper til at studere Titan. “Atacama Large Millimetre Array”, et radioteleskop i Atacama-ørkenen i Sydamerika, er en virkelig utrolig ressource for os,” siger Hörst. “De bruger Titan som et kalibreringsmål, og alle disse data er offentligt tilgængelige. Folk er allerede ved at opdage en lang række nye molekyler i Titans atmosfære ved hjælp af disse data. Teleskopet vil også gøre det muligt at opdage oplysninger om, hvordan disse molekyler er fordelt i Titans atmosfære. “Og når James Webb lanceres, vil vi forhåbentlig også kunne få noget god Titan-videnskab fra det teleskop.”

Beyond our solar system

James Webb Space Telescope (JWST) er planlagt til at blive lanceret i første halvdel af 2019. Det vil “parkere” i Lagrangepunkt to, et sted i det dybe rum, hvor tyngdekraften fra solen, Jorden og månen ophæver hinanden. “Den vil bare sidde der og kredse om dette punkt i rummet”, forklarer Nikole Lewis, der er astronom ved Space Telescope Science Institute i Baltimore i USA, hvor JWST er ved at blive udviklet. Det er også det videnskabelige driftscenter for Hubble-rumteleskopet.

Ud over at studere planeter og måner i vores solsystem vil JWST kigge ud over vores solsystem og deltage i undersøgelsen af exoplaneter, der har potentiale til at huse liv. I februar 2017 blev det annonceret, at Trappist-1-stjernen har syv planeter på størrelse med Jorden i kredsløb om den. Dette solsystem er kun 39 lysår væk og ligner meget vores eget solsystem. Og mindst tre af planeterne befinder sig i den såkaldte beboelige zone, hvilket betyder, at de kan rumme flydende vand på deres overflader.

Trappist-1-planeterne blev fundet ved hjælp af Spitzer-rumteleskopet, Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (Trappist) i Chile og nogle andre jordbaserede teleskoper. Siden opdagelsen har et hold med Lewis i spidsen været i gang med at undersøge nogle af disse planeters atmosfærer ved hjælp af Hubble. JWST vil tilføje mange flere detaljer til det billede, som hendes hold er ved at danne sig af disse exoplaneter og deres atmosfærer.

JWST er et infrarødt teleskop med en langt større følsomhed end nogen af dets forgængere. Det vil være i stand til at registrere de kemiske fingeraftryk – hvis de er der – af komponenterne i exoplaneternes atmosfære, herunder vand, metan, kuldioxid, ilt og ozon.

Lewis’ hold vil også søge efter beviser for, at der er liv på en eller flere af disse planeter, som ændrer kemien i deres atmosfære. “Vi forventer, at visse kemiske arter er i balance, og at liv så ødelægger denne balance”, forklarer hun. “Vi vil være i stand til at undersøge et stort antal planeter for at finde tegn på ubalance i deres atmosfære, som kunne tyde på, at der er liv der.”

Lewis er helt klart begejstret for, hvad fremtiden kan bringe. “Det bliver en meget omvæltende tid med hensyn til exoplaneter og også videnskaben om solsystemet. Vi skal gå videre og forsøge at forstå månerne i vores solsystemer og måske deres potentiale til at bære liv”.