De studie van exoplaneten - planeten die buiten ons zonnestelsel liggen - zou wetenschappers kunnen helpen bij het beantwoorden van grote vragen over onze plaats in het universum, en of er buiten de aarde leven bestaat. Maar, deze verre werelden zijn extreem zwak en moeilijk direct in beeld te brengen. Een nieuwe studie gebruikt de aarde als stand-in voor een exoplaneet, en laat zien dat het zelfs met heel weinig licht - slechts één pixel - nog steeds mogelijk is om belangrijke kenmerken van verre werelden te meten.

De nieuwe studie maakt gebruik van gegevens van NASA's Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC) -instrument, aan boord van het Deep Space Climate Observatory van de National Oceanic and Atmospheric Administration, of DSCVR, satelliet. DSCOVR draait om de zon bij Lagrange punt 1, een specifieke baan die EPIC een constant beeld geeft van het zonovergoten oppervlak van onze thuisplaneet. EPIC observeert de aarde sinds juni 2015 continu het produceren van genuanceerde kaarten van het oppervlak van de planeet in meerdere golflengten, en bijdragen aan studies van klimaat en weer.

Het EPIC-instrument vangt gereflecteerd licht van de aarde in 10 verschillende golflengten, of kleuren. Dus, elke keer dat EPIC "een foto maakt" van de aarde, het maakt eigenlijk 10 afbeeldingen. De nieuwe studie neemt het gemiddelde van elk beeld in een enkele helderheidswaarde, of het equivalent van één beeld van één pixel voor elke golflengte. Een, een momentopname van één pixel van de planeet zou heel weinig informatie over het oppervlak opleveren. Maar in de nieuwe studie de auteurs analyseerden een dataset met afbeeldingen van één pixel die meerdere keren per dag werden genomen, in 10 golflengten, over een langere periode. Ondanks het feit dat de hele planeet was teruggebracht tot een enkel lichtpunt, de auteurs waren in staat om waterwolken in de atmosfeer te identificeren en de rotatiesnelheid van de planeet (de lengte van de dag) te meten. De auteurs zeggen dat de studie, in het nummer van 27 juni van de Astrofysisch tijdschrift , toont aan dat dezelfde informatie kan worden afgeleid van observaties van exoplaneten met één pixel.

"Het voordeel van het gebruik van de aarde als een proxy voor een exoplaneet is dat we onze conclusies die zijn afgeleid van de gegevens van één pixel kunnen verifiëren met de schat aan gegevens die we daadwerkelijk hebben voor de aarde - dat kunnen we niet doen als we gegevens gebruiken van een afstand, werkelijke exoplaneet, " zei Jonathan Jiang, een atmosferische en klimaatwetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, en hoofdauteur van de nieuwe studie.

Een klein lichtpuntje

Toen de dochter van Jiang, Teresa, zat op de basisschool, hij organiseerde een sterrenobservatie-evenement voor haar en haar vrienden. Jiang wees naar de sterren, en vertelde zijn dochter dat de zon ook een ster is, en dat er planeten zijn die om andere sterren draaien, net zoals planeten om de zon draaien. Ze drong bij haar vader aan op meer informatie, met de vraag hoe wetenschappers van zulke kleine lichtpuntjes aan de hemel iets te weten kunnen komen over die verre werelden.

"Kinderen stellen veel goede vragen, Jiang zei. "En die vraag bleef in mijn hoofd hangen - als ik een exoplaneet als slechts een klein lichtpuntje kan zien, kan ik wolken en oceanen en land zien?"

Jiang begon zijn carrière in de astrofysica, maar voor zijn Ph.D. werk, hij besloot zijn computer- en fysieke modelleringsvaardigheden toe te passen op het klimaat op aarde. Nutsvoorzieningen, hij gebruikt klimaatgegevens om exoplaneten te bestuderen. Exoplaneten zijn aanzienlijk zwakker dan sterren en veel moeilijker te detecteren. Aarde, bijvoorbeeld, is ongeveer 10 miljard keer zwakker dan de zon. Slechts ongeveer 45 exoplaneten zijn ontdekt door directe beeldvorming, die allemaal veel groter zijn dan de aarde. De meeste bekende exoplaneten (meer dan 3, 700 zijn bevestigd) werden indirect gedetecteerd, met behulp van technieken zoals de transitmethode, waarin wetenschappers het licht dimmen van een ster observeren, veroorzaakt door de transit van een exoplaneet over het gezicht van de ster.

Het EPIC-instrument vangt gereflecteerd licht van de zonovergoten kant van de aarde in 10 verschillende golflengten, of kleuren, omdat verschillende materialen verschillende golflengten van licht in verschillende mate reflecteren - planten, bijvoorbeeld, reflecteren meestal groen licht. En een roodachtige planeet zoals Mars, bijvoorbeeld, zou een heel ander kleurprofiel hebben dan een planeet bedekt met ijs.

De nieuwe studie toont aan dat door het observeren van een planeet met verschillende kenmerken in de loop van de tijd - zoals oceanen en continenten - het mogelijk is om de rotatiesnelheid van de planeet te meten door een herhalend patroon in het gereflecteerde licht te observeren. Dit patroon zou voortkomen uit die planetaire kenmerken die met een regelmatige cadans in beeld komen. Bijvoorbeeld, elke 24 uur, Australië en de Stille Oceaan vullen het gezichtsveld van EPIC, en ongeveer 12 uur later vullen Zuid-Amerika en de Atlantische Oceaan het beeld, met daartussen Afrika en de Indische Oceaan. Dit patroon van veranderend licht zou zich dag na dag herhalen. In de nieuwe krant de auteurs laten zien dat ze deze herhalende cyclus kunnen detecteren en zo de rotatiesnelheid kunnen bepalen, of de lengte van de planeetdag. De rotatiesnelheid van een planeet kan informatie onthullen over hoe en wanneer de planeet is gevormd, en is een bijzonder moeilijke eigenschap om te meten met de huidige methoden.

"Mensen praten al een tijdje over het gebruik van deze benadering om de rotatiesnelheid van exoplaneten te meten, maar er is geen demonstratie geweest dat het zou kunnen werken omdat we geen echte gegevens hadden, " zei Renyu Hu, een exoplaneetwetenschapper bij JPL en een co-auteur van de nieuwe studie. "We hebben laten zien dat in elke golflengte, de periode van 24 uur verschijnt, wat betekent dat deze benadering van het meten van planeetrotatie robuust is."

De auteurs merken op, echter, dat de effectiviteit van deze methode zou afhangen van de unieke kenmerken van de planeet. Een patroon van een dagelijkse cyclus is misschien niet zichtbaar op een planeet die grotendeels homogeen is over het oppervlak. Venus, bijvoorbeeld, is bedekt met dikke wolken en heeft geen oceanen aan de oppervlakte, dus een terugkerend patroon van de hele dag verschijnt mogelijk niet, of misschien niet duidelijk genoeg om waar te nemen in een afbeelding van één pixel. Planeten zoals Mercurius en Mars zouden ook een uitdaging zijn, maar Jiang zei dat planetaire kenmerken zoals kraters ook kunnen bijdragen aan een patroon dat kan worden gebruikt om de rotatieperiode te meten.

Exoplaneten in beeld brengen

Eerdere studies gebruikten de aarde als een proxy voor exoplaneten, om te onderzoeken welke soorten planetaire eigenschappen van veraf kunnen worden afgeleid, maar geen eerdere studies keken naar zoveel golflengtebanden. Dit is ook de eerste dergelijke studie die zo'n grote dataset vastlegt, over een langere periode genomen:het heeft meer dan 27 maanden aan observaties gebruikt, met afbeeldingen die door EPIC ongeveer 13 keer per dag worden gemaakt.

Directe observaties van exoplaneten hebben veel minder gegevens dan wat werd gebruikt in de nieuwe studie, maar de onderzoekers melden dat om de rotatiesnelheid van een exoplaneet met meer dan 90 procent betrouwbaarheid te meten, er slechts twee tot drie keer per omlooptijd opnamen nodig zouden zijn (dat wil zeggen, per "dag" op die specifieke exoplaneet) gedurende ongeveer zeven omlooptijden.

De hoeveelheid tijd die astronomen zouden hebben om een ​​exoplaneet te observeren om de rotatiesnelheid te bepalen, hangt ook af van hoeveel ongewenst licht er in de exoplaneetgegevens is opgenomen. De EPIC-gegevens bieden een uitzonderlijk duidelijk beeld van de aarde, grotendeels onbelemmerd door licht van andere bronnen. Maar een primaire uitdaging bij het rechtstreeks in beeld brengen van exoplaneten is dat ze zoveel zwakker zijn dan hun moedersterren. Het licht van de nabije ster kan het licht van een exoplaneet gemakkelijk overstemmen, deze laatste onzichtbaar maken. Met het signaal van de planeet dat concurreert met het licht van de ster, het kan langer duren om een ​​patroon te ontdekken dat de rotatiesnelheid van de planeet zou kunnen onthullen. NASA onderzoekt mogelijke ontwerpen voor telescopen van de volgende generatie die mogelijk in staat zijn om exoplaneten ter grootte van de aarde rechtstreeks in beeld te brengen.

Nu het veld van directe beeldvorming van exoplaneten vooruitgaat, Jiang is nog niet klaar met nadenken over de vraag die zijn dochter hem meer dan tien jaar geleden stelde. Als wetenschappers kunnen leren over de oppervlaktekenmerken van verre planeten, zouden ze dan een nog grotere vraag kunnen beantwoorden die zijn dochter stelde:is er leven op een van die planeten?