Profiteren van een totale maansverduistering, astronomen die NASA's Hubble-ruimtetelescoop gebruiken, hebben het eigen merk zonnebrandcrème van de aarde - ozon - in onze atmosfeer gedetecteerd. Deze methode simuleert hoe astronomen en astrobiologische onderzoekers naar bewijs van leven buiten de aarde zullen zoeken door potentiële "biosignaturen" op exoplaneten (planeten rond andere sterren) te observeren.

Hubble keek niet rechtstreeks naar de aarde. In plaats daarvan, de astronomen gebruikten de maan als spiegel om zonlicht te weerkaatsen, die door de atmosfeer van de aarde was gegaan, en dan weerkaatst naar Hubble. Het gebruik van een ruimtetelescoop voor eclipsobservaties reproduceert de omstandigheden waaronder toekomstige telescopen de atmosferen van passerende exoplaneten zouden meten. Deze atmosferen kunnen chemicaliën bevatten die van belang zijn voor astrobiologie, de studie van en de zoektocht naar het leven.

Hoewel er al veel van dit soort waarnemingen op de grond zijn gedaan, dit is de eerste keer dat een totale maansverduistering werd vastgelegd op ultraviolette golflengten en vanuit een ruimtetelescoop. Hubble ontdekte de sterke spectrale vingerafdruk van ozon, die een deel van het zonlicht absorbeert. Ozon is belangrijk voor het leven omdat het de bron is van het beschermende schild in de atmosfeer van de aarde.

Op aarde, fotosynthese gedurende miljarden jaren is verantwoordelijk voor het hoge zuurstofgehalte en de dikke ozonlaag van onze planeet. Dat is een van de redenen waarom wetenschappers denken dat ozon of zuurstof een teken van leven op een andere planeet kan zijn. en verwijs ernaar als biosignaturen.

"Het vinden van ozon is belangrijk omdat het een fotochemisch bijproduct is van moleculaire zuurstof, dat zelf een bijproduct van het leven is, " verklaarde Allison Youngblood van het Laboratorium voor Atmosferische en Ruimtefysica in Boulder, Colorado, hoofdonderzoeker van Hubble's observaties.

Hoewel ozon in de atmosfeer van de aarde was gedetecteerd in eerdere grondobservaties tijdens maansverduisteringen, De studie van Hubble vertegenwoordigt de sterkste detectie van het molecuul tot nu toe omdat ozon - zoals gemeten vanuit de ruimte zonder interferentie van andere chemicaliën in de atmosfeer van de aarde - ultraviolet licht zo sterk absorbeert.

Hubble registreerde ozon dat een deel van de ultraviolette straling van de zon absorbeerde die door de rand van de atmosfeer van de aarde ging tijdens een maansverduistering die plaatsvond van 20 tot 21 januari. 2019. Verschillende andere telescopen op de grond hebben tijdens de zonsverduistering ook spectroscopische waarnemingen gedaan op andere golflengten, op zoek naar meer van de atmosferische ingrediënten van de aarde, zoals zuurstof en methaan.

"Een van de belangrijkste doelen van NASA is het identificeren van planeten die leven zouden kunnen ondersteunen, ' zei Youngblood. 'Maar hoe zouden we een bewoonbare of onbewoonde planeet kunnen herkennen als we er een zouden zien? Hoe zouden ze eruit zien met de technieken die astronomen tot hun beschikking hebben om de atmosferen van exoplaneten te karakteriseren? Daarom is het belangrijk om modellen van het spectrum van de aarde te ontwikkelen als sjabloon voor het categoriseren van atmosferen op planeten buiten het zonnestelsel."

Haar paper is online beschikbaar in Het astronomische tijdschrift .

Planetaire sferen opsnuiven

De atmosferen van sommige extrasolaire planeten kunnen worden onderzocht als de buitenaardse wereld over het gezicht van zijn moederster gaat, een gebeurtenis die transit wordt genoemd. Tijdens een doorreis, sterlicht filtert door de atmosfeer van de exoplaneet met achtergrondverlichting. (Als je het van dichtbij bekijkt, het silhouet van de planeet zou eruitzien alsof het een dunne, gloeiende "halo" eromheen veroorzaakt door de verlichte atmosfeer, net zoals de aarde dat doet vanuit de ruimte.)

Chemicaliën in de atmosfeer laten hun veelbetekenende signatuur achter door bepaalde kleuren sterrenlicht eruit te filteren. Astronomen die Hubble gebruikten, pionierden met deze techniek voor het onderzoeken van exoplaneten. Dit is vooral opmerkelijk omdat planeten buiten het zonnestelsel nog niet waren ontdekt toen Hubble in 1990 werd gelanceerd en het ruimteobservatorium aanvankelijk niet voor dergelijke experimenten was ontworpen.

Tot dusver, astronomen hebben Hubble gebruikt om de atmosferen te observeren van gasreuzenplaneten en superaarde (planeten die meerdere malen zo zwaar zijn als de aarde) die door hun sterren bewegen. Maar terrestrische planeten ter grootte van de aarde zijn veel kleinere objecten en hun atmosferen zijn dunner, als de schil van een appel. Daarom, het zal veel moeilijker zijn om deze handtekeningen van exoplaneten ter grootte van de aarde uit te plagen.

Daarom hebben onderzoekers ruimtetelescopen nodig die veel groter zijn dan Hubble om het zwakke sterlicht te verzamelen dat tijdens een transit door de atmosfeer van deze kleine planeten gaat. Deze telescopen zullen planeten voor een langere periode moeten observeren, vele tientallen uren, om een ​​sterk signaal op te bouwen.

Ter voorbereiding op deze grotere telescopen, astronomen besloten om experimenten uit te voeren op een veel dichterbij gelegen en enige bekende bewoonde terrestrische planeet:de aarde. De perfecte uitlijning van onze planeet met de zon en de maan tijdens een totale maansverduistering bootst de geometrie na van een terrestrische planeet die door zijn ster beweegt.

Maar de waarnemingen waren ook uitdagend omdat de maan erg helder is, en het oppervlak is geen perfecte reflector omdat het gevlekt is met lichte en donkere gebieden. De maan staat ook zo dicht bij de aarde dat Hubble moest proberen een bepaalde regio in de gaten te houden, ondanks de beweging van de maan ten opzichte van het ruimteobservatorium. Dus, Het team van Youngblood moest in hun analyse rekening houden met de drift van de maan.

Waar ozon is, Is er leven?

Het vinden van ozon in de lucht van een terrestrische planeet buiten het zonnestelsel garandeert niet dat er leven aan de oppervlakte bestaat. "Je zou naast ozon andere spectrale kenmerken nodig hebben om te concluderen dat er leven op de planeet was, en deze handtekeningen kunnen niet noodzakelijkerwijs worden gezien in ultraviolet licht, ' zei Jongbloed.

Op aarde, ozon wordt van nature gevormd wanneer zuurstof in de atmosfeer van de aarde wordt blootgesteld aan sterke concentraties ultraviolet licht. Ozon vormt een deken rond de aarde, beschermen tegen harde ultraviolette stralen.

"Fotosynthese is misschien wel het meest productieve metabolisme dat op elke planeet kan evolueren, omdat het wordt gevoed door energie van sterrenlicht en gebruik maakt van kosmisch overvloedige elementen zoals water en koolstofdioxide, " zei Giada Arney van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, een co-auteur van het wetenschappelijke artikel. "Deze noodzakelijke ingrediënten zouden normaal moeten zijn op bewoonbare planeten."

Seizoensvariabiliteit in de ozonsignatuur kan ook wijzen op seizoensgebonden biologische productie van zuurstof, net als met de groeiseizoenen van planten op aarde.

Maar ozon kan ook worden geproduceerd zonder de aanwezigheid van leven wanneer stikstof en zuurstof worden blootgesteld aan zonlicht. Om het vertrouwen te vergroten dat een bepaalde biosignatuur echt door het leven wordt geproduceerd, astronomen moeten zoeken naar combinaties van biosignaturen. Een campagne met meerdere golflengten is nodig omdat elk van de vele biosignaturen gemakkelijker kan worden gedetecteerd bij golflengten die specifiek zijn voor die handtekeningen.

"Astronomen zullen ook rekening moeten houden met het ontwikkelingsstadium van de planeet als ze kijken naar jongere sterren met jonge planeten. Als je zuurstof of ozon wilt detecteren van een planeet die lijkt op de vroege aarde, toen er minder zuurstof in onze atmosfeer was, de spectrale eigenschappen in optisch en infrarood licht zijn niet sterk genoeg, " legde Arney uit. "We denken dat de aarde lage ozonconcentraties had vóór de geologische periode halverwege het Proterozoïcum (tussen ongeveer 2,0 miljard tot 0,7 miljard jaar geleden) toen fotosynthese bijdroeg aan de opbouw van zuurstof en ozon in de atmosfeer tot de niveaus die we zien vandaag. Maar omdat de ultraviolet-lichtsignatuur van ozonkenmerken erg sterk is, je zou hopen op het detecteren van kleine hoeveelheden ozon. Het ultraviolet kan daarom de beste golflengte zijn voor het detecteren van fotosynthetisch leven op zuurstofarme exoplaneten."

NASA heeft een naderend observatorium genaamd de James Webb Space Telescope die vergelijkbare soorten metingen in infrarood licht kan doen, met het potentieel om methaan en zuurstof in exoplaneetatmosferen te detecteren. Webb staat momenteel gepland voor 2021.