Liv – men inte som vi känner till det

Efter en rad misslyckanden i uppdragen gjordes i juli 1965 de första lyckade flygningarna till Mars. Den amerikanska Mariner 4 blev den första rymdfarkosten som tog närbilder av en annan planet och sände 22 bilder av den genomslagskrävande Marsytan tillbaka till jorden. Sedan dess har mer än 20 framgångsrika uppdrag utforskat den röda plantens atmosfär och yta.

Tack vare de bilder och data som samlats in – och av teleskop, både på jorden och i rymden – vet vi nu att Mars för miljarder år sedan hade de tre kritiska ingredienserna för liv. Den hade ett överflöd av de kemiska byggstenarna, flytande vatten på ytan och en energikälla (vulkanisk aktivitet) för att driva de kemiska reaktioner som gör livet möjligt (på jorden är den energikällan solen). I dag anses den ogästvänliga ytan på Mars vara olämplig för liv, men möjligheten att liv existerar djupt under dess frusna yta har inte uteslutits. Hittills har man dock inte hittat några bevis på liv – vare sig gammalt eller annat -. Att Mars är beboelig, visar det sig, betyder inte att den faktiskt har en livsmiljö.

Sökandet efter marsianskt liv pågår, och ytterligare tre uppdrag till Mars planeras att skickas iväg under de närmaste åren. På längre sikt har ett antal rymdorganisationer också som mål att samla in prover från Mars och skicka tillbaka dem till jorden för mer djupgående analyser. Och sökandet efter tecken på utomjordiskt liv sträcker sig till djupet av vårt solsystem och längre bort.

Europa

Gasjätten Jupiter, nästa planet efter Mars i solsystemet, är ogästvänlig för liv i alla för närvarande tänkbara former. Men dess isiga månar – särskilt Europa – har potential. Ett antal uppdrag har flugit förbi Jupiter och dess månar på väg till andra platser, men Nasas Galileo-uppdrag var det första som utformades specifikt för att kretsa kring planeten och studera dess månar. Det samlade in bilder och data i Joviasystemet från 1995 till 2003 och passerade Europa 12 gånger.

Bilder och data som samlats in av rymdfarkosten tyder på att Europa har en skiktad struktur likt jorden: en järnrik kärna, en stenig mantel och en skorpa av is. Mätningar av magnetfältet visade att det finns en elektrisk ström inuti, vilket stämmer överens med ett salt flytande hav under den tjocka isskorpan som omsluter hela planeten. Fotografier som visar enorma sprickor i isen, tagna av samma uppdrag, stöder denna idé.

Europas yta liknar jordens havsis i Antarktis, förklarar François Poulet från institutet för rymdastrofysik vid Université Paris-Sud i Frankrike: ”Det tyder på att isen är geologiskt sett ganska ung, och det skulle kunna vara ett bevis på att den har interagerat med en reservoar av flytande vatten”. I december 2012 upptäckte rymdteleskopet Hubble också vattenånga ovanför Europas sydpol, och det föreslogs att detta kom från utbrott av vattenplymer. Rymdfarkoster har dock ännu inte sett dessa plymer, så om de finns måste de vara intermittenta.

Så, Europa har förmodligen vatten. Men hur är det med de andra två nödvändiga komponenterna för att vara beboelig? Den har en källa till värmeenergi som kommer från den friktion som uppstår när den dras mot Jupiters gravitationsfält med olika mycket under olika stadier av sin elliptiska bana. Det finns också gott om strålning runt Jupiter som kan starta kemiska reaktioner (tillräckligt stark för att mycket snabbt förstöra alla organiska föreningar som bildas). Men om den har de rätta kemiska råvarorna är ännu inte känt. Modellering tyder på det, men det behövs mer konkreta uppgifter.

Under 2022 planerar både Europeiska rymdorganisationen (ESA) och Nasa att skjuta upp rymdfarkoster som kommer att komma Europa nära och nära. ESA:s Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) kommer att ta över sju år att nå det jovianska systemet. Vi kommer att anlända i slutet av 2029 och börja arbeta under 2030, säger Poulet, som ingår i det team som utvecklar den synliga och infraröda spektrometer som finns ombord och som kallas Majis (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer). Huvudmålet för Juice-uppdraget är Ganymedes, en annan av Jupiters månar, men Europa kommer att få två förbiflygningar. Majis kommer att karakterisera ytans sammansättning på denna måne och – tillsammans med UV-spektrometern ombord – bestämma sammansättningen av Europas mycket tunna atmosfär. Andra kameror och spektrometrar kommer också att bidra till att öka förståelsen för denna isiga världs inre och skorpa.

För Nasas Europa Clipper-uppdrag är Europa stjärnan i showen. Även om det till synes uppenbara uppdraget skulle vara att kretsa runt Europa i några år, skulle alla rymdfarkoster som gör detta utsättas för livsförkortande strålning från Jupiter. Istället kommer Europa Clipper att kretsa runt Jupiter och dyka in och ut ur dess strålningsbälte. Den kommer att göra minst 45 närflygningar av Europa under tre och ett halvt år. En blandning av kameror och spektrometrar kommer att undersöka månen och dess tunna atmosfär. Om det verkligen finns vattenplymer ovanför sydpolen kommer den också att kunna flyga igenom dessa och därmed direkt mäta den kemiska sammansättningen av månens hav. Om Europa Clipper startar 2022 finns det två möjliga ankomsttider för den: 2025, om Nasas nya Space Launch System (SLS) som för närvarande är under utveckling används, eller januari 2030, om en traditionell raket används.

Enceladus

Monerna i Jupiters granne Saturnus är också toppmål i sökandet efter utomjordiskt liv, särskilt Enceladus och Titan. Cassini anlände till Saturnsystemet 2001 och genomförde 23 överflygningar av Enceladus och 127 av Titan innan uppdraget avslutades i september 2017.

Den första förbiflygningen av Enceladus gav upphov till flaggor om att det inte var den luftlösa iskropp som man tidigare trodde att det var, förklarar Cassinis projektforskare Linda Spilker. Så Cassini åkte närmare, och sedan närmare igen. Vid den tredje förbiflygningen upptäckte vi i det termiska infraröda ljuset en varm sydpol och vi såg på nära håll de fyra tigerstrimmiga sprickorna, säger hon. Tigerremsmarkeringarna nära sydpolen är 200 °C varmare än resten av månen. Precis som för Europa antar man att friktion orsakad av gravitationskrafter från Saturnus gör att Enceladus värms upp inifrån och ut.

Detta tredje förbiflygningstillfälle samlade också in bevis för att det finns en plym av material som sprutar ut från strimmorna. Det fick oss naturligtvis att bli ännu mer nyfikna på Enceladus, säger Spilker. Några av de följande 20 förbiflygningarna flög direkt genom plymamaterialet och tog prover på gaserna och partiklarna i det. Det var då vi hittade vattenånga, en saltreservoar och organiska ämnen.”

Ion- och neutrala masspektrometern ombord på Cassini upptäckte organiska molekyler i plymorna, både i gaserna och i partiklarna i dem, upp till instrumentets gräns. ’De kunde upptäcka upp till 100 atommassenheter. Det finns grupper av C2 till C6 och möjligen ännu längre”, förklarar Spilker.

Vi hittade vattenånga, en saltreservoar och organiska ämnen från Enceladus polarstrålar

Och även om det var ”mycket spännande att hitta dessa organiska ämnen” går det ännu inte att säga om de har bildats av levande varelser eller inte, förklarar hon. Instrumentet har inget sätt att göra den distinktionen, vi måste gå tillbaka med kraftfullare masspektrometrar och gå ut i ett mycket större område som kan leta efter modermolekyler med stora kedjor som aminosyror och fettsyror.”

Andra spännande fynd i data från plymorna var överskottet av vätgas och upptäckten av små korn av nanokiseldioxid, som bara kan bildas i mycket hett vatten. Dessa två delar av informationen pekade tillsammans på bevis för hydrotermiska skorstenar på Enceladus havsbotten, säger Spilker. Hydrotermiska skorstenar bildas på platser där havsvatten möter magma. Vatten går ner genom sprickor i kärnan, värms upp och kommer sedan ut igen med kraft.

På jorden kryllar hydrotermiska skorstenar av organismer som inte ses någon annanstans. Dessa mikrober får sin energi från näringsämnena i de mineralrika vätskor som kommer upp från jordens kärna. Man tror att de är de enda organismerna på jorden som i slutändan inte får sin energi från solen. Hydrotermiska skorstenar på Enceladus, och andra planetariska kroppar, är därför potentiella platser för liv.

Enceladus, liksom Europa, tros ha ett globalt hav under sin isiga yta. En studie av 10 års Cassini-data, där man tittar på månens vibrationer, visade att kärnan och skorpan inte är fasta tillsammans. Ett sätt att frikoppla dem är att ha ett globalt hav av flytande vatten, säger Spilker. ”Det finns nu uppskattningar om att detta globala hav på Enceladus kan vara hundratals miljoner eller till och med miljarder år gammalt – det kan till och med ha funnits sedan Enceladus bildades. Det är spännande eftersom det betyder att det har funnits en enorm tid i en enorm vattenmassa för att liv potentiellt ska kunna bildas, förklarar hon.

Den data som Cassini samlat in visar att Enceladus har de tre ingredienser som behövs för att stödja liv, men inga bevis för att det faktiskt finns liv har ännu hittats. Teleskop, förklarar Spilker, är inte bra för att utforska denna måne: ”Enceladus är mycket liten och ligger mycket nära Saturnus, vilket gör det svårt att upptäcka den från jorden”. Och av denna anledning är ett ytterligare uppdrag här önskvärt, förklarar hon.

Titan

Cassini var inte den första rymdfarkosten som besökte Saturnus månar. Voyager 1 besökte regionen 1980. När forskarna gick tillbaka för att bearbeta några av dessa gamla bilder, efter att Cassini hade upptäckt Enceladus plymer, insåg de att jetstrålarna faktiskt hade fångats med kamera 25 år tidigare.

Det var dock Titan som var huvudmålet för Nasas Voyager-uppdrag. År 1944 upptäckte astronomer med hjälp av teleskop att denna måne hade en tjock atmosfär som innehöll metan. Data som samlades in av Voyager-rymdfarkosten visade sedan att den till största delen bestod av kväve, några procent metan och mindre mängder kolväten som etan, propan och acetylen. Vi hade mätningar från Infrared Space Observatory i mitten av 1990-talet som hjälpte oss att hitta några mer komplexa molekyler, förklarar Sarah Hörst, atmosfärskemist vid Johns Hopkins University i Baltimore, USA. Bensen var den tyngsta molekyl som vi kände till före Cassini, tillägger hon.

Kemin blir mycket komplicerad mycket snabbt på Titan

”Cassini kom dit och började göra mätningar av atmosfären, och i stället för att hitta saker som hade en massa på 78, som bensen, upptäckte Cassini att det finns joner på toppen av Titans atmosfär som har en massa på mer än 10 000″, säger Hörst. Det är alltså sju- eller åttahundra kolatomer i stället för sex eller sju kolatomer.”

Instrumenten ombord på Cassini – och dess Huygens-sond, som landade på Titan i januari 2005 – kunde inte identifiera dessa joner, utan bara bekräfta att de existerar. Dessa molekyler bildas när kväve och metan på utsidan av atmosfären bryts ner av ultraviolett ljus och strålning och sedan rekombineras på alla möjliga sätt. Kemin blir mycket komplicerad mycket snabbt på Titan, förklarar Ralph Lorenz, också han vid Johns Hopkins University. Hörst håller med: ”En av de största sakerna som Cassini har berättat för oss om Titan är att kemin är ännu mer komplicerad än vad vi trodde innan vi kom dit.”

Titan tros också ha ett hav av flytande vatten under sin isiga yta. Isskorpan är förmodligen mycket tjockare på Titan än på Europa och Enceladus, säger Hörst. Återigen, som man misstänker för de andra månarna med oceaner under ytan, skulle det kunna finnas liv där nere. Men detta är inte den enda miljön på Titan där liv potentiellt skulle kunna bildas.

Titan har sjöar över sina poler. Det är den enda plats förutom jorden som man vet har en vätska på sin yta. Men med en yttemperatur på -180 °C kan dessa inte innehålla vatten. Cassini-uppdraget fastställde att de är fulla av superkalla etan och metan, som är gaser på jorden. På Titan skulpterar dessa flytande kolväten floddalar, bildar moln och faller som regn. Men kan de också fungera som det lösningsmedel som behövs för att stödja liv?

”Om det finns organismer på ytan måste de använda en helt annan kemi än vi”, förklarar Hörst. Den kan fortfarande vara baserad på kol, kväve, väte och syre. Det kan bara vara en annan uppsättning molekyler som fungerar bättre vid dessa temperaturer och med det lösningsmedlet.”

Organisk materia faller ständigt ut ur atmosfären

”Vi förstår inte riktigt hela skalan av kemiska möjligheter i ett opolärt lösningsmedel som flytande metan”, förklarar Lorenz. Det har spekulerats i att det skulle vara möjligt att bilda membran med akrylnitril. Tanken är att denna typ av sammansättning ska kallas azotosom, en analog till liposomen i konventionell biologisk kemi. De metanälskande och metanhatande ändarna av molekylerna skulle kunna göra det möjligt för akrylnitril att ordna sig i en sfärisk vesikel som kan isolera en uppsättning kemikalier från en annan.

’Vi känner till vissa möjligheter för de funktioner som akrylnitrilkemin måste utföra för att så småningom bli levande, men vi vet inte hur alla steg skulle kunna genomföras. Vi vet naturligtvis inte heller hur alla steg skulle kunna utföras i vatten, säger Lorenz. Det är alltså två olika miljöer som vi behöver leta efter liv på Titan. Vi kan leta efter liv som vi känner till, men också efter liv som vi inte känner till, vilket komplicerar saker och ting.”

Hörst och Lorenz ingår i ett uppdrag i idéstadiet som syftar till att göra just detta. I december 2017 tillkännagav Nasa ytterligare finansiering för att utveckla möjligheten att skicka en drönarliknande rotorfarkost kallad Dragonfly för att utforska Titans prebiotiska kemi. Under våren 2019 kommer Nasa att meddela om Dragonfly kommer att lyfta eller inte.

”Om vi har turen att Dragonfly får finansiering skulle vi skjuta upp 2025 och nå Titan 2034”, förklarar Lorenz. Dragonfly skulle vara en quadcopter som kan flyga några tiotals kilometer i timmen, längre än någon planetarisk rover någonsin har färdats. ”Titanmiljöns särdrag, med sin låga gravitation och tjocka atmosfär, innebär att det skulle vara mycket lätt att flytta labbet med hjälp av rotorer. Vi kommer att kunna lyfta och utforska allt mer intressanta mål”, säger han.

Dragonfly skulle ha en uppsättning instrument för att undersöka kemin i Titans yta och atmosfär. Den skulle också kunna undersöka under ytan med hjälp av en borr och en gammastrålspektrometer. Vi kommer att få information om saker som vi inte nödvändigtvis kan se om vi bara tittar på ytan”, förklarar Hörst. Organisk materia faller hela tiden ut ur atmosfären och kan dölja vad som finns under ytan.”

Före 2034 kommer teleskop att fortsätta att användas för att studera Titan. Atacama Large Millimetre Array, ett radioteleskop i Atacamaöknen i Sydamerika, är en otrolig resurs för oss, säger Hörst. De använder Titan som kalibreringsmål och alla dessa data är allmänt tillgängliga. Med hjälp av dessa data har man redan upptäckt ett stort antal nya molekyler i Titans atmosfär. Teleskopet kommer också att göra det möjligt att upptäcka information om hur dessa molekyler är fördelade i Titans atmosfär. ”Och när James Webb väl lanseras kommer vi förhoppningsvis att kunna få bra Titanforskning från det teleskopet också.”

Bortom vårt solsystem

Rymdteleskopet James Webb Space Telescope (JWST) ska enligt planerna lanseras under första halvan av 2019. Det kommer att ”parkera” i Lagrangepunkt två, en plats i det djupa rymden där solens, jordens och månens gravitationskraft upphäver varandra. Den kommer bara att sitta där och kretsa runt den punkten i rymden, förklarar Nikole Lewis, astronom vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, USA, där JWST håller på att utvecklas. Det är också det vetenskapliga driftcentret för rymdteleskopet Hubble.

Som att studera planeter och månar i vårt solsystem kommer JWST att titta bortom vårt solsystem och delta i studiet av exoplaneter som har potential att hysa liv. I februari 2017 tillkännagavs det att stjärnan Trappist-1 har sju planeter av jordstorlek som kretsar runt den. Bara 39 ljusår bort ser detta solsystem mycket likt vårt eget ut. Och minst tre av planeterna befinner sig i den så kallade beboeliga zonen, vilket innebär att de skulle kunna hysa flytande vatten på sina ytor.

Planeterna i Trappist-1 hittades med hjälp av rymdteleskopet Spitzer, Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (Trappist) i Chile och några andra jordbaserade teleskop. Sedan de upptäcktes har en grupp under ledning av Lewis undersökt några av dessa planeters atmosfärer med hjälp av Hubble. JWST kommer att ge många fler detaljer till den bild som hennes grupp för närvarande skapar av dessa exoplaneter och deras atmosfärer.

JWST är ett infrarött teleskop med mycket större känslighet än någon av sina föregångare. Det kommer att kunna upptäcka de kemiska fingeravtrycken – om de finns – från komponenter i exoplaneternas atmosfärer, däribland vatten, metan, koldioxid, syre och ozon.

Lewis team kommer också att leta efter bevis för att det finns liv på en eller flera av dessa planeter, som förändrar kemin i deras atmosfär. Vi förväntar oss att vissa kemiska arter ska vara i balans och att liv ska rubba den balansen, förklarar hon. Vi kommer att kunna söka igenom ett stort antal planeter och leta efter tecken på obalans i deras atmosfärer som skulle kunna tyda på att det finns liv där.”

Lewis är helt klart entusiastisk över vad framtiden kan komma att föra med sig. ”Det kommer att bli en mycket omvälvande tid när det gäller exoplaneter och även vetenskapen om solsystemet. Vi måste gå vidare och försöka förstå månarna i våra solsystem och deras potential att stödja liv.