Hubble bruger Jorden som proxy til at identificere ilt på potentielt beboelige exoplaneter

Ved at drage fordel af en total måneformørkelse, astronomer, der bruger NASAs Hubble-rumteleskop, har opdaget Jordens eget mærke af solcreme - ozon - i vores atmosfære. Denne metode simulerer, hvordan astronomer og astrobiologiforskere vil søge efter beviser på liv hinsides Jorden ved at observere potentielle "biosignaturer" på exoplaneter (planeter omkring andre stjerner).

Hubble så ikke direkte på Jorden. I stedet, astronomerne brugte månen som et spejl til at reflektere sollys, som var gået gennem jordens atmosfære, og reflekterede derefter tilbage mod Hubble. Brug af et rumteleskop til observationer af formørkelse reproducerer de betingelser, under hvilke fremtidige teleskoper vil måle atmosfærer af transiterende exoplaneter. Disse atmosfærer kan indeholde kemikalier af interesse for astrobiologi, studiet af og søgen efter liv.

Selvom der tidligere er blevet foretaget adskillige jordbaserede observationer af denne art, det er første gang, en total måneformørkelse blev fanget ved ultraviolette bølgelængder og fra et rumteleskop. Hubble opdagede det stærke spektrale fingeraftryk af ozon, som absorberer noget af sollyset. Ozon er vigtigt for livet, fordi det er kilden til det beskyttende skjold i Jordens atmosfære.

På jorden, fotosyntese over milliarder af år er ansvarlig for vores planets høje iltniveauer og tykke ozonlag. Det er en af ​​grundene til, at forskere tror, ​​at ozon eller ilt kan være et tegn på liv på en anden planet. og omtaler dem som biosignaturer.

"Det er vigtigt at finde ozon, fordi det er et fotokemisk biprodukt af molekylært oxygen, som i sig selv er et biprodukt af livet, " forklarede Allison Youngblood fra Laboratory for Atmospheric and Space Physics i Boulder, Colorado, ledende forsker i Hubbles observationer.

Selvom ozon i Jordens atmosfære var blevet opdaget i tidligere jordbaserede observationer under måneformørkelser, Hubbles undersøgelse repræsenterer den stærkeste påvisning af molekylet til dato, fordi ozon - målt fra rummet uden interferens fra andre kemikalier i jordens atmosfære - absorberer ultraviolet lys så stærkt.

Hubble registrerede ozon, der absorberede noget af Solens ultraviolette stråling, der passerede gennem kanten af ​​Jordens atmosfære under en måneformørkelse, der fandt sted den 20. til 21. januar, 2019. Flere andre jordbaserede teleskoper foretog også spektroskopiske observationer ved andre bølgelængder under formørkelsen, søger efter flere af Jordens atmosfæriske ingredienser, såsom ilt og metan.

"Et af NASAs hovedmål er at identificere planeter, der kan understøtte liv, " sagde Youngblood. "Men hvordan ville vi vide en beboelig eller en ubeboet planet, hvis vi så en? Hvordan ville de se ud med de teknikker, som astronomerne råder over til at karakterisere exoplaneternes atmosfærer? Derfor er det vigtigt at udvikle modeller af Jordens spektrum som en skabelon til at kategorisere atmosfærer på ekstrasolare planeter."

Hendes papir er tilgængelig online i Det astronomiske tidsskrift .

At opsnuse planetariske atmosfærer

Atmosfærerne på nogle ekstrasolare planeter kan undersøges, hvis den fremmede verden passerer over ansigtet af sin moderstjerne, en begivenhed kaldet en transit. Under en transit, stjernelys filtrerer gennem den baggrundsbelyste exoplanets atmosfære. (Hvis den ses tæt på, planetens silhuet ville se ud som om den havde en tynd, glødende "halo" omkring det forårsaget af den oplyste atmosfære, ligesom Jorden gør, når den ses fra rummet.)

Kemikalier i atmosfæren efterlader deres afslørende signatur ved at bortfiltrere visse farver af stjernelys. Astronomer, der brugte Hubble, var pionerer med denne teknik til at sondere exoplaneter. Dette er særligt bemærkelsesværdigt, fordi ekstrasolare planeter endnu ikke var blevet opdaget, da Hubble blev opsendt i 1990, og rumobservatoriet ikke oprindeligt var designet til sådanne eksperimenter.

Indtil nu, astronomer har brugt Hubble til at observere atmosfæren af ​​gasgigantiske planeter og superjorder (planeter flere gange Jordens masse), der passerer deres stjerner. Men jordiske planeter på størrelse med Jorden er meget mindre objekter, og deres atmosfærer er tyndere, som skindet på et æble. Derfor, Det vil være meget sværere at drille disse signaturer fra exoplaneter på størrelse med Jorden.

Det er derfor, forskerne skal bruge rumteleskoper, der er meget større end Hubble for at opsamle det svage stjernelys, der passerer gennem disse små planeters atmosfærer under en transit. Disse teleskoper bliver nødt til at observere planeter i en længere periode, mange snesevis af timer, at opbygge et stærkt signal.

For at forberede sig til disse større teleskoper, astronomer besluttede at udføre eksperimenter på en meget tættere og eneste kendt beboet terrestrisk planet:Jorden. Vores planets perfekte justering med Solen og Månen under en total måneformørkelse efterligner geometrien af ​​en jordisk planet, der passerer sin stjerne.

Men observationerne var også udfordrende, fordi månen er meget lys, og dens overflade er ikke en perfekt reflektor, fordi den er plettet med lyse og mørke områder. Månen er også så tæt på Jorden, at Hubble var nødt til at prøve at holde et konstant øje med en udvalgt region, trods Månens bevægelse i forhold til rumobservatoriet. Så, Youngbloods hold måtte redegøre for Månens drift i deres analyse.

Hvor der er ozon, Er der liv?

At finde ozon på himlen på en terrestrisk ekstrasolar planet garanterer ikke, at der eksisterer liv på overfladen. "Du ville have brug for andre spektrale signaturer ud over ozon for at konkludere, at der var liv på planeten, og disse signaturer kan ikke nødvendigvis ses i ultraviolet lys, sagde Youngblood.

På jorden, ozon dannes naturligt, når ilt i jordens atmosfære udsættes for stærke koncentrationer af ultraviolet lys. Ozon danner et tæppe omkring Jorden, beskytter den mod hårde ultraviolette stråler.

"Fotosyntese kan være det mest produktive stofskifte, der kan udvikle sig på enhver planet, fordi det er drevet af energi fra stjernelys og bruger kosmisk rigelige elementer som vand og kuldioxid, " sagde Giada Arney fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, medforfatter til videnskabsopgaven. "Disse nødvendige ingredienser burde være almindelige på beboelige planeter."

Sæsonbestemt variation i ozonsignaturen kunne også indikere sæsonbestemt biologisk produktion af ilt, ligesom det gør med vækstsæsonerne for planter på Jorden.

Men ozon kan også produceres uden tilstedeværelse af liv, når nitrogen og ilt udsættes for sollys. For at øge tilliden til, at en given biosignatur virkelig er produceret af livet, astronomer skal søge efter kombinationer af biosignaturer. En kampagne med flere bølgelængder er nødvendig, fordi hver af de mange biosignaturer lettere detekteres ved bølgelængder, der er specifikke for disse signaturer.

"Astronomer bliver også nødt til at tage planetens udviklingsstadium i betragtning, når de ser på yngre stjerner med unge planeter. Hvis du ville detektere ilt eller ozon fra en planet, der ligner den tidlige Jord, når der var mindre ilt i vores atmosfære, de spektrale egenskaber i optisk og infrarødt lys er ikke stærke nok, " Arney forklarede. "Vi tror, ​​at Jorden havde lave koncentrationer af ozon før den midt-proterozoiske geologiske periode (mellem omkring 2,0 milliarder til 0,7 milliarder år siden), hvor fotosyntese bidrog til opbygningen af ​​ilt og ozon i atmosfæren til de niveauer, vi ser. i dag. Men fordi den ultraviolette lys signatur af ozonegenskaber er meget stærk, du ville have et håb om at opdage små mængder ozon. Det ultraviolette lys kan derfor være den bedste bølgelængde til at detektere fotosyntetisk liv på exoplaneter med lavt iltindhold."

NASA har et kommende observatorium kaldet James Webb Space Telescope, der kunne foretage lignende slags målinger i infrarødt lys, med potentiale til at detektere metan og ilt i exoplanetatmosfærer. Webb er i øjeblikket planlagt til at lancere i 2021.