Astronomen können Exoplaneten direkt abbilden, eine Leistung für sich. Aber unter Umständen könnte eine neue Technik es uns erstmals ermöglichen, Details auf der Oberfläche eines Planeten zu enthüllen.
Normalerweise wäscht das Licht eines Sterns das reflektierte Licht aller ihn umgebenden Exoplaneten aus. Aktuelle direkte Bilder sind also von großen Exoplaneten in weit entfernten Umlaufbahnen, die sehr jung sind. Diese Welten kann man sich vorstellen, weil sie immer noch von der Hitze der Entstehung glühen. Aber solche Bilder zeigen keine Oberflächendetails.
Bald jedoch könnten Verbesserungen in der Bildgebungstechnologie es ermöglichen, mit nur wenigen Pixeln zu bestimmen, ob ein terrestrischer Exoplanet Ozeane und Kontinente hat, argumentiert Atsuki Kuwata (Universität Tokio). Der Proof of Concept wird im Astrophysical Journal erscheinen (Preprint hier verfügbar).
Diese Karte zeigt eine einfache Darstellung einer wolkenlosen Erde. Kuwata und sein Team verwendeten diese Karte als Proof of Concept, bevor sie ihre Technik auf echte Daten von DSCOVR umstellten. Grau, Weiß und Schwarz auf der Karte entsprechen jeweils der Vegetation, dem Land und dem Ozean. Kuwataet al. / Astrophysikalische Zeitschrift 2022Der Schlüssel, sagt Kuwata, liegt nicht darin, die Oberfläche vollständig aufzulösen, sondern Daten zu sammeln, während sich die Welt dreht. Die Helligkeitsschwankungen können Oberflächenkontraste sichtbar machen. „Aus den tages- und jahreszeitlichen Schwankungen des reflektierten Lichts lässt sich eine zweidimensionale Oberflächenverteilung decodieren“, erklärt Kuwata.
Kuwata und sein Team wendeten ihre Technik auf Daten des Erdbeobachtungssatelliten DSCOVR an. Seine Kamera EPIC liefert detaillierte Messungen von Ozon, Aerosolen, Wolkenreflektivität, Wolkenhöhe, Vegetationseigenschaften und Schätzungen der UV-Strahlung an der Erdoberfläche.
Die Forscher bereinigten zuerst die Bilder, entfernten so viele Wolken wie möglich, dann „verdummten“ sie die detaillierten Daten, sodass unsere Welt wie ein entfernter Exoplanet erschien. Dann wandten sie ihre Analyse an und enthüllten Muster, die sie als Ozeane und Wolkendecke identifizierten. Sie fanden auch zwei Komponenten, die sie als Land identifizierten.
„Einer der [land] Die erfasste Komponente ist die Sahara“, erklärt Kuwata, „und die andere entspricht ungefähr der Vegetation, obwohl ihre Spektren immer noch von Wolken verunreinigt sind.“
Das Team von Kuwata nutzte schließlich die Langzeitüberwachung der Erde durch DSCOVR, um ihre Bildverarbeitungstechnik zu testen. Das ist das Ergebnis: Eine Karte, die die meisten Wolken entfernt und die Kontinente von den Ozeanen trennt. Es gibt noch Raum für Verbesserungen, räumen die Autoren ein: Die Karte trennt Land (rot) von Vegetation (grün) nicht so sauber und stellt die Antarktis auch fälschlicherweise als Vegetation dar. Kuwata et al. / Astrophysikalische Zeitschrift 2022Kuwata weist darauf hin, dass diese Methode nur auf felsigen Oberflächen funktioniert. „Da diese Studie von statischen Komponenten wie Kontinenten ausgeht, können wir sie nicht direkt auf dynamische Komponenten wie Gas anwenden [giants],“ er sagt.
Auch die vom Team entwickelte Technik hat zeitliche und räumliche Grenzen. Für den Anfang müssen sie die gesamte Oberfläche des Planeten im Tages- und Jahresverlauf beobachten, um Spin und Orbitalrotation zu entwirren.
„Grob gesagt müssen wir mehrere Tage pro Monat über ein Jahr hinweg mit einem 8-Meter-Teleskop mit perfektem Koronographen für ein 16 Lichtjahre großes Analogon der Erde aufwenden“, sagt Teammitglied Hajime Kawahara (Universität Tokio).
Die Bestimmung der Oberflächen terrestrischer Exoplaneten mit der von Kuwata und seinem Team entwickelten Technik wird von der Qualität der gesammelten Daten abhängen, sagt Timothy Brandt (University of California). „Eine ähnliche Technik (wie die von Kuwata) wurde bereits verwendet, um Temperaturschwankungen auf einem gezeitenabhängigen heißen Jupiter (HD 189733) abzubilden“, sagt Brandt.
Die NASA plant, in den 2030er Jahren ein 6-Meter-Weltraumteleskop zu fliegen, das die direkte Abbildung von etwa zwei Dutzend erdähnlichen Planeten in der Nähe ermöglichen wird. Diese Daten werden wahrscheinlich für diese neue Technik zugänglich sein. „Für 1.000 Lichtjahre entfernte Exoplaneten sind größere Weltraumteleskope erforderlich“, sagt Kawahara.
