21.01.2023. - Экзопланеты, полные растительной жизни, сияют в ИК-диапазоне

Экзопланеты, полные растительной жизни, сияют в ИК-диапазоне

Историки будущего могут оглянуться на это время и назвать его «эрой экзопланет». Мы нашли более 5000 экзопланет и продолжим находить больше. Далее мы не просто найдем их, а направим наши усилия на поиск биосигнатур, особых химических отпечатков, которые живые процессы отпечатывают в атмосферах экзопланет. Но биосигнатуры — это нечто большее, чем атмосферная химия. На планете с большим количеством растений свет тоже может быть биосигнатурой. Поиск биосигнатур на экзопланетах получил импульс, когда космический телескоп Джеймса Уэбба начал наблюдения.

Одной из научных целей телескопа является определение характеристик атмосфер экзопланет с помощью мощной инфракрасной спектрометрии. Например, если Уэбб находит большое количество кислорода, это указывает на то, что биологические процессы могут работать и меняют атмосферу планеты. Но JWST и другие телескопы могут обнаружить другой тип биосигнатуры. Обильная растительная жизнь Земли меняет «световую подпись» нашей планеты. Это изменение основано на фотосинтезе и на том, как растения поглощают одни частоты света и отражают другие. Возникающее в результате явление называется красным краем растительности (VRE).

Экзопланетные ученые работали над идеей VRE как биосигнатуры в течение нескольких лет. Он основан на том, что хлорофилл поглощает свет в видимой части спектра и практически прозрачен в инфракрасном. Другие клеточные структуры в растительности отражают инфракрасное излучение. Это помогает растениям избежать перегрева во время фотосинтеза. Это поглощение и отражение позволяют дистанционному зондированию измерять здоровье растений, охват и активность, а ученые-агрономы используют их для наблюдения за посевами.

В новой статье группа исследователей рассмотрела хлорофилл и его солнечную флуоресценцию (SIF). SIF — это название электромагнитного сигнала, излучаемого хлорофиллом а, наиболее широко распространенной молекулой хлорофилла. Часть энергии, поглощаемой хлорофиллом а, не используется для фотосинтеза, а излучается в более длинноволновом диапазоне в виде двухпикового спектра. Он охватывает примерно спектральный диапазон 650–850 нм.

Статья называется «Фотосинтетическая флуоресценция планет земного типа вокруг солнцеподобных и холодных звезд» и опубликована в The Astrophysical Journal. Ведущий автор — Ю Комацу, научный сотрудник Центра астробиологии Национального института естественных наук Национальной астрономической обсерватории Японии.

В статье основное внимание уделяется тому, как флуоресценция хлорофилла может быть обнаружена на планетах, подобных Земле. «В этом исследовании изучалась возможность обнаружения биологической флуоресценции двух типов фотосинтетических пигментов, хлорофиллов (Chls) и бактериохлорофиллов (BChls), на земноподобных планетах с богатой/бедной кислородом и бескислородной атмосферой вокруг Солнца и М-карликов», — пишут авторы. объяснять.

Обнаружить наличие хлорофилла в другом мире сложно. Существует сложное взаимодействие между растительной жизнью, звездным светом, покрытием земли/океана и составом атмосферы. Это исследование является частью постоянных усилий, направленных на то, чтобы понять некоторые ограничения обнаружения и какие спектроскопические данные могут рассказать ученым об экзопланетах. Со временем исследователи экзопланет хотят определить, какие обнаружения могут быть биосигнатурами в различных обстоятельствах.

VRE — это резкий перепад наблюдаемого света между инфракрасным и видимым светом. Свет в ближнем инфракрасном диапазоне (начиная примерно с 800 нм) намного ярче, чем свет в оптическом диапазоне (примерно от 350 до 750 нм). На Земле это световая подпись растительной жизни и ее хлорофилла. Хлорофилл поглощает свет до 750 нм, а другие ткани растений отражают свет выше 750 нм.

Такие спутники, как Terra НАСА, могут наблюдать за различными участками поверхности Земли с течением времени и наблюдать за изменением коэффициента отражения света. Ученые измеряют то, что называется индексом нормализованной разницы в растительности (NVDI). Густые леса в пик вегетационного периода дают пиковые значения для NDVI, в то время как регионы с бедной растительностью дают низкие значения.

Ученые также могут наблюдать Earthshine, свет, отраженный от Земли на Луну. Этот свет представляет собой весь свет, отраженный Землей, который ученые называют усредненным по диску спектром. «В то время как дистанционное зондирование наблюдает за локальными областями на Земле, наблюдения Earthshine обеспечивают усредненные по диску спектры Земли, что позволяет получить плодотворное представление о применении экзопланет», — пишут авторы. «Кажющееся изменение отражательной способности в усредненном по диску спектре Земли из-за поверхностной растительности составляет менее 2%».

Земной свет, который мы видим на Луне, похож на свет, который мы обнаруживаем от далеких экзопланет. Это совокупность света по сравнению с региональным поверхностным светом. Но изучение этого света связано с огромной сложностью, и нет простых сравнений между Землей и экзопланетами. «Сигналы VRE от экзопланет вокруг звезд, отличных от солнцеподобных, сложно предсказать из-за сложности механизмов фотосинтеза в различных условиях освещения», — объясняют авторы. Но поиски VRE на экзопланетах все же имеют смысл. Если ученые часто наблюдают экзопланету, они могут распознать сезонные изменения VRE, и они могут распознать аналогичный VRE-подобный шаг в спектроскопии планеты, хотя он может быть на других длинах волн, чем на Земле.

В своей статье исследователи рассмотрели планету, похожую на Землю, на разных стадиях эволюции атмосферы. В каждом случае планеты вращались вокруг Солнца, хорошо изученного красного карлика Gliese 667 C или еще более известного красного карлика TRAPPIST-1. (Оба красных карлика имеют планеты в своих обитаемых зонах, и оба представляют обычные типы красных карликов.) В каждом случае они смоделировали коэффициент отражения для хлорофилла растительности, растительности на основе бактериального хлорофилла и биологической флуоресценции без какой-либо поверхностной растительности.

То, что они придумали, — это набор кривых блеска, которые показывают, как разные VRE могут выглядеть на экзопланетах, подобных Земле, на разных стадиях эволюции атмосферы вокруг разных звезд. Важно смотреть на разные этапы эволюции атмосферы, потому что атмосфера Земли менялась от бедной кислородом до богатой кислородом, пока существовала жизнь. «Мы рассмотрели флуоресцентные выбросы растительности на основе хлора и борхлора в условиях ясного неба на землеподобной планете вокруг Солнца и двух М-карликов», — пишут авторы.

В ходе исследования был получен ряд данных об отражательной способности планет, подобных Земле, вокруг разных звезд. Планеты были смоделированы с разными атмосферами, которые соответствуют разным атмосферам Земли за ее четырехмиллиардную историю. Исследователи также варьировали количество земного покрова по сравнению с океаническим, количество береговой линии и то, была ли поверхность покрыта растениями или фотосинтезирующими бактериями.

В будущем у нас будут еще более мощные космические телескопы, такие как LUVOIR (большой УФ/оптический/ИК обзор) и HabEx (обитаемая экзопланетная обсерватория). Европейский сверхбольшой телескоп также заработает в ближайшем будущем. Эти телескопы собираются собрать беспрецедентный объем данных об экзопланетах, и это исследование является частью подготовки к этому.

Мы обнаруживаем все больше и больше экзопланет и получаем статистическое представление о других солнечных системах, а также о распределении, массах и орбитах экзопланет. Следующее — получить более глубокое понимание характеристик экзопланет. Такие телескопы, как E-ELT, сделают это с помощью 39,3-метрового зеркала. Он сможет отделить свет экзопланеты от света звезды и напрямую отобразить некоторые экзопланеты. Это высвободит поток данных об отражательной способности экзопланет и потенциальных биосигнатурах, и все эти данные необходимо будет оценить.

Если мы когда-нибудь обнаружим похожую на Землю планету, пригодную для жизни и в настоящее время поддерживающую жизнь, она не просто появится в одном из наших телескопов и объявит о своем присутствии. Вместо этого будут дразнящие намеки, будут показания и противопоказания. Ученые будут медленно и осторожно продвигаться вперед, и однажды мы сможем сказать, что нашли планету с жизнью. Это исследование должно сыграть свою роль в этом стремлении.

«Важно количественно оценить возможность обнаружения любой потенциальной поверхностной биосигнатуры, используя ожидаемые характеристики конкретных будущих миссий», — объясняют авторы. «В этом исследовании была сделана первая попытка исследовать возможность обнаружения фотосинтетической флуоресценции на экзопланетах, подобных Земле».

Источник