Да открием живот по един пиксел светлина

Една от последните научни работи демонстрира как биха изглеждали някои скалисти тела от Слънчевата система, ако ги наблюдаваха от много светлинни години от нас.

На такива големи разстояния екзопланетите изглеждат просто бледи петна. Но както показва изследването, дори малкото количество светлина, което достига до нас, може  да предостави интересни подробности за повърхността на тези планети, ако, разбира се, знаем какво търсим.

Предишни изследвания на Земята показват, че океаните, континентите и ледените шапки отразяват различно количество светлина обратно в Космоса.  Моделите сочат, че дори на значителни разстояния наблюдателят може да различи различни типове повърхност – вода, земя и лед.

Новото изследване включва в този модел твърди светове от рода на Земята, Марс и Галилеевите спътници, разширявайки нашата база за сравнение.

„Искаме да изследваме повърхностните среди на земеподобните екзопланети и с тази цел изучаваме наблюдаваните сигнатури на Земята – казва водещият автор Юка Фудзи от Токийския технологичен институт. – За да интерпретираме данните на неизвестни планети, получени в бъдеще, е необходимо да знаем възможните особености, наблюдавани на други, неприличащи на Земята планети.“

Изследването е публикувано в сп. Astrobiology.

Макар астрономите да са открили около 2000 екзопланети, ние знаем много малко за тях. В повечето случаи ни е известна само масата или размерът. Екзопланетите просто са много далече, а нашите инструменти са прекалено слаби, за да определят такива ппрости особености като цвят, свойства на повърхността и облачна покривка.

Най-подробната информация за екзопланетите включва само данни за шепа светове, такива като газовия състав на атмосферата, дали тя се състои от пари, или въглероден диоксид. Тези данни се извличат от сигнатурата на тези газове, отпечатани върху светлината, която преминава през атмосферата. Такова измерване, освен всичко останало, е доста косвено. Светлината, която се смята, че принадлежи на екзопланетата, трябва да се отдели от тази на звездата.

Изследването на Фудзи отива по-далече, подразбирайки светове, чието изображение можем да получим пряко. Разликата тук е, че светлината от директното изображение на света се взема от самия свят, а не се извежда от заслепяването на звездите въз основа на сравнения.

Точно така изучаваме планетите от Слънчевата система – гледаме директно в тях. Досега пряко са изучени по-малко от двадесет екзопланети. Потенциалното преимущество на тази техника е в това, че тя позволява да се установят особености от повърхността на малки каменисти екзопланети, а това значи и да се определят местата, в които потенциално може да се развива живот.

И все пак дори най-добрите телескопи днес, от рода на „Хъбъл“ и „Спицър“  са неспособни да се справят с тази задача. Налага се да чакаме телескопи от ново поколение и появата на специални инструменти, които могат да събират планетарната светлина по-ефективно и отделно от светлината на звездите.

Няколко такива инструмента ще има на борда на космическия телескоп „Джеймс Уеб“, който ще бъде изпратен през 2018 година, а също някои телескопи от „30-метров“ клас на Земята.

Полагайки основите за такава бъдеща работа, изследването на Фудзи изобразява световете от Слънчевата система като далечни бледи екзопланети. Заедно с колеги ученият е събрал данни от наблюденията на Меркурий, Луната, Марс и четирите Галилееви спътника на Юпитер (Йо, Европа, Ганимед и Калисто).

Тъй като тези тела са разположени сравнително близо, въз основа на тяхната повърхност е направена подробна карта от хиляди пиксели. Екзопланетите обаче, поради разстоянията, могат да заемат само един пиксел – т.нар. точен източник. За да изобрази телата от Слънчевата система като точни източници, Фудзи свел средният общ цвят (яркост) от много пиксели до един пиксел. Ледът например отразява повече светлина от земята, затова цветът му ще бъде по-ярък.

С въртенето на световете яркостта на този един пиксел се мени с течение на времето, ако се променя и повърхността му. Например, когато Земята обърне Тихия океан към наблюдателя, общата яркост на планетата ще бъде по-висока, отколкото когато погледът попадне на гигантския масив от суша на Азия.

„Поради въртенето на оста виждаме различни срезове от повърхността в различно време – казва Фудзи. – Затова, ако яркостта на въртящата се планета се мени, това говори за неравномерното разпределение на материала на повърхността.“

Различните светове, разгледани в хода на изследването, демонстрирали средностатистическо изменение на цветовете, което е тясно свързано с фактори, влияещи на композицията на повърхността. За безводно тяло от рода на Луната регионите, които контрастират с останалата част от лунната повърхност, представлява „маре“, тъмни лавови полета. Очевидно Луната се отличава от другите обекти на Слънчевата система със своите доста разнородни светлоотразителни региони.

Меркурий, който, макар и оцветен в равномерен сив цвят, притежава гладки равнини,  които обхващат 40% от неговата силно изпъстрена с кратери повърхност. Влиянието на това върху светлоотразителните модели в известен смисъл е подобно на лунното, макар и не толкова рязко, както при двуцветния спътник на Земята.

Йо впрочем се слави с бушуващи вулкани, които оцветяват повърхността в жълто и червено, правейки спътника подобен на пица. Яркостта на трите други Галилееви спътника – Европа, Ганимед и Калисто – се колебае поради петна тъмен материал, нанесен върху водния лед. Светлите картини на Ганимед също говорят за смачканата му повърхност, с канали и хребети, свидетелстващи за минали събития от вътрешно нагряване.

Интересно, Марс притежава висока изменчивост на светлината на дълги вълни, тъй като малките частици на повърхността на Червената планета разсейват тези форми светлина. Железният оксид, или червенината, която покрива значителна част от Марс, обаче ефективно поглъща късата дължина на вълната. По такъв начин присъствието и отсъствието на определени дължини на вълната разказва убедителна история за това, на какво приличат огромни простори от повърхността на Марс.

„Други тела от Слънчевата система също се различават, демонстрирайки различни интересни особености от повърхността, някои от които влияят на характерното оцветяване, подчертават удивителното разнообразие и изискват продължаване на изследванията“, казва Фудзи.

Резултатите сочат как ние с помощта на директни изображения бихме могли да открием екзопланети с различни, но доста познати геоложки истории и възможно дори – условия за обитание.

Един от основните аспекти, който изследването заобикаля, се явява отсъствието на атмосфера на избраните светове. Наличието на газове, особено облаци, може да направи директното изображение на повърхността трудно или невъзможно. Например гъстата и дебела атмосфера на Венера или Сатурновия спътник Титан напълно скриват техните повърхности.

Но в случая със Земята, дори независимо от нашата атмосфера, основните особености от повърхността, континентите, океаните и ледените шапки, се забелязват лесно от огромно разстояние.

Макар че пряка визуализация на повърхността на планета безспорно ще бъде предшествана от косвена оценка, двете тези методики ще бъдат пуснати в ход, за да се изясни как е могъл – и ако е могъл – да се развие извънземен живот.

Според Фудзи първи обекти на изследване ще бъдат т.нар. суперземи – екзопланети, които по маса и ширина поне двойно превъзхождат Земята. Такива суперземи най-лесно ще могат да се открият и изучат.

„Жалко, че нямаме аналози на такива суперземи в Слънчевата система, бихме могли първо добре да изучим техните свойства. Имаме редица планети и спътници, чиито свойства сега познаваме добре. Но ни е необходимо да завършим картината на класове, за да знаем как да избираме цели в бъдещи изследвания.“