Вчені шукають віддалену життя в місячному сяйві

Галілео біля супутника Юпітера Іо. Апарат прибув до планети 7 грудня 1995 і приземлився 21 вересня 2003 року. На знімку видно, що антена повністю розгорнута, хоча, насправді, цього ніколи не було.

8 грудня 1990 року космічний апарат Галілео стартував з Землі до Юпітера. Він віддалився на 960 км, зберігши свої інструменти в цілісності, і підтримував постійний контакт. Він збирав дані, в тому числі і про нашу планету.

Але що він міг вловити з такої дистанції? Чи була помітна життя, рослинність, ознаки розуму? Ці питання поставив в 1993 році Карл Саган. Результати показали, що апарат зафіксував величезну кількість інформації, що підтверджують життя на нашій планеті. А значить, будь-яка інша форма, якщо пройде на досить відстані, то ж це помітить.

Відомостей було дуже багато: рясне кількість поверхневої води, кисень, метан, озон, радіосигнали та інше. Але Саган зосередився на потужному відображенні ближнього інфрачервоного кольору в земній спектрі. «Червоний край» свідчить про присутність «приймає світло пігменту в фотосинтетичної системі». Іншими словами, ми отримали підпис рослинності. Тобто, зонди на кшталт Галілео повинні без проблем знайти всі ці ознаки на інших об’єктах, якщо вони, звичайно, є.

Але тут мова йшла про кілометрах, а ми плануємо дослідити об’єкти, віддалені на світлові роки. Чи можна буде помітити червоний край в таких умовах? Вчені зацікавлені в тому, щоб відповісти на це питання.

Пілар Монтанес-Родрігез з Сонячної обсерваторії «Великий Ведмідь»

Коли ви шукайте планети з ознаками життя, важливо розуміти, що саме шукати. Пілар Монтанес-Родрігез акцентує увагу на присутності атмосферних газів. Необхідно виявити комбінації, на зразок кисню і метану, кисню та води, озону і вуглекислого газу.

Але це лише вказує на наявність мікробних форм, які існували на нашій планеті мільярди років до появи багатоклітинних організмів. Знайти щось більш складне (рослини) набагато важче. Для цього і потрібно покладатися на червоний край. Але чи можна його виявити?

У місячному сяйві

У дослідника, що вивчає спектральні підписи планет, не великий вибір об’єктів. Саган, Палле і Монтанес-Родрігез зосередилися на найбільш вивченої планеті – Землі. Здається, що з такою багатою історією завдання повинна бути простою. Адже, якщо Галілео зробив це з великою дистанції, то орбітальні супутники можуть нас постачати інформацією хоч кожен день. Адже так? Ні, вони не збираються цього робити.

Суть в тому, що дослідження екзопланет відрізняється від огляду близьких об’єктів. Апарат, що пролетів на дистанції в 1000 км, може буквально розглянути географічні особливості і вказати потужний червоний край на місцях з рослинністю (на кшталт лісів Амазонки). Але ось над океанами або пустелями край себе не проявляв. Те ж саме стосується і орбітальних супутників, закріплених на різних регіонах.

Коли мова йде про екзопланети, то дистанція все ускладнює. Ми не зможемо не тільки зрозуміти, де розташовані області з океанами, пустелями і рослинністю, а й дізнатися, чи є вони взагалі. У нас на руках є лише загальний спектр, так що червоний край буде не сконцентрований на точках, а розбавлений. А може і зовсім не проявиться?

земне сяйво

Якщо супутники і космічні апарати не можуть виміряти інтегрований земної спектр, то як його отримати? Від земного світу. Ви ж знаєте, що Місяць змінює свій зовнішній вигляд. Яскрава частина освітлюється Сонцем, а темна розташована в тіні. Але вона все-таки не зникає повністю, а видає слабке світіння, відбите від Землі. Це і є земне сяйво.

Якщо пряме спостереження відстежує світло, відбите від конкретних областей, то всю земну кулю відображає амальгаму світла від половини земної поверхні. Так як ми беремо за основу один спектр, то земне сяйво – ідеальне уявлення того, як нашу планету побачить віддалений спостерігач.

Полювання за червоним краєм

Вчені не чекали прориву або якихось запаморочливих результатів. Вони використовували 60-дюймовий телескоп Паломарской обсерваторії і високоточний спектрометр, щоб зареєструвати спектр земного сяйва вночі 19 листопада 2003 року. На той момент вони не відзначили значне зростання сигналу, пояснюючи провал хмарним шаром. Справа в тому, що хмари мають властивості відбивати і глушити сигнали зелених ділянок.

Земні регіони, які відображатимуть сяйво в різний час 19 листопада 2003 року

Щоб підтвердити здогадку, Палле і Монтанес-Родрігез вирішили порівняти дані з фактичним охопленням хмар і зеленим покриттям. Це допомогло створити комп’ютерну модель, що об’єднала відбите світло від різних регіонів. Вона точно передбачила спектр земної поверхні.

Це довело, що вони можуть продемонструвати спектр в будь-яку ніч, якщо є інформація про хмарному покритті. Отримавши такий потужний інструмент, вчені могли розглянути проблему з іншого боку. Червоний край був ледь вловив, але це не говорить про марність методу для пошуку рослинності. Може існують умови, при яких сигнал помітний краще?

Перше, що спадає на думку, – відстежувати в ночі, коли небо ясне. Але тут ми зіткнемося з помилкою. Хмари завжди вкривають приблизно 60% поверхні. Тобто, її хмарність буде завжди однаковою. Яким же повинен бути ідеальний день для пошуку?

Три дня земного сяйва Тут зображені відсотки земного сяйва для областей планети, які одночасно хмарні і покриті рослинністю, зняті в три різних дня. Синя лінія (19 листопада 2003 рік) – 40% поверхні відповідали за створення сяйва, чорна і червона (19 грудня 2002 року і 7 грудня 2003 роки) – брав участь тільки невеликий проміжок. Три максимуму (зліва направо): Азія, Африка і Південна Америка.

Щоб визначити точно, вчені вирішили моделювати земної спектр кожен день протягом 2003 року. У них вийшло, що 19 грудня 2002 року та 7 грудня 2003 року продемонстрували сильне коливання червоного краю протягом доби. Сигнал тричі з’являвся і зникав. Дослідники відстежили почасово і зрозуміли, що скачки з’являлися, коли регіони, що вносять найбільший внесок в процес, включали багаті на рослинність ділянки. Інструмент ніби божеволів, намагаючись вказати на присутність життєвих форм.

Чому тоді сигнал в першу ніч був слабким? Тут потрібно враховувати, що розмір області, яка бере участь в процесі, може кардинально змінюватися. Коли ми спостерігаємо за Місяцем, то бачимо її зміни (освітлення Сонцем). Якби ви стежили за Землею з супутника, то відзначили б той же ефект. Звичайно, лише світлі ділянки допомагають виникнути сяйва. Вони можуть бути неймовірно вузькими і слабкими або ж вкривати половину планети, коли вона освітлена. Виходить, що були моменти, коли наша планета «кишіла» життям, а були дні повної тиші.

Не будемо забувати, що освітленість може випадати на зони з океанами, сушею або щільно вкриті хмарами, тому ефект не завжди примітний і кардинально відрізняється. Виходить, що червоний край просто поглинається цими факторами.

Спектр земного сяйва і червоний край Чорна лінія відображає спектр 19 листопада 2006 року. Зелена – комп’ютерне моделювання спектра в той же день (видно, що вони сходяться). Червона – модель спектрального альбедо 7 грудня 2003 року. Червоний край відображений нахилом лінії

Дослідники знайшли зачіпку, а саме тонкий зазор. Наша планета обертається, тому якщо великий відсоток світла помічається над Америкою, відбитий до Місяця, то це буде відзначатися над материком, а не океаном. Тобто, ділянки з рослинністю з сигналом червоного краю повинні легко знаходитись і не будуть перекриватися світлом пустель.

Те ж саме стосується і хмар. Хмарні ділянки все одно вносять певну кількість світла. Але, якщо складова частина представлена вузькою щілиною, все змінюється. Цей зазор періодично буде покритий хмарами, але він все ж буде потім потрапляти на територію, позбавлену «перешкод», і вловлювати рослинність.

Тобто, ми направляємо на обертову Землю скануючий промінь. Він буде проходити по всіх зелених місцях, і ми отримаємо сигнали червоного краю в певні моменти. А ось на місцях океанів і пустель він буде мовчати. Це і продемонстровано з датами потрапляння на Азію, Африку і Південну Америку.

Але наша планета – це не найкращий приклад для дослідження. Адже ми покриті здебільшого водою, тому можна застосувати для пошуку лише вузьку смугу і чекати, коли попадеться область, яка відповідає вимогам.

Ділянки земної сяйва (19 листопада і 7 грудня) 19 листопада (зліва) велика частина земної диска засяяла при спостереженні і внесла свою частку світла, а ось 7 грудня (праворуч) засвітився лише зазор. У першому випадку лише 15% території покрито рослинністю, а в другому – 48%.

До інших планет

Як це допоможе в пошуках на інших планетах? Ну, з самого початку здається, що ніяк. У нашому випадку, ми виходимо з особливо Землі, положення Місяця і Сонця. Майбутнім місіям потрібно буде шукати відображення від конкретної планети, а не гіпотетичного супутника. Це буде дуже складний процес, тим більше, що наш світ – унікальний випадок, так як знайти відображення світла від супутника в інших об’єктах неможливо.

Але Монтанес-Родрігез з цим не згодна. У екзопланет є фази, що нагадують те, що ми бачимо, дивлячись на Місяць. Коли планета відходить на протилежну сторону від зірки, то здається повною. Вона також обертається, тому виходить на точку, де розташована ближче до нас. Але вона може ховатися за зіркою, демонтуючи лише світлову смугу. При правильному виборі дня, можна просканувати планету і знайти червоний край.

Місяць і екзопланети Ми бачимо, що Місяць змінює вигляд залежно від фаз. Це можна застосувати і до інших планет. Необхідно шукати червоний край, коли вона «нова» і ми бачимо лише вузьку смугу

Як завжди, вчені пропонують нам добру новину і погану. Почнемо з негативу. Щоб знайти червоний край у віддаленій планеті, потрібно дивитися на неї вздовж лінії, наближеною до площини її орбітального шляху. Якщо вона відхилена, то ми просто не побачимо «фази». Але навіть за ідеальних умов, ми помічаємо край в момент слабкості планети. Це трапляється, коли вона розташована близько до зірки. Але це викликає труднощі, так як доведеться ізолювати світло самої зірки. Тому потрібно техніка в 10 разів чутливіші сучасної.

Але, є і хороша новина. Червоний край можна знайти, якщо ми знаємо точне місце. Зараз у нас немає інструментів, але в майбутньому цей метод стане в нагоді. І тоді ми зрозуміємо, що не одні у Всесвіті і десь ще є рослинність, вода, а можливо і розумні форми життя.

Ссылка на основную публикацию