NASA bruger Jorden som laboratorium til at studere fjerne verdener

Studiet af exoplaneter - planeter, der ligger uden for vores solsystem - kunne hjælpe videnskabsmænd med at besvare store spørgsmål om vores plads i universet, og om der eksisterer liv hinsides Jorden. Men, disse fjerne verdener er ekstremt svage og svære at afbilde direkte. En ny undersøgelse bruger Jorden som en stand-in for en exoplanet, og viser, at selv med meget lidt lys - så lidt som en pixel - er det stadig muligt at måle nøglekarakteristika for fjerne verdener.

Den nye undersøgelse bruger data fra NASAs Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC) instrument, som er ombord på National Oceanic and Atmospheric Administration's Deep Space Climate Observatory, eller DSCOVR, satellit. DSCOVR går rundt om solen ved Lagrange punkt 1, en specifik bane, der giver EPIC et konstant udsyn til vores hjemmeplanets solbeskinnede overflade. EPIC har observeret Jorden kontinuerligt siden juni 2015, producere nuancerede kort over planetens overflade i flere bølgelængder, og bidrage til undersøgelser af klima og vejr.

EPIC-instrumentet fanger reflekteret lys fra Jorden i 10 forskellige bølgelængder, eller farver. Så, hver gang EPIC "tager et billede" af Jorden, den tager faktisk 10 billeder. Den nye undersøgelse beregner gennemsnittet af hvert billede til en enkelt lysstyrkeværdi, eller hvad der svarer til ét "enkeltpixel" billede for hver bølgelængde. En enkelt, et-pixel snapshot af planeten ville give meget lidt information om overfladen. Men i den nye undersøgelse, forfatterne analyserede et datasæt, der indeholdt enkeltpixelbilleder taget flere gange om dagen, i 10 bølgelængder, over en længere periode. På trods af at hele planeten var blevet reduceret til et enkelt lyspunkt, forfatterne var i stand til at identificere vandskyer i atmosfæren og måle planetens rotationshastighed (længden af ​​dens dag). Forfatterne siger, at undersøgelsen, i udgaven af ​​27. juni Astrofysisk tidsskrift , demonstrerer, at den samme information kunne udledes af enkeltpixel-observationer af exoplaneter.

"Fordelen ved at bruge Jorden som proxy for en exoplanet er, at vi kan verificere vores konklusioner afledt af enkeltpixel-data med det væld af data, som vi faktisk har for Jorden - det kan vi ikke gøre, hvis vi bruger data fra en fjern, faktiske exoplanet, " sagde Jonathan Jiang, en atmosfærisk og klimaforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, og hovedforfatter på det nye studie.

Et lille lyspunkt

Da Jiangs datter, Teresa, var i folkeskolen, han organiserede en stjerneobservationsbegivenhed for hende og hendes venner. Jiang pegede på stjernerne, og fortalte sin datter, at Solen også er stjerne, og at der er planeter, der kredser om andre stjerner, ligesom planeter kredser om Solen. Hun pressede sin far for mere information, spørger, hvordan videnskabsmænd overhovedet kunne lære om disse fjerne verdener fra så små lyspunkter på himlen.

"Børn stiller en masse gode spørgsmål, " sagde Jiang. "Og det spørgsmål sad fast i mit sind - hvis jeg kan se en exoplanet som kun et lille lyspunkt, kan jeg se skyer og oceaner og land?"

Jiang begyndte sin karriere inden for astrofysik, men for sin ph.d. arbejde, han besluttede at anvende sine computer- og fysiske modelleringskompetencer til Jordens klima. Nu, han bruger klimadata til at hjælpe studiet af exoplaneter. Exoplaneter er betydeligt svagere end stjerner og meget sværere at opdage. Jorden, for eksempel, er omkring 10 milliarder gange svagere end Solen. Kun omkring 45 exoplaneter er blevet opdaget ved direkte billeddannelse, som alle er meget større end Jorden. Størstedelen af ​​kendte exoplaneter (over 3, 700 er blevet bekræftet) blev opdaget indirekte, ved hjælp af teknikker såsom transitmetoden, hvor videnskabsmænd observerer en stjernes svage dæmpning forårsaget af en exoplanets passage hen over stjernens overflade.

EPIC-instrumentet fanger reflekteret lys fra den solbelyste side af Jorden i 10 forskellige bølgelængder, eller farver, fordi forskellige materialer reflekterer forskellige bølgelængder af lys i forskellig grad - planter, for eksempel, reflekterer for det meste grønt lys. Og en rødlig planet som Mars, for eksempel, ville have en meget anderledes farveprofil sammenlignet med en planet dækket af is.

Den nye undersøgelse viser, at ved at observere en planet med forskellige træk over tid – såsom oceaner og kontinenter – er det muligt at måle planetens rotationshastighed ved at observere et gentaget mønster i det reflekterede lys. Dette mønster ville opstå fra de planetariske træk, der bevæger sig til syne med en regelmæssig kadence. For eksempel, hver 24 timer, Australien og Stillehavet fylder EPICs synsfelt, og omkring 12 timer senere fylder Sydamerika og Atlanterhavet rammen, med Afrika og Det Indiske Ocean forbi imellem. Dette mønster med skiftende lys ville gentage sig dag efter dag. I det nye blad, forfatterne viser, at de kan detektere denne gentagne cyklus og dermed bestemme rotationshastigheden, eller længden af ​​planetens dag. En planets rotationshastighed kan afsløre information om, hvordan og hvornår planeten blev dannet, og er en særlig svær egenskab at måle med nuværende metoder.

"Folk har i nogen tid talt om at bruge denne tilgang til at måle rotationshastigheden af ​​exoplaneter, men der har ikke været demonstreret, at det kunne fungere, fordi vi ikke havde nogen reelle data, " sagde Renyu Hu, en exoplanetforsker ved JPL og en medforfatter på det nye studie. "Vi har vist, at i alle bølgelængder, 24-timers perioden vises, hvilket betyder, at denne tilgang til måling af planetrotation er robust."

Forfatterne bemærker, imidlertid, at effektiviteten af ​​denne metode vil afhænge af planetens unikke egenskaber. Et dagligt cyklusmønster er muligvis ikke synligt på en planet, der stort set er homogen over dens overflade. Venus, for eksempel, er dækket af tykke skyer og har ingen oceaner på overfladen, så et tilbagevendende dagsmønster vises muligvis ikke, eller måske ikke er tydelig nok til at observere i et billede med én pixel. Planeter som Merkur og Mars ville også være udfordrende, men Jiang sagde planetariske træk som kratere også kunne bidrage til et mønster, der kunne bruges til at måle rotationsperioden.

Billeddannelse af exoplaneter

Tidligere undersøgelser brugte Jorden som en proxy for exoplaneter, at undersøge, hvilke slags planetariske egenskaber der kunne udledes langvejs fra, men ingen tidligere undersøgelser har set på så mange bølgelængdebånd. Dette er også den første sådan undersøgelse, der fanger et så stort datasæt, taget over en længere periode:den brugte mere end 27 måneders observationer, med billeder taget af EPIC omkring 13 gange om dagen.

Direkte observationer af exoplaneter har langt færre data end hvad der blev brugt i den nye undersøgelse, men forskerne rapporterer, at for at måle rotationshastigheden af ​​en exoplanet med mere end 90 procent sikkerhed ville det kræve at tage billeder kun to til tre gange pr. omløbsperiode (dvs. pr. "dag" på den pågældende exoplanet) i omkring syv omløbsperioder.

Mængden af ​​tid, som astronomer skal observere en exoplanet for at identificere dens rotationshastighed, afhænger også af, hvor meget uønsket lys, der er inkluderet i exoplanetdataene. EPIC-dataene giver et usædvanligt klart billede af Jorden, stort set uhindret af lys fra andre kilder. Men en primær udfordring ved direkte billeddannelse af exoplaneter er, at de er så meget svagere end deres forældrestjerner. Lyset fra den nærliggende stjerne kan nemt overdøve lyset fra en exoplanet, gør sidstnævnte usynlig. Med signalet fra planeten, der konkurrerer med lyset fra stjernen, det kan tage længere tid at skelne et mønster, der kunne afsløre planetens rotationshastighed. NASA undersøger potentielle designs til næste generations teleskoper, der muligvis kan direkte afbilde exoplaneter i jordstørrelse.

Med feltet af exoplanet direkte billeddannelse bevæger sig fremad, Jiang er ikke færdig med at tænke på det spørgsmål, hans datter stillede ham for mere end ti år siden. Hvis videnskabsmænd kan lære om overfladeegenskaberne på fjerne planeter, så kunne de svare på et endnu større spørgsmål, som hans datter stillede – er nogen af ​​disse planeter vært for liv?