Bølger med vindpuss, skum og bølgeskygger, over naturligt blåt havvand:Hvor godt kan du se exoplaneter med oceaner

Vores planets oceaner genererer afslørende lyssignaturer, når sollys reflekteres fra dem. Exoplaneter med betydelig havdækning kan gøre det samme. Kan vi bruge Jordens reflektanssignaturer til at identificere andre jordlignende verdener med store oceaner?

Det burde vi være i stand til til sidst.

En ny undersøgelse undersøgte lyssignaturer, der reflekterede fra Jordens oceaner, og udforskede deres flux og polarisering. Forskerne modellerede to Jorder:en tør planet og en våd planet med jordlignende skyer og atmosfære. Derefter simulerede de, hvordan lys ville reflektere fra disse planeter under forskellige forhold. De fandt ud af, at kun et hav kan få lysets polarisering til at falde på bestemte måder.

Undersøgelsen har titlen "Havets signaturer i de totale flux- og polarisationsspektre af jordlignende exoplaneter." Tidsskriftet Astronomy and Astrophysics vil udgive den, men den er i øjeblikket tilgængelig online på prepress-siden arxiv.org. Forfatterne er V. J. H. Træer og D. M. Stam. Trees er fra Royal Netherlands Meteorological Institute, og Stam er fra Delft University of Technology.

Forskere har fundet vanddamp på exoplaneter, men det opdages spektroskopisk, når planeten er foran sin stjerne, og stjernelyset passerer gennem atmosfæren. Disse observationer afslørede vandets molekylære signatur, men der er i øjeblikket ingen måde at vide, om der er et hav. "... faktiske observationer af flydende vandhave er kun mulige ved at bruge en direkte detektering af stjernelyset, der reflekteres af planeten," hedder det i avisen.

Nogle videnskabelige skøn viser, at op til en fjerdedel af kendte exoplaneter har oceaner, selvom meget af det vand kan være i underjordiske oceaner. I vores solsystem er det kun planeten Jorden, der har overfladehave. Flere måner i solsystemet har underjordiske oceaner, og nogle af dværgplaneterne gør det sandsynligvis også.

Vi er ikke tæt på at detektere underjordiske oceaner på exomoons, men efterhånden som teleskopteknologien udvikler sig, kan vi muligvis opdage oceaner på planeter, der ligner Jorden. Som forfatterne til dette papir skriver:"Numeriske simuleringer af stjernelys, der reflekteres af jordlignende exoplaneter, forudsiger signaturer for beboelighed, som kan søges efter med fremtidige teleskoper."

Forskerne beregnede tre ting i deres numeriske exoplanet-simuleringer:total flux (F), polariseret flux (Q) og grad af polarisering (Ps). De modellerede havene på en særlig måde. "Havene består af Fresnel-reflekterende overflader med vindpustede bølger, skum og bølgeskygger, over naturligt blåt havvand," forklarer de. Fresnel-reflektering er, når det reflekterede lys er i samme plan som det indfaldende lys. Det kaldes også parallel polarisering, opkaldt efter Augustin-Jean Fresnel. Han opfandt en linse brugt i fyrtårne, der fokuserer lys til en smallere stråle.

Det er vigtigt at måle polariseringen af ​​lys fra oceaner, fordi stjernelys ikke forventes at blive polariseret. Selvom lyssignaler forringes med afstanden, gør graden af ​​polarisering det heller ikke. Desværre kan astronomer ikke måle havreflekteret polarisering endnu. "Nuværende jordbaserede og rumbaserede teleskoper er ikke i stand til at måle det polariserede lys, der reflekteres af jordlignende exoplaneter," forklarer forfatterne.

Men det vil ændre sig.

Det kommende European Extremely Large Telescope (E-ELT) og Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), et rumteleskopkoncept, der udvikles af NASA, vil begge være i stand til at måle polariseret lys. Numeriske modeller som dem i denne undersøgelse vil blive brugt til at designe de instrumenter og observationsprocedurer, der er nødvendige for at fornemme polariseringen af ​​lys, der reflekteres af exo-have.

En af hovedpunkterne fra dette arbejde vedrører graden af ​​polarisering eller Ps. Billedet nedenfor sammenligner P'erne for skyfrie tørre planeter vs skyfrie oceanplaneter.

Den vigtigste takeaway er, at Ps kun falder under visse omstændigheder, hvilket kan måles. Som forfatterne påpeger, "Dyk i Ps observeres kun for oceanplaneter og kun når glimtet er skyfrit." Det er et forenklet resumé af deres resultater, men det viser, at de er ved noget.

Hvis - eller forhåbentlig når - vi opdager en exoplanet med et hav, vil det være en skelsættende begivenhed. Rumvidenskabssamfundet er ret overbevist om, at de er derude og har en stærk mulighed for at støtte livet. Antydninger af exo-have dukker op, når videnskabsmænd måler en exoplanets tæthed i forhold til dens størrelse. Men som det står, er der ingen måde at vide med sikkerhed, om vi opdager et overfladehav.

Disse forskere har arbejdet på problemet med at opdage exo-have i et stykke tid nu og har publiceret andre artikler, der tackler problemet. Hvis deres simuleringer er korrekte, udvikler vi muligvis en pålidelig måde at detektere havverdener på store afstande. E-ELT skal se det første lys omkring 2027, og det vil være i stand til at detektere polariseret stjernelys reflekteret fra oceaner.

Måske får vi vores første bekræftede ocean-exoplanet ikke så længe efter. + Udforsk yderligere

Astronomer måler endelig polariseret lys fra exoplaneten