Studiet av exoplaneter - planeter som ligger utanför vårt solsystem - kan hjälpa forskare att svara på stora frågor om vår plats i universum, och om det finns liv bortom jorden. Men, dessa avlägsna världar är extremt svaga och svåra att avbilda direkt. En ny studie använder jorden som en stand-in för en exoplanet, och visar att även med väldigt lite ljus - så lite som en pixel - är det fortfarande möjligt att mäta viktiga egenskaper hos avlägsna världar.

Den nya studien använder data från NASA:s Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC) instrument, som finns ombord på National Oceanic and Atmospheric Administration's Deep Space Climate Observatory, eller DSCOVR, satellit. DSCOVR går runt solen vid Lagrange punkt 1, en specifik bana som ger EPIC en konstant vy över vår hemplanets solbelysta yta. EPIC har observerat jorden kontinuerligt sedan juni 2015, producera nyanserade kartor över planetens yta i flera våglängder, och bidrar till studier av klimat och väder.

EPIC -instrumentet fångar upp reflekterat ljus från jorden i 10 olika våglängder, eller färger. Så, varje gång EPIC "tar en bild" av jorden, det tar faktiskt 10 bilder. Den nya studien medelvärderar varje bild till ett enda ljusstyrka, eller motsvarande en "enkelpixel" -bild för varje våglängd. En enda, en pixel ögonblicksbild av planeten skulle ge mycket lite information om ytan. Men i den nya studien, författarna analyserade en datauppsättning som innehåller bilder med en pixel tagna flera gånger per dag, i 10 våglängder, över en längre period. Trots att hela planeten hade reducerats till en enda ljuspunkt, författarna kunde identifiera vattenmoln i atmosfären och mäta planetens rotationshastighet (längden på dagen). Författarna säger att studien, i 27 juni -numret av Astrofysisk tidskrift , visar att samma information kan härledas från enpixelsobservationer av exoplaneter.

"Fördelen med att använda jorden som en proxy för en exoplanet är att vi kan verifiera våra slutsatser från enkelpixeldata med den mängd data som vi faktiskt har för jorden-vi kan inte göra det om vi använder data från ett avlägset, verklig exoplanet, "sa Jonathan Jiang, en atmosfär- och klimatforskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, och huvudförfattare på den nya studien.

En liten ljuspunkt

När Jiangs dotter, Teresa, gick i grundskolan, han organiserade en stjärnaobservation för henne och hennes vänner. Jiang pekade på stjärnorna, och berättade för sin dotter att solen också är stjärna, och att det finns planeter som kretsar kring andra stjärnor precis som planeter kretsar kring solen. Hon tryckte på sin far för mer information, frågar hur forskare möjligen kan lära sig om de avlägsna världarna från sådana små ljuspunkter på himlen.

"Barn ställer många bra frågor, "Sa Jiang." Och den frågan fastnade i mitt sinne - om jag kan se en exoplanet som bara en liten ljuspunkt, kan jag se moln och hav och landa? "

Jiang började sin karriär inom astrofysik, men för sin doktorsexamen arbete, han bestämde sig för att tillämpa sin dator och fysiska modelleringskunskaper på jordens klimat. Nu, han använder klimatdata för att hjälpa till att studera exoplaneter. Exoplaneter är betydligt svagare än stjärnor och mycket svårare att upptäcka. Jorden, till exempel, är cirka 10 miljarder gånger svagare än solen. Endast cirka 45 exoplaneter har upptäckts genom direktavbildning, som alla är mycket större än jorden. Majoriteten av kända exoplaneter (över 3, 700 har bekräftats) upptäcktes indirekt, använda tekniker som transiteringsmetod, där forskare observerar den svaga dimningen av en stjärna som orsakas av en exoplanets transitering över stjärnans yta.

EPIC -instrumentet fångar upp reflekterat ljus från den solbelysta sidan av jorden i 10 olika våglängder, eller färger, eftersom olika material reflekterar olika våglängder av ljus i olika grad - växter, till exempel, reflekterar mestadels grönt ljus. Och en rödaktig planet som Mars, till exempel, skulle ha en mycket annan färgprofil jämfört med en planet täckt av is.

Den nya studien visar att genom att observera en planet med distinkta drag över tiden - till exempel hav och kontinenter - är det möjligt att mäta planetens rotationshastighet genom att observera ett upprepande mönster i det reflekterade ljuset. Detta mönster skulle uppstå från att de planetariska funktionerna rör sig i sikte med en vanlig kadens. Till exempel, var 24:e timme, Australien och Stilla havet fyller EPIC:s synfält, och cirka 12 timmar senare fyller Sydamerika och Atlanten ramen, med Afrika och Indiska oceanen förbi emellan. Detta mönster av förändrat ljus skulle upprepas dag efter dag. I det nya papperet författarna visar att de kan upptäcka denna upprepade cykel och därmed bestämma rotationshastigheten, eller längden på planetens dag. Rotationshastigheten på en planet kan avslöja information om hur och när planeten bildades, och är en särskilt svår egenskap att mäta med nuvarande metoder.

"Folk har pratat en tid om att använda detta tillvägagångssätt för att mäta rotationshastigheten för exoplaneter, men det har inte visats att det kan fungera eftersom vi inte hade några riktiga data, "sa Renyu Hu, en exoplanetforskare vid JPL och en medförfattare till den nya studien. "Vi har visat att i varje våglängd, 24-timmarsperioden visas, vilket innebär att detta tillvägagångssätt för att mäta planetrotation är robust. "

Författarna noterar, dock, att effektiviteten av denna metod beror på planetens unika egenskaper. Ett dagligt cykelmönster kanske inte syns på en planet som i stort sett är homogen över dess yta. Venus, till exempel, är täckt av tjocka moln och har inga hav på ytan, så ett återkommande dagslångt mönster kanske inte visas, eller kanske inte är tillräckligt tydliga för att observera i en bild med en pixel. Planeter som Merkurius och Mars skulle också vara utmanande, men Jiang sa att planetariska funktioner som kratrar också kan bidra till ett mönster som kan användas för att mäta rotationsperioden.

Exoplaneter

Tidigare studier använde jorden som en proxy för exoplaneter, för att undersöka vilka typer av planetegenskaper som kan härledas på långt håll, men inga tidigare studier tittade på så många våglängdsband. Detta är också den första sådan undersökning som fångar en så stor datamängd, tagit över en längre tid:den använde mer än 27 månaders observationer, med bilder tagna av EPIC cirka 13 gånger per dag.

Direkta observationer av exoplaneter har mycket mindre data än vad som användes i den nya studien, men forskarna rapporterar att för att mäta rotationshastigheten för en exoplanet med mer än 90 procent förtroende skulle det bara krävas att ta bilder två till tre gånger per omloppsperiod (det vill säga per "dag" på just den exoplaneten) i cirka sju omloppsperioder.

Hur lång tid astronomer skulle behöva observera en exoplanet för att identifiera dess rotationshastighet beror också på hur mycket oönskat ljus som ingår i exoplanetdata. EPIC -data ger en exceptionellt klar bild av jorden, i stort sett obegränsat av ljus från andra källor. Men en primär utmaning vid direktavbildning av exoplaneter är att de är så mycket mörkare än sina föräldrastjärnor. Ljuset från den närliggande stjärnan kan lätt dränka ljuset från en exoplanet, gör det senare osynligt. Med signalen från planeten som konkurrerar med ljus från stjärnan, det kan ta längre tid att urskilja ett mönster som kan avslöja planetens rotationshastighet. NASA undersöker potentiella konstruktioner för nästa generations teleskop som kanske kan direkt avbilda exoplaneter i jordstorlek.

Med området för exoplanet går direktavbildning framåt, Jiang är inte färdig med att tänka på frågan hans dotter ställde honom för mer än ett decennium sedan. Om forskare kan lära sig om ytdragen hos avlägsna planeter, då kan de svara på en ännu större fråga som hans dotter ställde - värd någon av dessa planeter liv?