Evaluación del rango plausible de firmas biológicas de N2O en exoterres: un enfoque integrado de modelado biogeoquímico, fotoquímico y espectral

Resultados de GENIE que muestran (a) tasas de desnitrificación, (b) concentraciones de oxígeno en la superficie y (c) concentraciones de oxígeno bentónico en función del oxígeno atmosférico (en términos de % PAL; eje x) y la disponibilidad de fosfato (en términos de POL; y -eje). La desnitrificación se optimiza a niveles intermedios de oxígeno atmosférico, donde hay suficiente O2 en las aguas superficiales para estimular la producción de nitrato en la superficie a través de la nitrificación, pero no suficiente O2 para oxigenar las profundidades del océano, lo que suprimiría la desnitrificación.

astro-ph.EP

El óxido nitroso (N2O), un producto del metabolismo del nitrógeno microbiano, es un gas de firma biológica exoplanetario convincente con características espectrales distintivas de infrarrojo cercano y medio, y solo fuentes abióticas menores en la Tierra.

Investigaciones previas del N2O como firma biológica han examinado escenarios utilizando proporciones de mezcla o flujos superficiales de N2O similares a los de la Tierra, o aquellos inferidos del registro geológico de la Tierra. Sin embargo, los flujos biológicos de N2O podrían ser significativamente más altos debido a la falta de catalizadores metálicos o si el último paso del metabolismo de desnitrificación que produce N2 a partir de N2O nunca hubiera evolucionado.

Aquí, usamos un modelo biogeoquímico global junto con modelos fotoquímicos y espectrales para cuantificar sistemáticamente los límites de las abundancias plausibles de N2O y la detectabilidad espectral para estrellas de secuencia principal (FGKM) en órbita similares a la Tierra.

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Examinamos la acumulación de N2O en un rango de condiciones de oxígeno (1% a 100% del nivel atmosférico actual) y flujos de N2O (0.01 a 100 teramoles por año; Tmol = 10^12 mol) que son compatibles con la historia de la Tierra. Se encuentra que los flujos de N2O de 10 [100] Tmol año−1 conduciría a abundancias máximas de N2O de ~5 [50] ppm para análogos Tierra-Sol, 90 [1600] ppm para Tierras alrededor de enanas K tardías, y 30 [300] ppm para un TRAPPIST-1e similar a la Tierra.

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Simulamos espectros de emisión y transmisión para concentraciones intermedias y máximas de N2O que son relevantes para los telescopios espaciales actuales y futuros. Calculamos la detectabilidad de las características espectrales de N2O para escenarios de alto flujo para TRAPPIST-1e con JWST. Revisamos posibles falsos positivos, incluida la quimiotrificación y la producción abiótica a través de la actividad estelar, e identificamos discriminadores espectrales y contextuales clave para confirmar o refutar la biogenicidad del N2O observado.

Edward W. Schwieterman, Stephanie L. Olson, Daria Pidhorodetska, Christopher T. Reinhard, Ainsley Ganti, Thomas J. Fauchez, Sandra T. Bastelberger, Jaime S. Crouse, Andy Ridgwell, Timothy W. Lyons

Comentarios: 22 páginas, 17 figuras; ApJ, 937, 109
Materias: Astrofísica terrestre y planetaria (astro-ph.EP)
Citar como: arXiv:2210.01669 [astro-ph.EP] (o arXiv:2210.01669v1 [astro-ph.EP] para este lanzamiento)
https://doi.org/10.48550/arXiv.2210.01669
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Referencia revisada: ApJ, 937, 109 (2022)
DOI relacionado:
https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac8cfb
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Por: Edward Schwietermann
[v1] martes 4 de octubre de 2022 3:18:33 p. m. UTC (3599 KB)
https://arxiv.org/abs/2210.01669
Astrobiología,

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