Queste immagini mostrano il lato soleggiato della Terra in 10 diverse lunghezze d'onda della luce che rientrano nell'infrarosso, range del visibile e dell'ultravioletto; le immagini sono rappresentative a colori, perché non tutte queste lunghezze d'onda sono visibili all'occhio umano. Ogni lunghezza d'onda evidenzia diverse caratteristiche del pianeta, ad esempio il continente africano è visibile nell'immagine in basso a destra, ma è quasi invisibile nell'immagine in alto a sinistra. Queste osservazioni sono state ottenute dallo strumento della NASA Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC) a bordo del Deep Space Climate Observatory della National Oceanic and Atmospheric Administration, o DSCOVR, satellitare, il 2 agosto 2017. Credito:NASA/NOAA
Lo studio degli esopianeti, pianeti che si trovano al di fuori del nostro sistema solare, potrebbe aiutare gli scienziati a rispondere a grandi domande sul nostro posto nell'universo, e se la vita esiste oltre la Terra. Ma, questi mondi lontani sono estremamente deboli e difficili da immaginare direttamente. Un nuovo studio usa la Terra come sostituto di un esopianeta, e mostra che anche con pochissima luce, appena un pixel, è ancora possibile misurare le caratteristiche chiave di mondi lontani.
Il nuovo studio utilizza i dati dello strumento EPIC (Earth Polychromatic Imaging Camera) della NASA, che si trova a bordo del Deep Space Climate Observatory della National Oceanic and Atmospheric Administration, o DSCOVR, satellitare. DSCOVR gira intorno al Sole al punto di Lagrange 1, un'orbita specifica che fornisce a EPIC una visione costante della superficie illuminata dal sole del nostro pianeta natale. EPIC osserva la Terra ininterrottamente da giugno 2015, producendo mappe sfumate della superficie del pianeta in più lunghezze d'onda, e contribuendo a studi sul clima e sul tempo.
Lo strumento EPIC cattura la luce riflessa dalla Terra in 10 diverse lunghezze d'onda, o colori. Così, ogni volta che EPIC "scatta una foto" della Terra, in realtà cattura 10 immagini. Il nuovo studio calcola la media di ogni immagine in un singolo valore di luminosità, o l'equivalente di un'immagine a "pixel singolo" per ciascuna lunghezza d'onda. Una sola, un'istantanea di un pixel del pianeta fornirebbe pochissime informazioni sulla superficie. Ma nel nuovo studio, gli autori hanno analizzato un set di dati contenente immagini a pixel singolo scattate più volte al giorno, in 10 lunghezze d'onda, per un lungo periodo. Nonostante il fatto che l'intero pianeta fosse ridotto a un unico punto di luce, gli autori sono stati in grado di identificare le nubi d'acqua nell'atmosfera e misurare la velocità di rotazione del pianeta (la lunghezza del suo giorno). Gli autori dicono che lo studio, nel numero del 27 giugno del Giornale Astrofisico , dimostra che le stesse informazioni potrebbero essere derivate da osservazioni a pixel singolo di esopianeti.
"Il vantaggio di usare la Terra come proxy per un esopianeta è che possiamo verificare le nostre conclusioni derivate dai dati a pixel singolo con la ricchezza di dati che abbiamo effettivamente per la Terra:non possiamo farlo se stiamo usando i dati da lontano, vero pianeta extrasolare, " ha detto Jonathan Jiang, uno scienziato dell'atmosfera e del clima presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, e autore principale del nuovo studio.
L'illustrazione di questo artista mostra un'immagine a colori potenziati della Terra dallo strumento Earth Polychromat Imaging Camera (EPIC) della NASA (in alto). EPIC osserva il pianeta in 10 bande di lunghezza d'onda, mostrato qui come 10 immagini rappresentative a colori (al centro). Un nuovo studio calcola la media dei dati di ciascuna banda di lunghezze d'onda EPIC in un singolo valore di luminosità, o l'equivalente di un'immagine a "pixel singolo". Ciò ha permesso agli autori dello studio di simulare le osservazioni di un lontano esopianeta. Credito:NASA/NOAA/JPL-Caltech
Un piccolo punto luce
Quando la figlia di Jiang, Teresa, era alle elementari, ha organizzato un evento di osservazione delle stelle per lei e le sue amiche. Jiang indicò le stelle, e disse a sua figlia che anche il Sole è stella, e che ci sono pianeti in orbita attorno ad altre stelle proprio come i pianeti orbitano attorno al Sole. Ha sollecitato suo padre per ulteriori informazioni, chiedendo come gli scienziati potrebbero conoscere quei mondi lontani da punti di luce così piccoli nel cielo.
"I bambini fanno molte buone domande, " disse Jiang. "E quella domanda mi è rimasta in mente:se riesco a vedere un esopianeta solo come un minuscolo punto di luce, posso vedere nuvole, oceani e terra?"
Jiang ha iniziato la sua carriera in astrofisica, ma per il suo dottorato di ricerca opera, decise di applicare le sue capacità di modellazione fisica e informatica al clima terrestre. Ora, sta usando i dati climatici per aiutare lo studio degli esopianeti. Gli esopianeti sono significativamente più deboli delle stelle e molto più difficili da rilevare. Terra, Per esempio, è circa 10 miliardi di volte più debole del Sole. Solo circa 45 esopianeti sono stati scoperti tramite imaging diretto, che sono tutti molto più grandi della Terra. La maggior parte degli esopianeti conosciuti (oltre 3, 700 sono stati confermati) sono stati rilevati indirettamente, utilizzando tecniche come il metodo di transito, in cui gli scienziati osservano il leggero oscuramento di una stella causato dal transito di un esopianeta sulla faccia della stella.
Questa immagine mostra il lato soleggiato della Terra, osservato in 10 lunghezze d'onda dallo strumento EPIC a bordo del satellite DSCOVR. Ogni immagine mostra la stessa istantanea della Terra in una lunghezza d'onda diversa. Le bande di lunghezza d'onda specifiche sono indicate sopra ogni immagine. Credito:NASA/NOAA
Lo strumento EPIC cattura la luce riflessa dal lato soleggiato della Terra in 10 diverse lunghezze d'onda, o colori, perché materiali diversi riflettono diverse lunghezze d'onda della luce in gradi diversi:piante, Per esempio, riflettono principalmente la luce verde. E un pianeta rossastro come Marte, Per esempio, avrebbe un profilo cromatico molto diverso rispetto a un pianeta ricoperto di ghiaccio.
Il nuovo studio mostra che osservando un pianeta con caratteristiche distinte nel tempo, come oceani e continenti, è possibile misurare la velocità di rotazione del pianeta osservando uno schema ripetuto nella luce riflessa. Questo modello deriverebbe da quelle caratteristiche planetarie che si muovono alla vista con cadenza regolare. Per esempio, ogni 24 ore, L'Australia e l'Oceano Pacifico riempiono il campo visivo di EPIC, e circa 12 ore dopo il Sud America e l'Atlantico riempiono la cornice, con l'Africa e l'Oceano Indiano che passano in mezzo. Questo schema di luce cangiante si ripeteva giorno dopo giorno. Nel nuovo giornale, gli autori mostrano che possono rilevare questo ciclo ripetitivo e quindi determinare la velocità di rotazione, o la lunghezza del giorno del pianeta. La velocità di rotazione di un pianeta può rivelare informazioni su come e quando si è formato il pianeta, ed è una proprietà particolarmente difficile da misurare con i metodi attuali.
"La gente parla da tempo dell'utilizzo di questo approccio per misurare la velocità di rotazione degli esopianeti, ma non c'è stata alcuna dimostrazione che potrebbe funzionare perché non avevamo dati reali, " ha detto Renyu Hu, uno scienziato di pianeti extrasolari al JPL e coautore del nuovo studio. "Abbiamo dimostrato che in ogni lunghezza d'onda, viene visualizzato il periodo di 24 ore, il che significa che questo approccio alla misurazione della rotazione del pianeta è robusto".
Gli autori notano, però, che l'efficacia di questo metodo dipenderebbe dalle caratteristiche uniche del pianeta. Un modello di ciclo giornaliero potrebbe non essere visibile su un pianeta che è in gran parte omogeneo sulla sua superficie. Venere, Per esempio, è coperto di nuvole spesse e non ha oceani sulla sua superficie, quindi uno schema ricorrente lungo tutto l'arco della giornata potrebbe non apparire, o potrebbe non essere abbastanza distinto da poter essere osservato in un'immagine di un pixel. Anche pianeti come Mercurio e Marte sarebbero impegnativi, ma Jiang ha affermato che anche le caratteristiche planetarie come i crateri potrebbero contribuire a uno schema che potrebbe essere utilizzato per misurare il periodo di rotazione.
Questa animazione mostra una serie di osservazioni prese dallo strumento EPIC in una delle 10 lunghezze d'onda. A questa lunghezza d'onda, la distinzione tra continenti e oceani è particolarmente visibile. Lo schema ripetuto creato dalla rotazione del pianeta potrebbe essere osservabile da un potente telescopio che osserva il pianeta da molti anni luce di distanza, secondo un nuovo studio. Credito:NASA/NOAA
Imaging di pianeti extrasolari
Precedenti studi hanno usato la Terra come proxy per gli esopianeti, per indagare quali tipi di proprietà planetarie potrebbero essere derivate da lontano, ma nessuno studio precedente ha esaminato così tante bande di lunghezza d'onda. Questo è anche il primo studio del genere a catturare un set di dati così ampio, preso su un lungo periodo di tempo:ha utilizzato più di 27 mesi di osservazioni, con immagini scattate da EPIC circa 13 volte al giorno.
Le osservazioni dirette degli esopianeti hanno molti meno dati rispetto a quelli utilizzati nel nuovo studio, ma i ricercatori riferiscono che per misurare la velocità di rotazione di un esopianeta con una confidenza superiore al 90% richiederebbe di scattare immagini solo due o tre volte per periodo orbitale (cioè, al "giorno" su quel particolare pianeta extrasolare) per circa sette periodi orbitali.
Questa immagine, scattata dalla sonda spaziale Voyager 1 della NASA da oltre l'orbita di Nettuno, mostra il pianeta Terra visto da circa 3,7 miliardi di miglia (5,9 miliardi di km) di distanza. La Terra appare come un piccolissimo punto di luce nella metà destra dell'immagine, indicato da una freccia. Soprannominato il "Pale Blue Dot, " l'immagine illustra quanto piccolo appaia da lontano un pianeta delle dimensioni della Terra. Credito:NASA/JPL-Caltech
La quantità di tempo che gli astronomi dovrebbero osservare un esopianeta per identificare la sua velocità di rotazione dipende anche da quanta luce indesiderata è inclusa nei dati dell'esopianeta. I dati EPIC forniscono una visione eccezionalmente chiara della Terra, in gran parte libera da luce proveniente da altre fonti. Ma una delle sfide principali nell'imaging diretto degli esopianeti è che sono molto più deboli delle loro stelle madri. La luce della stella vicina può facilmente soffocare la luce di un esopianeta, rendendo quest'ultimo invisibile. Con il segnale del pianeta in competizione con la luce della stella, potrebbe volerci più tempo per discernere uno schema che potrebbe rivelare la velocità di rotazione del pianeta. La NASA sta studiando potenziali progetti per telescopi di prossima generazione che potrebbero essere in grado di visualizzare direttamente esopianeti delle dimensioni della Terra.
Con il campo dell'imaging diretto degli esopianeti che avanza, Jiang non ha finito di pensare alla domanda che sua figlia gli ha posto più di dieci anni fa. Se gli scienziati possono conoscere le caratteristiche della superficie di pianeti lontani, allora potrebbero rispondere a una domanda ancora più grande posta da sua figlia:qualcuno di quei pianeti ospita la vita?
