Можно ли обнаружить внеземную жизнь по одному пикселю света?

Одна из последних научных работ демонстрирует, как некоторые скалистые тела Солнечной системы выглядели бы, если бы их наблюдали за много световых лет от нас. На таких больших расстояниях экзопланеты выглядят просто тусклыми пятнами. Однако, как показывает исследование, даже то небольшое количество света, которое доходит до нас, может предоставить интересные подробности о поверхностях этих планет, если, конечно, знать, что искать.

Предыдущие исследования Земли показали, что океаны, континенты и ледяные шапки отражают разное количество света обратно в космос. Модели показывают, что даже на значительных расстояниях наблюдатель может различить разные типы поверхности — воду, землю и лед.

Новое исследование включает в эту модель твердые миры вроде Земли, Марса и галилеевых спутников, расширяя нашу основу для сравнения.

«Мы хотим исследовать поверхностные среды землеподобных экзопланет и с этой целю изучаем наблюдаемые сигнатуры Земли, — говорит ведущий автор работы Юка Фудзи, научный сотрудник Токийского технологического института. — Для того чтобы интерпретировать данные неизвестных планет, полученные в будущем, нам также нужно знать возможные особенности, наблюдаемые на примерах других, не похожих на Землю, планет».

Исследование было опубликовано в журнале Astrobiology.

Хотя астрономы обнаружили порядка 2000 экзопланет на сегодняшний день, мы очень мало знаем о них. В подавляющем большинстве случаев нам известна только масса или размер. Экзопланеты просто находятся слишком далеко, а наши инструменты слишком слабы, чтобы определить такие простые особенности, как цвет, свойства поверхности и облачного покрова.

Самая подробная наша информация об экзопланетах включает только данные о горстке миров, как то газовый состав атмосферы, состоит она из водяных паров или углекислого газа. Эти данные извлекаются из сигнатур этих газов, отпечатанных на свете, который проходит через атмосферу. Такое измерение, ко всему прочему, весьма косвенное. Свет, который считается принадлежащим экзопланете, нужно отделить от бликов звезды.

Исследование Фудзи заходит дальше, подразумевая миры, изображение которых мы можем получить напрямую. Разница вот в чем: свет прямого изображения мира берется от самого мира, а не выводится из слепящих бликов звезды на основе сравнения. Точно так же мы изучаем планеты в Солнечной системе: смотрим прямо на них. На данный момент напрямую изучено было менее двух десятков экзопланет. Потенциальное преимущество этой техники в том, что она позволит выделить особенности поверхности небольших каменистых экзопланет, а значит, и определит места, в которых потенциально может развиваться жизнь.

Тем не менее лучшие телескопы на сегодня вроде Хаббла и Спитцера неспособны справиться с этой задачей. Нам придется ждать телескопов нового поколения и появления специализированных инструментов, которые смогут собирать планетарный свет более эффективно, нежели инструменты сегодняшнего дня, отдельно от света звезды. Несколько таких инструментов будут на борту космического телескопа Джеймса Уэбба, который будет запущен в 2018 году, а также у некоторых телескопов «тридцатиметрового» класса на земле.

Закладывая фундамент для такой будущей работы, исследование Фудзи изображает миры Солнечной системы как далекие туманные экзопланеты. Вместе с коллегами Фудзи собрал данные наблюдений Меркурия, Луны, Марса и четырех галилеевых спутников Юпитера (Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто).

Поскольку эти тела расположены относительно близко, на основе их поверхностей была сделана подробная карта, состоящая из тысяч пикселей. Экзопланеты, однако, из-за расстояния, могут занимать только один пикселей — так называемый «точечный источник». Чтобы изобразить тела Солнечной системы как точечные источники, Фудзи свел средний общий цвет (яркость) многих пикселей до одного пикселя. Лед, к примеру, отражает больше света, чем земля, поэтому его цвет будет ярче.

По мере вращения миров, яркость этого одного пикселя меняется с течением времени, если меняется и поверхность мира. К примеру, когда Земля поворачивается к наблюдателю Тихим океаном, общая яркость планеты будет выше, чем когда взгляд падает на гигантский массив суши Азии.

«Из-за вращения оси мы видим различные срезы поверхности в разное время, — говорит Фудзи. — Поэтому если яркость вращающейся планеты меняется, это говорит о неравномерном распределении материала на поверхности».

Различные миры, рассмотренные в ходе исследования, продемонстрировали среднестатистическое изменение цветов, которое тесно связано с факторами, влияющими на композицию поверхности. Для безводного тела вроде Луны, регионы, которые контрастируют с остальной частью лунной поверхности, представляют собой «марии», темные лавовые поля. Очевидно, Луна отличается от других объектов Солнечной системы своими весьма разнородными светоотражающими регионами.

Меркурий, который хотя и окрашен в равномерный серый цвет, обладает гладкими равнинами, которые охватывают 40% его сильно избитой кратерами поверхности. Влияние этого на светоотражающие паттерны в некотором роде похоже на лунное, хотя и не настолько резкое, как у двухцветного спутника Земли.

Ио, между прочим, славится бушующими вулканами, которые окрашивают поверхность в желтый и красный цвета, делая спутник похожим на пиццу. Яркость трех других галилеевых спутников, Европы, Ганимеда и Каллисто, колеблется из-за пятен темного материала, нанесенного на легкий водянистый лед. Светлые картины Ганимеда также говорят о его помятой поверхности, с пазами и хребтами, свидетельствующими о прошлых событиях внутреннего нагревания.

Что интересно, Марс обладает высокой изменчивостью света на длинных волнах, потому что мелкозернистые частицы на поверхности Красной планеты рассеивают эти формы света. Оксиды железа, или ржавчина, которая покрывает значительную часть Марса, однако, эффективно поглощает короткую длину волны света. Таким образом, присутствие и отсутствие определенной длины волны света рассказывают убедительную историю о том, на что похожие огромные просторы поверхности Марса.

«Другие тела Солнечной системы тоже различаются, демонстрируя различные интересные особенности поверхности, некоторые из которых влияют на характерное окрашивание поверхности, подчеркивают удивительное разнообразие и требуют продолжения исследований», — говорит Фудзи.

Результаты указывают на то, как мы, с помощью прямых изображений, могли бы выделить экзопланеты с различными, но весьма знакомыми геологическими историями и, возможно, даже условиями обитания.

Одним из основных аспектов, который исследование обходит стороной, является отсутствие атмосферы выбранных миров. Наличие газов, особенно облаков, может сделать прямое изображение поверхности трудным или в принципе невозможным. К примеру, густая и толстая атмосфера Венеры или спутника Сатурна — Титана — полностью скрывает их поверхности.

Но в случае с Землей, даже несмотря на нашу атмосферу, основные особенности поверхности, континенты, океаны и ледяные шапки легко заметны на огромном расстоянии.

Хотя прямой визуализации поверхности экзопланет, безусловно, будет предшествовать косвенная оценка, обе этих методики будут пущены в ход, чтобы выяснить, как могла — и если могла — развиться внеземная жизнь. По мнению Фудзи, первыми объектами исследования будут так называемые суперземли — экзопланеты, которые по массе и ширине не меньше чем в два раза превосходят Землю. Такие суперземли будет легче найти и изучить.

«Жаль, что у нас нет таких аналогов суперземель в Солнечной системе, мы могли бы сначала хорошо изучить их свойства. У нас есть ряд планет и спутников, свойства которых мы теперь хорошо знаем. Но нам необходимо завершить картину классов, чтобы знать, как выбирать цели в будущих исследованиях».