Способ обнаружения воды у землеподобных планет

Начиная с 1990-х годов астрономы открыли более 300 экзопланет у других звезд (на данный момент их насчитывается 348), большинство из них газовые гиганты, такие как Юпитер. Мощные космические телескопы, например, Кеплер, смогут обнаруживать меньшие по размеру каменные землеподобные планеты.

Если говорить о получении прямых изображений планет, то это задача далекого будущего, когда будут запущены космические телескопы с большой апертурой и с соответствующей высокочувствительной аппаратурой. И даже обнаружив экзопланету, мы не сможем разрешить ее диск. Нечего говорить и о следующей задаче - построении карты поверхности.

Если рассматривать экзопланету земного типа на расстоянии в десятки световых лет, то в телескопе она будет видна только как маленькая "бледная голубая точка". Этот термин ввел в оборот Карл Саган для описания того, как выглядит Земля на фотографиях 1990 года, полученных космическим кораблем Voyager, когда он пересекал границу Солнечной системы.

К счастью, существует способ получить информацию о природе поверхности планеты, не имея возможности разрешить ее диск. Если планета вращается, ее цвет будет меняться: если в сторону наблюдателя буду обращены океаны, то отраженный от планеты цвет будет синим, а если твердая поверхность, то цвет сместится в красную сторону спектра.

Т.е. можно решить обратную задачу: имея распределение цвета от планеты - определить природу поверхности планеты, и более того, даже попытаться получить карты. Еще больше информации можно получить в инфракрасной области. В ближнем инфракрасном диапазоне растения отражают свет сильнее, чем в видимом диапазоне. По наблюдениям вращения экзопланеты в разных диапазонах волн можно сделать предположение о существовании океанов, континентов и даже растений.

Используя аппаратуру на борту космического аппарата Deep Impact в рамках миссии EPOXI mission, группа астрономов и астробиологов разработала метод, с помощью которого можно определить, если ли на планете жидкая вода, которая, в свою очередь, может служить индикатором возможного существования жизни.

Рисунок 1. Верхняя панель: спектры Земли, полученные с помощью метода главных компонент, для двух домининующих цветов - красного и синего. Нижняя панель: действительные спектры океанов и континентов, полученные с околоземных спутников (синяя и красная кривые), и спектр всей Земли (черная кривая). (Рисунок NASA).
В рамках миссии НАСА по исследованию экзопланет ученые провели два 24-часовых наблюдения интенсивности света от Земли в семи полосах видимого света с длиной волны начиная от близкого ультрафиолета и вплоть до ближней инфракрасной области. Земля видна в сером цвете на большинстве длин волн из-за облачности, при этом становится голубой на коротких волнах, аналогично тому же эффекту (рассеяние Релея), из-за которого люди видят небо голубым.
Были изучены небольшие отклонения от среднего цвета поверхности, вызванные разными особенностями, такими как облака и океаны, в процессе вращения Земли. Были найдены два доминирующих цвета: один светоотражающий в длинной красной области спектра, а другой - в короткой, синей области. Эти цвета интерпретируются следующим отразом: красный цвет дают твердые поверхности - материки, а голубой - вызван наличием океанов.
Этот анализ был проведен с точки зрения "инопланетян", смотрящих на Землю и не имеющих представления о ее строении. На расстоянии в 10 световых лет Земля будет занимать всего лишь один пиксель на изображении в приемнике телескопа, и поэтому действительно можно говорить о ней только как о бледно-голубой точке. Т.к. цвет Земли меняется в течение 24-часовых наблюдений, ученые сделали карты нашей планеты в доминирующем цветах - красном и синем, а затем сравнили с фактическим расположения континентов и океанов.

Рисунок 2. Верхняя панель: обычная карта Земли. Нижняя панель: карта Земли, какой могли бы видеть ее инопланетяне, созданная по данным EPOXI. Это пример карты, которую мы могли бы получить, наблюдая землеподобную экзопланету; по ней можно сделать вывод о наличии океанов и материков на ее поверхности. (Рисунок NASA)
.
Из анализа изображений потенциальные инопланетные наблюдатели могли бы сделать вывод, что на Земле есть жидкие океаны, и более того, даже составить грубую топографическую карту. На рис.2 представлена такая "инопланетная карта", где континенты вытянуты по долготе, так как наблюдения проводились в экваториальной плоскости. Вполне вероятно, если наблюдать планету долго, с разных углов, то можно получить распределение цвета не только по времени, но и по широте, и таким образом, восстановить топографическую карту в целом.
Планета, имеющая жидкую воду, находится в обитаемой зоне, хотя, с другой стороны, нахождение в этой зоне совсем не является гарантией наличия жидкой воды.
Наблюдения Deep Impact были проведены 18 марта и 4 июня 2008 года, когда корабль находился на расстоянии в 17 миллионов и 33 миллионов миль от Земли соответственно непосредственно над экватором Земли. Если бы были проанализированы наблюдения полярной области, то, скорее всего, они дали бы белый цвет. В ближайшем будущем будут запущены космические телескопы, способные проводить наблюдения экзопланет размером с Землю, и разработка этого метода может внести модификации в конструкцию этих инструментов. И хотя экзопланеты будут находиться существенно дальше, эта технология вполне применима.
Надо отметить, что некоторые необитаемые планеты, такие, как Нептун, также могут оказаться синими, но их цвет является величиной постоянной; в случае с Нептуном это, вероятно, вызвано наличием метана в атмосфере. Такая планета выглядит синей при любом угле наблюдения, в любой момент. Конечно, если вдруг планета полностью покрыта океаном, она будет выглядеть так же, но можно провести другие тесты, чтобы определить, что же это на самом деле. На Земле синий цвет варьируется от одного места к другому, значит, это происходит не в атмосфере.