NO BIOMARKER: TRANSMISSION AND EMISSION METHODS FOR ITS POTENTIAL DETECTION IN EXOPLANET ATMOSPHERES WITH SPEKTR-UF (WSO-UV)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Among all habitability factors for terrestrial exoplanets, one of the most important is the presence of a secondary N2–O2 dominant atmosphere in an exoplanet. This factor can potentially indicate the already existing geological and biological processes on the exoplanet. Meanwhile, direct characterization of the N2–O2 atmospheres of terrestrial exoplanets is a difficult observational task. There are only a few indicators (molecules) of such an atmosphere, among which one can single out a potential biomarker – a molecule of nitric oxide NO. The strongest spectral features of this molecule in the ultraviolet range are γ-bands (203–248 nm). An important role in the search for potential biomarkers on exoplanets, including the registration of NO γ‑bands, can be played by planned for the launch WSO-UV space observatory. In the paper estimates of the possibility of detecting the transmission of light in γ-bands in the atmospheres of exoplanets with this observatory are presented. The methods of emission and transmission spectroscopy are compared as applied to the detection of NO. Based on the results of this work, it is shown that there is a potential possibility of detecting a transmission signal in the NO γ-bands in the atmospheres of nearby exoplanets (<10 pc) using the LSS spectrograph of the WSO-UV observatory. At the same time, the imposed restrictions for the registration of this signal on more distant exoplanets are presented.

About the authors

G. N. Tsurikov

Institute of Astronomy of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tsurikov@inasan.ru
Russia, Moscow

D. V. Bisikalo

National Centre for Physics and Mathematics; Institute of Astronomy of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: bisikalo@inasan.ru
Russia, Sarov; Russia, Moscow

References

  1. J. Kasting, D. Whitmire, and R. Reynolds, Icarus 101, 1, 108–128 (1993).
  2. A. Nakayama, M. Ikoma, and N. Terada, Astrophys. J. 937, 72 (2022).
  3. H. Lammer, L. Sproß, J. L. Grenfell, M. Scherf, et al., Astrobiology 19, 7 (2019).
  4. L. Sproß, M. Scherf, V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and H. Lammer, Astronomy Reports 65, No. 4 (2021).
  5. Y. Betremieux and L. Kaltenegger, Astrophys. J. Lett. 772, L31, 6 (2013).
  6. E. W. Schwieterman, S. L. Olson, D. Pidhorodetska, C. T. Reinhard, et al., Astrophys. J. 937, 109, 22 (2022).
  7. S. Seager, M. Schrenk, and W. Bain, Astrobiology 12, 1, 61–82 (2012).
  8. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and J. C. Gérard, Geophysical Research Letters 18, 1691–1693 (1991).
  9. V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and J. C. Gérard, Annales Geophysicae 10, 792–801 (1992).
  10. V. Shematovich, D. Bisikalo, and G. Tsurikov, Atmosphere 14, 1092, 15 (2023).
  11. D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, and B. Hubert, Universe 8, 437–451, (2022).
  12. J. C. Gérard, V. I. Shematovich, and D. V. Bisikalo, Geophysical Research Letters 18, 1695–1697 (1991).
  13. J.-C. Gérard, V. I. Shematovich, and D. V. Bisikalo, Geophysical Monograph Series. The Upper Mesosphere and Lower Thermosphere: A Review of Experiment and Theory, Vol. 87 (1995).
  14. J.-C. Gérard, D. V. Bisikalo, V. I. Shematovich, and J. W. Duff, Journal of Geophysical Research 102, A1 (1997).
  15. C. A. Barth, Piana Space Sci. 40, No. 24 (1992).
  16. C. A. Barth, K. D. Mankoff, S. M. Bailey, S. C. Solomon, Journal of Geophysical Research 108, No. A1 (2003).
  17. Б. Ф. Гордиец, Ю. Н. Куликов, М. Н. Марков, М. Я. Маров, Труды ФИАН: Инфракрасная спектроскопия космического вещества и свойства среды в космосе, 130 (1982).
  18. Г. Н. Цуриков, Д. В. Бисикало, Астрон. журн. 100, № 2, 144–165 (2023).
  19. A. A. Boyarchuk, B. M. Shustov, I. S. Savanov, M. E. Sach-kov, D. V. Bisikalo, et al., Astronomy Reports 60 (2016).
  20. B. M. Shustov, M. E. Sachkov, S. G. Sichevsky, R. N. Arkhangelsky, et al., Solar System Research 55, No. 7 (2021).
  21. M. Sachkov, Ana Inés Gómez de Castro, B. Shustov, et al., Proc. SPIE., 12181 (2022).
  22. F. Schreier, S. Gimeno García, P. Hochstaffl, and S. Städt, Atmosphere 10, 5, 262 (2019).
  23. F. Schreier, S. G. Garcia, P. Hedelt, et al., Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 137, 29 (2014).
  24. F. Schreier, S. Städt, P. Hedelt, and M. Godolt, Molecular Astrophysics 11, 1 (2018).
  25. H. Keller-Rudek, G. K. Moortgat, R. Sander, and R. Sörensen, The MPI-Mainz UV/VIS spectral atlas of gaseous molecules of atmospheric interest, Earth System Science Data, 5, 365–373 (2013).
  26. W. Schneider, G. K. Moortgat, J. P. Burrows, and G. S. Tyndall, Journal of Photochemistry and Photobiology. A: Chemistry 40, 195–217 (1987).
  27. G. Selwyn, J. Podolske, and H. S. Johnston, Geophysical Research Letters 4, 427–430 (1977).
  28. C. Y. R. Wu, B. W. Yang, F. Z. Chen, D. L. Judge, J. Caldwell, and L. M. Trafton, Icarus 145, 289–296 (2000).
  29. I. E. Gordon, L. S. Rothman, R. J. Hargreaves, et al., Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 277, 107949 (2022).
  30. M. W. P. Cann, R. W. Nicholls, W. F. J. Evans, J. L. Kohl, et al., Applied Optics 18, 7, 964 (1979).
  31. D. R. Bates, Planel. Space Sa. 32, 6, 7855790 (1984).
  32. H. Trad, P. Higelin, N. Djebaïli-Chaumeix, and C. Mounaim-Rousselle, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 90, 275–289 (2005).
  33. J. Luque and D. R. Crosley, LIFBASE: database and spectral simulation Program (Version 1.5), SRI International Report MP 99-009 (1999).
  34. A. J. D. Farmer, V. Hasson, and R. W. Nicholls, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 9 (1972).
  35. G. V. Marr, Proceedings of the Physical Society 83, 2 (1964).
  36. F. G. Eparvier and C. A. Barth, Journal of Geophysical Research 97, A9 (1992).
  37. J. B. Tatum, Astrophysical Journal Supplement 14, 21 (1967).
  38. J. R. Reisel, C. D. Carter, and N. M. Laurendeau, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 47, 1 (1992).
  39. R. Engleman and Jr. P. E. Rouse, Journal of Molecular Spectroscopy 37 (1971).
  40. A. Garcia Munoz, M. R. Zapatero Osorio, R. Barrena, et al., Astrophys. J. 755, 103 (2012).
  41. U. S. Standard Atmosphere, 1976 (U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1976).
  42. G. P. Anderson, S. A. Clough, F. X. Kneizys, J. H. Chetwynd, and E. P. Shettle, Atmospheric Constituent Profiles (0–120 km) (AFGL), TR-86-0110 (1986).
  43. J. T. Emmert, D. P. Drob, J. M. Picone, D. E. Siskind, M. Jones, M. G. Mlynczak, et al. Earth and Space Science 8 (2021).
  44. A. Y. Chang, M. D. Di Rosa, and R. K. Hanson, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 47, №5, 375–390, (1992).
  45. M. D. Di Rosa and R. K. Hanson, Journal of Molecular Spectroscopy 164, № 1, 97–117 (1994).
  46. J. C. Gérard, C. A. Barth, Journal of Geophysical Research 82, 4 (1977).
  47. H. Rauer, S. Gebauer, P. v. Paris, J. Cabrera, et al., Astron. and Astrophys. 529, A8 (2011).
  48. L. Fossati, D. V. Bisikalo, H. Lammer, B. M. Shustov, M. E. Sachkov, et al., Astrophysics and Space Science 354, 1 (2014).
  49. M. Sachkov, B. Shustov, and Ana Inés Gómez de Castro, Proc. SPIE. 9144, 914402 (2014).
  50. A. Shugarov, I. Savanov, M. Sachkov, P. Jerram, et al., Astrophys. and Space Sci. 2014, 354, 1 (2014).
  51. D. E. Siskind, C. A. Barth, and R. G. Roble, Journal of Geophysical Research 94, A12 (1989a).
  52. D. E. Siskind, C. A. Barth, D. S. Evans, and R. G. Roble, Journal of Geophysical Research 94, A12 (1989b).
  53. M. L. Hill, K. Bott, P. A. Dalba, T. Fetherolf, et al., Astron. J. 165, 2 (2023).
  54. L. Kaltenegger and W. A. Traub, Astrophys. J. 698 (2009).
  55. A. Segura, K. Krelove, J. F. Kasting, D. Sommerlatt, et al., Astrobiology 3, 4 (2003).
  56. A. Segura, J. F. Kasting, V. Meadows, M. Cohen, et al., Astrobiology 5, 6 (2005).
  57. V. S. Meadows, G. N. Arney, E. W. Schwieterman, J. Lustig-Yaeger, et al., Astrobiology 18, 2 (2018).
  58. R. O. P. Loyd, E. L. Shkolnik, A. C. Schneider, T. Ri-chey-Yowell, et al., Astrophys. J., 890, 23, 21 (2020).
  59. P. Morrissey, T. Conrow, T. A. Barlow, T. Small, et al., Astrophys. J. Suppl. Ser. 173, 2 (2007).
  60. J. L. Linsky and M. Güdel, Exoplanet Host Star Radiation and Plasma Environment (In: Lammer H., Khodachenko M. (eds) Characterizing Stellar and Exoplanetary Environments. Astrophysics and Space Science Library, Springer, Cham., 411, 2015).
  61. И. С. Саванов, Астрофизический бюллетень 76, No. 2 (2021).
  62. S. R. Langhoff, C. W. Bauschlicher, and H. Partridge, Theoretical study of the NO γ system. The Journal of Chemical Physics 89, 8 (1988).
  63. T. Holstein, Physical Review 72, 12 (1947).
  64. V. I. Shematovich and M. Ya. Marov, Physics Uspekhi 61, 217–246 (2018).
  65. Г. Берд, Молекулярная газовая динамика (М.: Мир, 319, 1981).
  66. A. J. Pickles, Publ. Astron. Soc. Pacif. 110, 749 (1998).
  67. Z. Sviderskiene, Vilnius Astronomijos Observatorijos Biuletenis 80, 3 (1988).
  68. C. C. Wu, T. B. Ake, A. Bogges, et al., NASA Newsletter № 22 (1983).
  69. R. Barnes, R. Luger, R. Deitrick, P. Driscoll, et al., Publ. Astron. Soc. Pacif. 132, 1008, 61 (2020).
  70. R. K. Kopparapu, R. Ramirez, J. F. Kasting, V. Eymet, et al., Astrophys. J. 765, 2, 16 (2013).
  71. J.-C. Gérard, L. Soret, V. I. Shematovich, D. V. Bisikalo, and S. W. Bougher, Icarus 288, 284–294 (2017).
  72. C. P. Johnstone, M. L. Khodachenko, T. Lüftinger, K. G. Kislyakova, H. Lammer, and M. Güdel, Astron. and Astrophys. 624, L10 (2019).
  73. C. P. Johnstone, H. Lammer, K. G. Kislyakova, M. Scherf, and M. Güdel, Earth and Planetary Science Letters 576 (2021).
  74. R. Luger and R. Barnes, Astrobiology 15, 2 (2015).
  75. V. S. Airapetian, A. Glocer, G. V. Khazanov, R. O. P. Loyd, K. France, et al., Astrophys. J. Lett. 836, L3 (2017).
  76. O. Guyon, E. A. Pluzhnik, M. J. Kuchner, B. Collins, and S. T. Ridgway, Astrophys. J. Suppl. Ser. 167, 81Y99 (2006).
  77. A. Tavrov, S. Kameda, A. Yudaev, I. Dzyuban, et al., Journal of Astronomical Telescopes Instruments and Systems 4, 04, 1 (2018).
  78. A. Tavrov, O. Korablev, L. Ksanfomaliti, A. Rodin, P. Frolov, et al., Optics Letters 36, 11 (2011).
  79. P. Frolov, I. Shashkova, Y. Bezymyannikova, A. Kiselev, and A. Tavrov, Journal of Astronomical Telescopes, Instruments and Systems 2, 1 (2015).
  80. T. D. Robinson, K. R. Stapelfeldt, and M. S. Marley, Publ. Astron. Soc. Pacif. 128, 22 (2016).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (76KB)
Indexing metadata
3.

Download (398KB)
Indexing metadata
4.

Download (75KB)
Indexing metadata
5.

Download (435KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Г.Н. Цуриков, Д.В. Бисикало

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».