Хаббл использует нашу Луну для исследования атмосферы Земли во время лунного затмения.
Воспользовавшись полным лунным затмением в январе 2019 года, астрономы с помощью космического телескопа Хаббла NASA обнаружили озон в атмосфере Земли. Этот метод служит индикатором того, как они будут наблюдать планеты земного типа, проходящие перед другими звездами в поисках жизни. Идеальное выравнивание нашей планеты относительно Солнца и Луны во время полного лунного затмения имитирует геометрию транзитной планеты земного типа с ее звездой. В новом исследовании Хаббл не смотрел на Землю напрямую. Вместо этого астрономы использовали Луну как зеркало, отражающее солнечный свет, проходящий через атмосферу Земли, который затем был захвачен Хабблом. Это первый случай, когда полное лунное затмение было зафиксировано в ультрафиолетовом диапазоне волн с помощью космического телескопа.
Астронавты, смотревшие на Землю из космоса, были поражены величием и разнообразием нашей голубой мраморной планеты. Майк Массимино, который помогал обслуживать космический телескоп Хаббл на орбите, сказал: «Я считаю нашу планету раем. Нам очень повезло оказаться здесь».
По оценкам астрономов, только в нашей галактике Млечный Путь может быть до 1 миллиарда других планет, таких как Земля. Только представьте, один миллиард, а не миллион других «райских планет». Но это потерянный рай, если никто не живет там, чтобы любоваться закатами на лазурно-голубом небе. И, как размышлял философ XIX века Томас Карлайл, «… какая трата пространства».
Отрезвляет то, что наша родная планета - единственное известное место во Вселенной, где существует и процветает жизнь, как мы ее знаем. Итак, мы смотрим наружу на звезды, заключенные пространством и временем в космическое одиночество. Вот почему ученые стремятся создавать все более крупные телескопы для поиска потенциально обитаемых планет. Но как они узнают о существовании жизни, не путешествуя туда и не наблюдая, как существа ходят, летают или скользят вокруг?
Один из способов - исследовать атмосферу планеты. Атмосфера с правильным сочетанием химических элементов необходима для поддержания жизни. Атмосфера Земли содержит кислород, азот, метан и углекислый газ, которые помогали поддерживать жизнь на протяжении миллиардов лет. Изобилие кислорода на Земле, в частности, является признаком того, что содержание кислорода в нашей атмосфере пополняется за счет биологических процессов.
Астрономы использовали различные наземные и космические телескопы для анализа того, как компоненты атмосферы Земли выглядят из космоса, используя нашу планету в качестве прокси для изучения атмосфер внесолнечных планет. Они надеются в конечном итоге сравнить состав атмосферы Земли с составом атмосферы других миров, чтобы отметить сходства и различия. Воспользовавшись полным лунным затмением, астрономы с помощью телескопа Хаббла обнаружили озон в атмосфере Земли, глядя на свет Земли, отраженный от Луны. Наша Луна пригодилась как гигантское зеркало в космосе.
Озон - ключевой ингредиент атмосферы нашей планеты. Он образуется естественным образом, когда кислород подвергается воздействию сильных концентраций ультрафиолетового света, который запускает химические реакции. Озон - это защитное одеяло Земли, защищающее жизнь от смертоносных ультрафиолетовых лучей.
Это первый случай, когда полное лунное затмение было зафиксировано в ультрафиолетовом диапазоне волн с помощью космического телескопа. Этот метод имитирует, как астрономы будут искать косвенные доказательства существования жизни за пределами Земли, ища потенциальные биосигнатуры на внесолнечных планетах.
Использование космического телескопа для наблюдений за затмениями воспроизводит условия, при которых будущие телескопы будут измерять атмосферы внесолнечных планет, которые проходят перед своими звездами. Эти атмосферы могут содержать химические сигнатуры, очень похожие на Земные, и вызывают у нас любопытство, когда мы задаемся вопросом, не одни ли мы во Вселенной.
Геометрия лунного затмения
Воспользовавшись полным лунным затмением, астрономы с помощью космического телескопа NASA Хаббл обнаружили в нашей атмосфере солнцезащитный крем собственной марки Земли - озон. Этот метод моделирует то, как астрономы и исследователи астробиологии будут искать свидетельства существования жизни за пределами Земли, наблюдая потенциальные «биосигнатуры» на экзопланетах (планетах вокруг других звезд).
Хаббл не смотрел на Землю напрямую. Вместо этого астрономы использовали Луну как зеркало для отражения солнечного света, который прошел через атмосферу Земли, а затем отразился обратно в сторону Хаббла. Использование космического телескопа для наблюдений за затмениями воспроизводит условия, при которых будущие телескопы будут измерять атмосферы транзитных экзопланет. Эти атмосферы могут содержать химические вещества, представляющие интерес для астробиологии, изучения и поиска жизни.
Хотя ранее проводились многочисленные наземные наблюдения такого рода, это первый случай, когда полное лунное затмение было зафиксировано в ультрафиолетовом диапазоне длин волн и с помощью космического телескопа. Хаббл обнаружил сильный спектральный отпечаток озона, который поглощает часть солнечного света. Озон важен для жизни, потому что он является источником защитного экрана в атмосфере Земли.
На Земле фотосинтез в течение миллиардов лет является причиной высокого уровня кислорода на нашей планете и толстого озонового слоя. Это одна из причин, по которой ученые считают, что озон или кислород могут быть признаком жизни на другой планете, и называют их биосигнатурой.
«Обнаружение озона важно, потому что это фотохимический побочный продукт молекулярного кислорода, который сам по себе является побочным продуктом жизни», - объяснила Эллисон Янгблад из Лаборатории атмосферной и космической физики в Боулдере, штат Колорадо, ведущий исследователь наблюдений Хаббла.
Хотя озон в атмосфере Земли был обнаружен во время предыдущих наземных наблюдений во время лунных затмений, исследование Хаббла представляет собой самое сильное обнаружение молекулы на сегодняшний день, поскольку озон, измеренный из космоса без вмешательства других химических веществ в атмосфере Земли, поглощает ультрафиолетовый свет так сильно.
Хаббл зарегистрировал озон, поглощающий часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое прошло через край атмосферы Земли во время лунного затмения (с 20 по 21 января 2019 года). Несколько других наземных телескопов также провели спектроскопические наблюдения на других длинах волн во время затмения, ища для большего количества атмосферных компонентов Земли, таких как кислород и метан.
«Одна из основных целей NASA - определить планеты, на которых могла бы существовать жизнь», - сказал Янгблад. «Но как бы мы узнали обитаемую или необитаемую планету, если бы увидели ее? Как бы они выглядели с помощью техник, имеющихся в распоряжении астрономов для описания атмосфер экзопланет? Вот почему так важно разработать модели спектра Земли в качестве шаблона для классификации атмосфер на внесолнечных планетах».
Атмосферы некоторых внесолнечных планет могут быть исследованы, если инопланетный мир пересекает лицевую сторону своей родительской звезды - это событие называется транзитом. Во время транзита звездный свет фильтруется через освещенную сзади атмосферу экзопланеты. (Если смотреть на планету крупным планом, то можно увидеть, что вокруг нее есть тонкий светящийся «ореол», вызванный освещенной атмосферой, точно так же, как Земля, если смотреть из космоса.)
Химические вещества в атмосфере оставляют свою контрольную подпись, отфильтровывая определенные цвета звездного света. Астрономы, использующие Хаббл, первыми изобрели эту технику для исследования экзопланет. Это особенно примечательно, потому что внесолнечные планеты еще не были открыты, когда Хаббл был запущен в 1990 году, и космическая обсерватория изначально не была предназначена для таких экспериментов.
До сих пор астрономы использовали телескоп Хаббл для наблюдения атмосферы газовых планет-гигантов и суперземлей (планет, в несколько раз превышающей массу Земли), которые проходят мимо их звезд. Но планеты земной группы размером с Землю представляют собой гораздо меньшие объекты, а их атмосфера тоньше, как кожица яблока. Таким образом, выявить эти сигнатуры с экзопланет размером с Землю будет намного сложнее.
Вот почему исследователям понадобятся космические телескопы намного больше, чем Хаббл, чтобы улавливать слабый звездный свет, проходящий через атмосферы этих маленьких планет во время транзита. Эти телескопы должны будут наблюдать планеты в течение более длительного периода, многих десятков часов, чтобы получить сильный сигнал.
Чтобы подготовиться к появлению этих больших телескопов, астрономы решили провести эксперименты на гораздо более близкой и единственной известной обитаемой планете земного типа: Земле. Идеальное выравнивание нашей планеты с Солнцем и Луной во время полного лунного затмения имитирует геометрию планеты земной группы, проходящей транзитом через свою звезду.
Но наблюдения были также сложными, потому что Луна очень яркая, а ее поверхность не является идеальным отражателем, потому что она испещрена яркими и темными участками. Луна также находится так близко к Земле, что Хабблу приходилось постоянно следить за одним выбранным регионом, несмотря на движение Луны относительно космической обсерватории. Таким образом, команде Янгблада пришлось учитывать смещение Луны в своем анализе.
Где озон - там жизнь?
Обнаружение озона в небе внесолнечной планеты не гарантирует существования жизни на поверхности.
«Вам понадобятся другие спектральные сигнатуры в дополнение к озону, чтобы сделать вывод о существовании жизни на планете, и эти сигнатуры не обязательно увидеть в ультрафиолетовом свете», - сказал Янгблад.
На Земле озон образуется естественным образом, когда кислород в атмосфере Земли подвергается воздействию сильных концентраций ультрафиолетового света. Озон образует покров вокруг Земли, защищая ее от резких ультрафиолетовых лучей.
«Фотосинтез может быть наиболее продуктивным метаболизмом, который может развиваться на любой планете, потому что он подпитывается энергией звездного света и использует космически богатые элементы, такие как вода и углекислый газ», - сказала Джада Арни из Центра космических полетов имени Годдарда NASA в Гринбелте, штат Мэриленд, соавтор научной статьи. «Эти необходимые ингредиенты должны быть обычными для обитаемых планет».
Сезонная изменчивость в сигнатуре озона также может указывать на сезонное биологическое производство кислорода, как это происходит с сезонами роста растений на Земле.
Но озон также может производиться без присутствия жизни, когда азот и кислород подвергаются воздействию солнечного света. Чтобы повысить уверенность в том, что данная биосигнатура действительно создана жизнью, астрономы должны искать комбинации биосигнатур. Необходима многоволновая кампания, потому что каждую из многих биосигнатур легче обнаружить на длинах волн, характерных для этих сигнатур.
«Астрономы также должны будут учитывать стадию развития планеты, рассматривая более молодые звезды с молодыми планетами. Если вы хотите обнаружить кислород или озон на планете, похожей на раннюю Землю, когда в нашей атмосфере было меньше кислорода, спектральные характеристики в оптическом и инфракрасном свете будут недостаточно сильными », - пояснил Арни. «Мы думаем, что у Земли были низкие концентрации озона до середины протерозойского геологического периода (примерно от 2,0 до 0,7 миллиарда лет назад), когда фотосинтез способствовал накоплению кислорода и озона в атмосфере до уровней, которые мы наблюдаем сегодня. Но поскольку ультрафиолетовая сигнатура озона очень сильна, у вас будет надежда обнаружить небольшие количества озона. Поэтому ультрафиолет может быть лучшей длиной волны для обнаружения фотосинтетической жизни на экзопланетах с низким содержанием кислорода».
[pt_view id="7986c4eb3w"]