Хаббл использует Землю для определения кислорода на потенциально обитаемых экзопланетах

Хаббл не смотрит на Землю напрямую. Вместо этого астрономы использовали Луну как зеркало для отражения солнечного света, который прошел через атмосферу Земли, а затем отразился в сторону Хаббла. Использование космического телескопа для наблюдений за затмениями воспроизводит условия, при которых будущие телескопы будут измерять атмосферы транзитных экзопланет. Их атмосферы могут содержать химические вещества, представляющие интерес для астробиологии, изучения и поиска жизни.

Ранее проводились многочисленные наземные наблюдения такого рода, но это первый случай, когда полное лунное затмение было зафиксировано в ультрафиолетовом диапазоне и с помощью космического телескопа. Хаббл обнаружил сильный спектральный отпечаток озона, который поглощает часть солнечного света. Озон важен для жизни, потому что является защитным экраном в атмосфере Земли.

На Земле фотосинтез в течение миллиардов лет был причиной высокого уровня кислорода на планете и толстого озонового слоя. Это одна из причин, по которой ученые считают, что озон или кислород могут быть признаком жизни на другой планете, и называют их биосигнатурами.

«Обнаружение озона важно, потому что это фотохимический побочный продукт молекулярного кислорода, который сам по себе является побочным продуктом жизни», - объяснила Эллисон Янгблад из Лаборатории атмосферной и космической физики в Боулдере, ведущий исследователь наблюдений Хаббла.

Хотя озон в атмосфере Земли был обнаружен в ходе предыдущих наземных наблюдений во время лунных затмений, исследование Хаббла представляет собой самое сильное обнаружение молекул на сегодняшний день, поскольку озон, измеренный из космоса без вмешательства других химических веществ в атмосфере Земли, сильно поглощает ультрафиолетовый свет.

Хаббл зарегистрировал озон, поглощающий часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое прошло через край атмосферы Земли во время лунного затмения с 20 по 21 января 2019 года. Несколько других наземных телескопов также провели спектроскопические наблюдения на других длинах волн во время затмения, ища большое количество атмосферных компонентов Земли, таких как кислород и метан.

«Одна из основных целей НАСА - определить планеты, на которых могла бы существовать жизнь», - сказала Янгблад. «Но как узнать, планета обитаемая или нет, если увидим ее? Как бы они выглядели с методами, которые есть в распоряжении астрономов для определения характеристик атмосфер экзопланет? Вот почему так важно разработать модели спектра Земли как шаблон для категоризации атмосфер на внесолнечных планетах».

Атмосферы некоторых внесолнечных планет могут быть исследованы, если инопланетный мир пересекает лицевую сторону своей звезды - это событие называется транзитом. Во время транзита звездный свет фильтруется через атмосферу экзопланеты с подсветкой.

Химические вещества в атмосфере оставляют свою подпись, отфильтровывая определенные цвета звездного света. Астрономы, использующие Хаббл, первыми изобрели эту технику для исследования экзопланет. И это особенно примечательно, потому что экзопланеты еще не были открыты, когда Хаббл был запущен в 1990 году, и космическая обсерватория изначально не была предназначена для таких экспериментов.

До сих пор астрономы использовали телескоп Хаббла для наблюдения за атмосферами газовых планет-гигантов и суперземель (планет, масса которых в несколько раз превышает массу Земли), которые проходят мимо звезд. Но планеты земной группы размером с Землю представляют собой гораздо меньшие объекты, а их атмосфера тоньше, как кожура яблока. Таким образом, выявить эти сигнатуры у экзопланет размером с Землю будет намного сложнее.

Вот почему исследователям понадобятся космические телескопы намного больше Хаббла, чтобы улавливать слабый звездный свет, проходящий через атмосферы этих маленьких планет во время транзита. Эти телескопы должны будут наблюдать планеты в течение более длительного периода, многих десятков часов, чтобы получить сильный сигнал.

Обнаружение озона в небе внесолнечной планеты суши не гарантирует существования жизни на поверхности. «Потребуются другие спектральные сигнатуры в дополнение к озону, чтобы сделать вывод о существовании жизни на планете, и эти сигнатуры не обязательно можно увидеть в ультрафиолетовом свете», - сказала Янгблад.

На Земле озон образуется естественным образом, когда кислород в атмосфере Земли подвергается воздействию сильных концентраций ультрафиолетового света. Озон образует покров вокруг Земли, защищая ее от резких ультрафиолетовых лучей.

«Фотосинтез может быть наиболее продуктивным метаболизмом, который может развиваться на любой планете, потому что подпитывается энергией звездного света и использует космические элементы, такие как вода и углекислый газ», - сказала Джада Арни из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, соавтор научной статьи. «Эти необходимые ингредиенты должны быть обычными для обитаемых планет».