Natuurkundigen van ETH Zürich en de Universiteit van Zürich wilden weten of de geplande LIFE-ruimtemissie echt sporen van leven op andere planeten zou kunnen detecteren. Ja, dat kan, zeggen de onderzoekers, met behulp van observaties van onze eigen planeet.

Dit is aangetoond in een onderzoek uitgevoerd door het Instituut voor Deeltjesfysica en Astrofysica van de ETH Zürich. Het was uiteraard niet de bedoeling van de onderzoekers om de vraag te beantwoorden of er leven mogelijk is op aarde zelf. In plaats daarvan gebruikten ze de aarde als voorbeeld om te bewijzen dat de geplande LIFE-ruimtemissie (Large Interferometer for Exoplanets) een succes kan zijn – en dat de geplande meetprocedure werkt.

Op zoek naar leven

Met een netwerk van vijf satellieten hoopt het internationale LIFE-initiatief onder leiding van ETH Zürich ooit sporen van leven op exoplaneten te detecteren. Het doel is om een ​​gedetailleerder onderzoek uit te voeren naar aardachtige exoplaneten:rotsachtige planeten die qua grootte en temperatuur vergelijkbaar zijn met de aarde, maar in een baan om andere sterren draaien.

Het plan is om vijf kleinere satellieten in de ruimte te positioneren, dichtbij de James Webb Space Telescope. Samen zullen deze satellieten een grote telescoop vormen die zal fungeren als een interferometer om de infrarode thermische straling van exoplaneten op te vangen. Het spectrum van het licht kan vervolgens worden gebruikt om de samenstelling van die exoplaneten en hun atmosfeer af te leiden. "Ons doel is om chemische verbindingen in het lichtspectrum te detecteren die wijzen op leven op exoplaneten", legt Sascha Quanz uit, die leiding geeft aan het LIFE-initiatief.

De aarde als een bescheiden stipje

In de studie, die zojuist is gepubliceerd in The Astrophysical Journal onderzochten de onderzoekers Jean-Noël Mettler, Björn S. Konrad, Sascha P. Quanz en Ravit Helled hoe goed een LIFE-missie de bewoonbaarheid van een exoplaneet kon karakteriseren. Daartoe besloten ze de aarde te behandelen alsof het een exoplaneet was en observaties te doen op onze thuisplaneet.

Het unieke aan het onderzoek is dat het team de mogelijkheden van de toekomstige LIFE-missie heeft getest op reële spectra in plaats van op gesimuleerde spectra. Met behulp van gegevens van een van de atmosferische meetapparatuur van NASA's observatiesatelliet Aqua Earth genereerden ze de emissiespectra van de aarde in het midden-infraroodbereik, zoals zou kunnen worden vastgelegd in toekomstige waarnemingen van exoplaneten.

Twee overwegingen stonden centraal in het project. Ten eerste:als een grote ruimtetelescoop de aarde vanuit de ruimte zou observeren, welk soort infraroodspectrum zou hij dan registreren? Omdat de aarde vanaf grote afstand zou worden waargenomen, zou deze eruit zien als een bescheiden stipje, zonder herkenbare kenmerken zoals de zee of de bergen. Dit betekent dat de spectra dan ruimtelijke en temporele gemiddelden zouden zijn die afhankelijk waren van welke beelden van de planeet de telescoop zou vastleggen en voor hoe lang.

Hoe beïnvloeden perspectief en seizoenen waarnemingen?

Hieruit leidden de natuurkundigen de tweede overweging in hun onderzoek af:als deze gemiddelde spectra zouden worden geanalyseerd om informatie te verkrijgen over de atmosfeer en de oppervlaktecondities van de aarde, op welke manieren zouden de resultaten dan afhangen van factoren zoals observationele geometrie en seizoensfluctuaties?

De onderzoekers hielden rekening met drie observatiegeometrieën – de twee weergaven vanaf de polen en een aanvullend equatoriaal zicht – en concentreerden zich op gegevens die in januari en juli waren geregistreerd om rekening te houden met de grootste seizoensvariaties.

Succesvolle identificatie als bewoonbare planeet

De belangrijkste bevinding van het onderzoek is bemoedigend. Als een ruimtetelescoop als LIFE planeet Aarde zou observeren, zou hij tekenen vinden van een gematigde, bewoonbare wereld. Het team kon concentraties van de atmosferische gassen CO₂ detecteren , water, ozon en methaan in de infraroodspectra van de atmosfeer van de aarde, evenals oppervlakteomstandigheden die het voorkomen van water bevorderen. Bewijs van ozon en methaan is vooral belangrijk omdat deze gassen worden geproduceerd door de biosfeer van de aarde.

Deze resultaten zijn onafhankelijk van de observatiegeometrie, zoals de onderzoekers lieten zien. Dit is goed nieuws, omdat de exacte observatiegeometrie voor toekomstige observaties van aardachtige exoplaneten waarschijnlijk onbekend zal zijn.

Bij het vergelijken van seizoensfluctuaties was het resultaat echter minder onthullend. “Ook al is de seizoensinvloeden in de atmosfeer niet eenvoudig waar te nemen, toch laat ons onderzoek zien dat ruimtemissies van de volgende generatie in staat zullen zijn om te beoordelen of nabijgelegen, gematigde, aardachtige exoplaneten bewoonbaar of zelfs bewoond zijn”, zegt Quanz.

Meer informatie: Jean-Noël Mettler et al, De aarde als exoplaneet. III. Empirische thermische emissiespectra gebruiken als input voor het terugvinden van een exoplaneet in de atmosfeer, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad198b

Journaalinformatie: Astrofysisch tijdschrift

Aangeboden door ETH Zürich