De oceanen van onze planeet genereren veelbetekenende lichtsignaturen wanneer zonlicht erop weerkaatst. Exoplaneten met een aanzienlijke oceaandekking kunnen hetzelfde doen. Kunnen we de reflectiekenmerken van de aarde gebruiken om andere aardachtige werelden met grote oceanen te identificeren?

Uiteindelijk zouden we dat moeten kunnen.

Een nieuwe studie onderzocht lichtsignaturen die weerkaatsten op de oceanen van de aarde en onderzocht hun flux en polarisatie. De onderzoekers modelleerden twee aardes:een droge planeet en een natte planeet met aardachtige wolken en atmosfeer. Vervolgens simuleerden ze hoe het licht van die planeten in verschillende omstandigheden zou reflecteren. Ze ontdekten dat alleen een oceaan ervoor kan zorgen dat de polarisatie van licht op specifieke manieren daalt.

De studie is getiteld "Oceansignaturen in de totale flux- en polarisatiespectra van aardachtige exoplaneten." Het tijdschrift Astronomy and Astrophysics zal het publiceren, maar het is momenteel online beschikbaar op de prepress-site arxiv.org. De auteurs zijn V.J.H. Trees en D.M. Stam. Trees is van het Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut en Stam van de TU Delft.

Wetenschappers hebben waterdamp gevonden op exoplaneten, maar het wordt spectroscopisch gedetecteerd wanneer de planeet voor zijn ster staat en het sterlicht door de atmosfeer gaat. Die waarnemingen onthulden de moleculaire signatuur van water, maar er is momenteel geen manier om te weten of er een oceaan is. "... werkelijke waarnemingen van oceanen met vloeibaar water zijn alleen mogelijk met een directe detectie van het sterlicht dat door de planeet wordt gereflecteerd", stelt de krant.

Sommige wetenschappelijke schattingen tonen aan dat tot een kwart van de bekende exoplaneten oceanen hebben, hoewel veel van dat water zich in ondergrondse oceanen kan bevinden. In ons zonnestelsel heeft alleen planeet Aarde oppervlakte-oceanen. Meerdere manen in het zonnestelsel hebben ondergrondse oceanen, en sommige dwergplaneten waarschijnlijk ook.

We zijn niet dicht bij het detecteren van ondergrondse oceanen op exomanen, maar naarmate de telescooptechnologie vordert, kunnen we misschien oceanen detecteren op planeten die vergelijkbaar zijn met de aarde. Zoals de auteurs van dit artikel schrijven:"Numerieke simulaties van sterlicht dat wordt weerkaatst door aardachtige exoplaneten voorspellen bewoonbaarheidskenmerken waarnaar kan worden gezocht met toekomstige telescopen."

De onderzoekers berekenden drie dingen in hun numerieke exoplaneetsimulaties:totale flux (F), gepolariseerde flux (Q) en polarisatiegraad (Ps). Ze hebben de oceanen op een bepaalde manier gemodelleerd. "De oceanen bestaan ​​uit Fresnel-reflecterende oppervlakken met door de wind gegolfde golven, schuim en golfschaduwen, boven natuurlijk blauw zeewater", leggen ze uit. Fresnel-reflectie is wanneer het gereflecteerde licht zich in hetzelfde vlak bevindt als het invallende licht. Het wordt ook wel parallelle polarisatie genoemd, genoemd naar Augustin-Jean Fresnel. Hij vond een lens uit die in vuurtorens wordt gebruikt en die het licht bundelt in een smallere straal.

Het meten van de polarisatie van licht van oceanen is belangrijk omdat van sterrenlicht niet wordt verwacht dat het gepolariseerd is. Ook, terwijl lichtsignalen afnemen met de afstand, doet de mate van polarisatie dat niet. Helaas kunnen astronomen de door de oceaan weerkaatste polarisatie nog niet meten. "De huidige telescopen op de grond en in de ruimte zijn niet in staat om het gepolariseerde licht te meten dat wordt gereflecteerd door aardachtige exoplaneten", leggen de auteurs uit.

Maar dat zal veranderen.

De komende European Extremely Large Telescope (E-ELT) en de Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), een ruimtetelescoopconcept dat door NASA wordt ontwikkeld, zullen beide in staat zijn om gepolariseerd licht te meten. Numerieke modellen zoals die in deze studie zullen worden gebruikt om de instrumenten en observatieprocedures te ontwerpen die nodig zijn om de polarisatie van licht dat wordt gereflecteerd door exo-oceanen te detecteren.

Een van de belangrijkste conclusies uit dit werk betreft de mate van polarisatie of Ps. De afbeelding hieronder vergelijkt de P's voor wolkenvrije droge planeten versus wolkenvrije oceaanplaneten.

De belangrijkste conclusie is dat Ps alleen onder bepaalde omstandigheden daalt, wat kan worden gemeten. Zoals de auteurs opmerken:"Dips in Ps worden alleen waargenomen voor oceaanplaneten en alleen wanneer de glinstering wolkenvrij is." Dat is een vereenvoudigde samenvatting van hun resultaten, maar het laat zien dat ze iets op het spoor zijn.

Als - of hopelijk wanneer - we een exoplaneet met een oceaan ontdekken, zal dat een mijlpaal zijn. De ruimtewetenschapsgemeenschap is er vrij zeker van dat ze daarbuiten zijn en een sterke mogelijkheid hebben om het leven te ondersteunen. Hints van exo-oceanen duiken op wanneer wetenschappers de dichtheid van een exoplaneet versus zijn grootte meten. Maar zoals het er nu uitziet, is er geen manier om zeker te weten of we een oceaan aan het oppervlak detecteren.

Deze onderzoekers werken al een tijdje aan het probleem van het detecteren van exo-oceanen en hebben andere artikelen gepubliceerd waarin het probleem wordt aangepakt. Als hun simulaties correct zijn, ontwikkelen we mogelijk een betrouwbare manier om oceaanwerelden op grote afstand te detecteren. De E-ELT zal rond 2027 het eerste licht zien en zal in staat zijn om gepolariseerd sterlicht te detecteren dat door oceanen wordt weerkaatst.

Misschien hebben we niet lang daarna onze eerste bevestigde exoplaneet in de oceaan. + Verder verkennen

Astronomen meten eindelijk gepolariseerd licht van exoplaneet