Questa illustrazione mostra il telescopio spaziale Hubble sovrapposto a un'immagine della Luna, visto durante un'eclissi lunare. Approfittando di un'eclissi lunare totale nel gennaio 2019, Gli astronomi che utilizzano il telescopio spaziale Hubble della NASA hanno rilevato l'ozono nell'atmosfera terrestre. Questo metodo funge da proxy per come osserveranno pianeti simili alla Terra in transito davanti ad altre stelle in cerca di vita. Il perfetto allineamento del nostro pianeta con il Sole e la Luna durante un'eclissi lunare totale imita la geometria di un pianeta terrestre in transito con la sua stella. In un nuovo studio, Hubble non guardava direttamente la Terra. Anziché, gli astronomi usavano la Luna come uno specchio che riflette la luce solare trasmessa attraverso l'atmosfera terrestre, che è stato poi catturato da Hubble. Questa è la prima volta che un'eclissi lunare totale è stata catturata a lunghezze d'onda ultraviolette e da un telescopio spaziale. Credito:M. Kornmesser (ESA/Hubble), NASA, e ESA
Approfittando di un'eclissi lunare totale, Gli astronomi che utilizzano il telescopio spaziale Hubble della NASA hanno rilevato il marchio di protezione solare della Terra, l'ozono, nella nostra atmosfera. Questo metodo simula il modo in cui astronomi e ricercatori di astrobiologia cercheranno prove della vita oltre la Terra osservando potenziali "biofirme" sugli esopianeti (pianeti attorno ad altre stelle).
Hubble non guardava direttamente la Terra. Anziché, gli astronomi usavano la Luna come specchio per riflettere la luce del sole, che aveva attraversato l'atmosfera terrestre, e poi riflessa verso Hubble. L'uso di un telescopio spaziale per le osservazioni delle eclissi riproduce le condizioni in cui i futuri telescopi misurerebbero le atmosfere degli esopianeti in transito. Queste atmosfere possono contenere sostanze chimiche di interesse per l'astrobiologia, lo studio e la ricerca della vita.
Sebbene numerose osservazioni terrestri di questo tipo siano state fatte in precedenza, questa è la prima volta che un'eclissi lunare totale è stata catturata a lunghezze d'onda ultraviolette e da un telescopio spaziale. Hubble ha rilevato la forte impronta spettrale dell'ozono, che assorbe parte della luce solare. L'ozono è importante per la vita perché è la fonte dello scudo protettivo nell'atmosfera terrestre.
Sulla terra, la fotosintesi per miliardi di anni è responsabile degli alti livelli di ossigeno del nostro pianeta e dello spesso strato di ozono. Questo è uno dei motivi per cui gli scienziati pensano che l'ozono o l'ossigeno potrebbero essere un segno di vita su un altro pianeta, e fare riferimento a loro come biofirme.
"Trovare l'ozono è significativo perché è un sottoprodotto fotochimico dell'ossigeno molecolare, che è esso stesso un sottoprodotto della vita, " ha spiegato Allison Youngblood del Laboratorio di fisica dell'atmosfera e dello spazio a Boulder, Colorado, capo ricercatore delle osservazioni di Hubble.
Sebbene l'ozono nell'atmosfera terrestre fosse stato rilevato in precedenti osservazioni a terra durante le eclissi lunari, Lo studio di Hubble rappresenta il rilevamento più forte della molecola fino ad oggi perché l'ozono, misurato dallo spazio senza interferenze da altre sostanze chimiche nell'atmosfera terrestre, assorbe la luce ultravioletta in modo così forte.
Hubble ha registrato l'ozono che assorbe parte della radiazione ultravioletta del Sole che è passata attraverso il bordo dell'atmosfera terrestre durante un'eclissi lunare avvenuta dal 20 al 21 gennaio. 2019. Diversi altri telescopi terrestri hanno anche effettuato osservazioni spettroscopiche ad altre lunghezze d'onda durante l'eclissi, cercando altri ingredienti atmosferici della Terra, come ossigeno e metano.
"Uno dei principali obiettivi della NASA è identificare i pianeti che potrebbero supportare la vita, "Ha detto Youngblood. "Ma come faremmo a conoscere un pianeta abitabile o disabitato se ne vedessimo uno? Come sarebbero con le tecniche che gli astronomi hanno a disposizione per caratterizzare le atmosfere degli esopianeti? Ecco perché è importante sviluppare modelli dello spettro terrestre come modello per categorizzare le atmosfere sui pianeti extrasolari».
Il suo articolo è disponibile online in Il Giornale Astronomico .
Annusare le atmosfere planetarie
Le atmosfere di alcuni pianeti extrasolari possono essere sondate se il mondo alieno attraversa la faccia della sua stella madre, un evento chiamato transito. Durante un transito, la luce delle stelle filtra attraverso l'atmosfera dell'esopianeta retroilluminato. (Se visto da vicino, la sagoma del pianeta sembrerebbe avere un sottile, "alone" luminoso intorno ad esso causato dall'atmosfera illuminata, proprio come fa la Terra vista dallo spazio.)
I prodotti chimici nell'atmosfera lasciano la loro firma rivelatrice filtrando determinati colori della luce delle stelle. Gli astronomi che utilizzano Hubble hanno aperto la strada a questa tecnica per sondare gli esopianeti. Ciò è particolarmente notevole perché i pianeti extrasolari non erano ancora stati scoperti quando Hubble è stato lanciato nel 1990 e l'osservatorio spaziale inizialmente non era stato progettato per tali esperimenti.
Questo diagramma (non in scala) spiega la geometria dell'eclissi lunare. Quando la Luna è interamente nell'ombra terrestre (nota come eclissi lunare totale o eclissi umbrale), tutta la luce solare che raggiunge la superficie lunare è stata rifratta o dispersa attraverso l'atmosfera terrestre. Quando la Luna è nella penombra terrestre (nota come eclissi di penombra), l'illuminazione proviene sia dalla luce solare diretta che dalla luce solare rifratta e dispersa nell'atmosfera del pianeta. Questo processo è simile all'osservazione del transito di un esopianeta. Credito:M. Kornmesser (ESA/Hubble), NASA, e ESA
Finora, gli astronomi hanno utilizzato Hubble per osservare le atmosfere dei pianeti giganti gassosi e delle super-Terre (pianeti con una massa di parecchie volte superiore alla Terra) che transitano sulle loro stelle. Ma i pianeti terrestri delle dimensioni della Terra sono oggetti molto più piccoli e le loro atmosfere sono più sottili, come la buccia di una mela. Perciò, prendere in giro queste firme da esopianeti delle dimensioni della Terra sarà molto più difficile.
Ecco perché i ricercatori avranno bisogno di telescopi spaziali molto più grandi di Hubble per raccogliere la debole luce delle stelle che passa attraverso l'atmosfera di questi piccoli pianeti durante un transito. Questi telescopi dovranno osservare i pianeti per un periodo più lungo, molte decine di ore, per creare un segnale forte.
Per prepararsi a questi telescopi più grandi, gli astronomi decisero di condurre esperimenti su un pianeta terrestre abitato molto più vicino e conosciuto:la Terra. Il perfetto allineamento del nostro pianeta con il Sole e la Luna durante un'eclissi lunare totale imita la geometria di un pianeta terrestre che transita sulla sua stella.
Ma le osservazioni sono state anche impegnative perché la Luna è molto luminosa, e la sua superficie non è un riflettore perfetto perché è screziata di aree chiare e scure. La Luna è anche così vicina alla Terra che Hubble ha dovuto cercare di tenere d'occhio una regione selezionata, nonostante il moto della Luna rispetto all'osservatorio spaziale. Così, La squadra di Youngblood ha dovuto spiegare la deriva della Luna nella loro analisi.
Dove c'è l'ozono, C'è vita?
Trovare ozono nei cieli di un pianeta extrasolare terrestre non garantisce che la vita esista in superficie. "Avresti bisogno di altre firme spettrali oltre all'ozono per concludere che c'era vita sul pianeta, e queste firme non possono necessariamente essere viste alla luce ultravioletta, "Ha detto Youngblood.
Questa immagine telescopica terrestre della Luna evidenzia la regione generale in cui gli astronomi hanno utilizzato il telescopio spaziale Hubble della NASA per misurare la quantità di ozono nell'atmosfera terrestre. Questo metodo funge da proxy per come osserveranno pianeti simili alla Terra attorno ad altre stelle in cerca di vita. Credito:M. Kornmesser (ESA/Hubble), NASA, e ESA
Sulla terra, l'ozono si forma naturalmente quando l'ossigeno nell'atmosfera terrestre è esposto a forti concentrazioni di luce ultravioletta. L'ozono forma una coltre intorno alla Terra, proteggendolo dai raggi ultravioletti.
"La fotosintesi potrebbe essere il metabolismo più produttivo che può evolvere su qualsiasi pianeta, perché è alimentato dall'energia della luce stellare e utilizza elementi cosmicamente abbondanti come acqua e anidride carbonica, " ha detto Giada Arney del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, un co-autore del documento scientifico. "Questi ingredienti necessari dovrebbero essere comuni sui pianeti abitabili".
La variabilità stagionale nella firma dell'ozono potrebbe anche indicare la produzione biologica stagionale di ossigeno, proprio come fa con le stagioni di crescita delle piante sulla Terra.
Ma l'ozono può essere prodotto anche senza la presenza di vita quando azoto e ossigeno sono esposti alla luce solare. Per aumentare la fiducia che una data biofirma sia veramente prodotta dalla vita, gli astronomi devono cercare combinazioni di biofirme. È necessaria una campagna a lunghezze d'onda multiple perché ciascuna delle molte biofirme viene rilevata più facilmente a lunghezze d'onda specifiche di tali firme.
"Gli astronomi dovranno anche tenere conto della fase di sviluppo del pianeta quando osservano stelle più giovani con pianeti giovani. Se si desidera rilevare l'ossigeno o l'ozono da un pianeta simile alla Terra primordiale, quando c'era meno ossigeno nella nostra atmosfera, le caratteristiche spettrali della luce ottica e infrarossa non sono abbastanza forti, "Spiega Arney. "Pensiamo che la Terra avesse basse concentrazioni di ozono prima del periodo geologico medio-proterozoico (tra circa 2,0 miliardi e 0,7 miliardi di anni fa) quando la fotosintesi ha contribuito all'accumulo di ossigeno e ozono nell'atmosfera ai livelli che vediamo oggi. Ma poiché la firma della luce ultravioletta delle caratteristiche dell'ozono è molto forte, avresti una speranza di rilevare piccole quantità di ozono. L'ultravioletto potrebbe quindi essere la migliore lunghezza d'onda per rilevare la vita fotosintetica su esopianeti a basso contenuto di ossigeno".
La NASA ha un prossimo osservatorio chiamato James Webb Space Telescope che potrebbe effettuare tipi simili di misurazioni nella luce infrarossa, con la possibilità di rilevare metano e ossigeno nelle atmosfere degli esopianeti. Il lancio di Webb è attualmente programmato per il 2021.
