8 декабря 1990 года космический аппарат Галилео стартовал с Земли к Юпитеру. Он отдалился на 960 км, сохранив свои инструменты в целостности, и поддерживал постоянный контакт. Он собирал данные, в том числе и о нашей планете.
Но что он мог уловить с такой дистанции? Была ли заметна жизнь, растительность, признаки разума? Эти вопросы поставил в 1993 году Карл Саган. Результаты показали, что аппарат зафиксировал огромное количество информации, подтверждающих жизнь на нашей планете. А значит, любая другая форма, если пройдет на достаточно расстоянии, то же это заметит.
Сведений было очень много: обильное количество поверхностной воды, кислород, метан, озон, радиосигналы и прочее. Но Саган сосредоточился на мощном отражении ближнего инфракрасного цвета в земном спектре. «Красный край» свидетельствует о присутствии «принимающего свет пигмента в фотосинтетической системе». Иными словами, мы получили подпись растительности. То есть, зонды вроде Галилео должны без проблем найти все эти признаки на других объектах, если они, конечно, есть.
Но здесь речь шла о километрах, а мы планируем исследовать объекты, удаленные на световые годы. Можно ли будет заметить красный край в таких условиях? Ученые заинтересованы в том, чтобы ответить на этот вопрос.
Когда вы ищите планеты с признаками жизни, важно понимать, что именно искать. Пилар Монтанес-Родригез акцентирует внимание на присутствии атмосферных газов. Необходимо выявить комбинации, вроде кислорода и метана, кислорода и воды, озона и углекислого газа.
Но это лишь указывает на наличие микробных форм, которые существовали на нашей планете миллиарды лет до появления многоклеточных организмов. Найти что-то более сложное (растения) намного труднее. Для этого и нужно полагаться на красный край. Но можно ли его выявить?
В лунном свете
У исследователя, изучающего спектральные подписи планет, не большой выбор объектов. Саган, Палле и Монтанес-Родригез сосредоточились на наиболее изученной планете – Земле. Кажется, что с такой богатой историей задача должна быть простой. Ведь, если Галилео сделал это с большой дистанции, то орбитальные спутники могут нас снабжать информацией хоть каждый день. Так ведь? Нет, они не собираются этого делать.
Суть в том, что исследование экзопланет отличается от обзора близких объектов. Аппарат, пролетевший на дистанции в 1000 км, может буквально рассмотреть географические особенности и указать мощный красный край на местах с растительностью (вроде лесов Амазонки). Но вот над океанами или пустынями край себя не проявлял. То же самое касается и орбитальных спутников, закрепленных на разных регионах.
Когда речь идет об экзопланетах, то дистанция все усложняет. Мы не сможем не только понять, где расположены области с океанами, пустынями и растительностью, но и разузнать, есть ли они вообще. У нас на руках имеется лишь общий спектр, так что красный край будет не сконцентрирован на точках, а разбавленный. А может и вовсе не проявится?
Земное сияние
Если спутники и космические аппараты не могут измерить интегрированный земной спектр, то как его получить? От земного света. Вы ведь знаете, что Луна меняет свой внешний вид. Яркая часть освещается Солнцем, а темная расположена в тени. Но она все же не исчезает полностью, а издает слабое свечение, отраженное от Земли. Это и есть земное сияние.
Если прямое наблюдение отслеживает свет, отраженный от конкретных областей, то весь земной шар отображает амальгаму света от половины земной поверхности. Так как мы берем за основу один спектр, то земное сияние – идеальное представление того, как нашу планету увидит отдаленный наблюдатель.
Охота за красным краем
Ученые не ждали прорыва или каких-то головокружительных результатов. Они использовали 60-дюймовый телескоп Паломарской обсерватории и высокоточный спектрометр, чтобы зарегистрировать спектр земного сияния ночью 19 ноября 2003 года. На тот момент они не отметили значительного роста сигнала, объясняя провал облачным слоем. Дело в том, что облака имеют свойства отражать и глушить сигналы зеленых участков.
Чтобы подтвердить догадку, Палле и Монтанес-Родригез решили сравнить данные с фактическим охватом облаков и зеленым покрытием. Это помогло создать компьютерную модель, объединившую отраженный свет от разных регионов. Она точно предсказала спектр земной поверхности.
Это доказало, что они могут продемонстрировать спектр в любую ночь, если есть информация об облачном покрытии. Получив такой мощный инструмент, ученые могли рассмотреть проблему с другой стороны. Красный край был едва уловим, но это не говорит о бесполезности метода для поиска растительности. Может существуют условия, при которых сигнал заметен лучше?
Первое, что приходит в голову, – отслеживать в ночи, когда небо ясное. Но здесь мы столкнемся с ошибкой. Облака всегда укрывают примерно 60% поверхности. То есть, ее облачность будет всегда одинаковой. Каким же должен быть идеальный день для поиска?
Чтобы определить точно, ученые решили моделировать земной спектр каждый день в течение 2003 года. У них вышло, что 19 декабря 2002 года и 7 декабря 2003 года продемонстрировали сильное колебание красного края в течение суток. Сигнал трижды появлялся и исчезал. Исследователи отследили повременно и поняли, что скачки появлялись, когда регионы, вносящие наибольший вклад в процесс, включали богатые на растительность участки. Инструмент будто сходил с ума, пытаясь указать на присутствие жизненных форм.
Почему тогда сигнал в первую ночь был слабым? Здесь нужно учитывать, что размер области, участвующей в процессе, может кардинально меняться. Когда мы наблюдаем за Луной, то видим ее изменения (освещение Солнцем). Если бы вы следили за Землей со спутника, то отметили бы тот же эффект. Конечно, лишь светлые участки помогают возникнуть сиянию. Они могут быть невероятно узкими и слабыми или же укрывать половину планеты, когда она освещена. Получается, что были моменты, когда наша планета «кишела» жизнью, а были дни полной тишины.
Не будем забывать, что освещенность может выпадать на зоны с океанами, сушей или плотно укрытые облаками, поэтому эффект не всегда примечателен и кардинально отличается. Выходит, что красный край просто поглощается этими факторами.
Исследователи нашли зацепку, а именно тонкий зазор. Наша планета вращается, поэтому если большой процент света замечается над Америкой, отраженный к Луне, то это будет отмечаться над материком, а не океаном. То есть, участки с растительностью с сигналом красного края должны легко находиться и не будут перекрываться светом пустынь.
То же самое касается и облаков. Облачные участки все равно вносят определенное количество света. Но, если составляющая часть представлена узкой щелью, все меняется. Этот зазор периодически будет покрыт облаками, но он все же будет затем попадать на территорию, лишенную «помех», и улавливать растительность.
То есть, мы направляем на вращающуюся Землю сканирующий луч. Он будет проходить по всем зеленым местам, и мы получим сигналы красного края в определенные моменты. А вот на местах океанов и пустынь он будет молчать. Это и продемонстрировано с датами попадания на Азию, Африку и Южную Америку.
Но наша планета – это не лучший пример для исследования. Мы ведь покрыты по большей части водой, поэтому можно применить для поиска лишь узкую полосу и ждать, когда попадется область, соответствующая требованиям.
К другим планетам
Как это поможет в поисках на других планетах? Ну, с самого начала кажется, что никак. В нашем случае, мы исходим из особенности Земли, положения Луны и Солнца. Будущим миссиям нужно будет искать отражение от конкретной планеты, а не гипотетического спутника. Это будет очень сложный процесс, тем более, что наш мир – уникальный случай, так как получить отражение света от спутника в других объектах невозможно.
Но Монтанес-Родригез с этим не согласна. У экзопланет есть фазы, напоминающие то, что мы видим, глядя на Луну. Когда планета отходит на противоположную сторону от звезды, то кажется полной. Она также вращается, поэтому выходит на точку, где расположена ближе к нам. Но она может скрываться за звездой, демонтируя лишь световую полосу. При правильном выборе дня, можно просканировать планету и найти красный край.
Как всегда, ученые предлагают нам хорошую новость и плохую. Начнем с негатива. Чтобы найти красный край в отдаленной планете, нужно смотреть на нее вдоль линии, приближенной к плоскости ее орбитального пути. Если она отклонена, то мы просто не увидим «фазы». Но даже при идеальных условиях, мы замечаем край в момент слабости планеты. Это случается, когда она расположена близко к звезде. Но это вызывает трудности, так как придется изолировать свет самой звезды. Поэтому потребуется техника в 10 раз чувствительнее современной.
Но, есть и хорошая новость. Красный край можно найти, если мы знаем точное место. Сейчас у нас нет инструментов, но в будущем этот метод пригодится. И тогда мы поймем, что не одни во Вселенной и где-то еще есть растительность, вода, а возможно и разумные формы жизни.
