Den här illustrationen visar rymdteleskopet Hubble ovanpå en bild av månen, sett under en månförmörkelse. Dra nytta av en total månförmörkelse i januari 2019, astronomer som använder NASA:s rymdteleskop Hubble har upptäckt ozon i jordens atmosfär. Denna metod fungerar som en proxy för hur de kommer att observera jordliknande planeter som passerar framför andra stjärnor på jakt efter liv. Vår planets perfekta inriktning mot solen och månen under en total månförmörkelse efterliknar geometrin hos en transiterande jordplanet med sin stjärna. I en ny studie, Hubble tittade inte direkt på jorden. Istället, astronomer använde månen som en spegel som reflekterar solljuset som sänds genom jordens atmosfär, som sedan fångades av Hubble. Detta är första gången en total månförmörkelse fångades vid ultravioletta våglängder och från ett rymdteleskop. Kredit:M. Kornmesser (ESA/Hubble), NASA, och ESA
Att dra nytta av en total månförmörkelse, astronomer som använder NASA:s rymdteleskop Hubble har upptäckt jordens eget märke av solskyddsmedel – ozon – i vår atmosfär. Denna metod simulerar hur astronomer och astrobiologiforskare kommer att söka efter bevis på liv bortom jorden genom att observera potentiella "biosignaturer" på exoplaneter (planeter runt andra stjärnor).
Hubble tittade inte direkt på jorden. Istället, astronomerna använde månen som en spegel för att reflektera solljus, som hade passerat genom jordens atmosfär, och reflekterade sedan tillbaka mot Hubble. Att använda ett rymdteleskop för observationer av förmörkelse reproducerar de förhållanden under vilka framtida teleskop skulle mäta atmosfärer hos transiterande exoplaneter. Dessa atmosfärer kan innehålla kemikalier av intresse för astrobiologi, studiet av och sökandet efter liv.
Även om många markbaserade observationer av detta slag har gjorts tidigare, detta är första gången en total månförmörkelse fångades vid ultravioletta våglängder och från ett rymdteleskop. Hubble upptäckte det starka spektrala fingeravtrycket av ozon, som absorberar en del av solljuset. Ozon är viktigt för livet eftersom det är källan till den skyddande skölden i jordens atmosfär.
På jorden, fotosyntesen under miljarder år är ansvarig för vår planets höga syrenivåer och tjocka ozonskikt. Det är en anledning till varför forskare tror att ozon eller syre kan vara ett tecken på liv på en annan planet, och hänvisar till dem som biosignaturer.
"Att hitta ozon är viktigt eftersom det är en fotokemisk biprodukt av molekylärt syre, som i sig är en biprodukt av livet, " förklarade Allison Youngblood från Laboratory for Atmospheric and Space Physics i Boulder, Colorado, huvudforskare av Hubbles observationer.
Även om ozon i jordens atmosfär hade upptäckts i tidigare markbaserade observationer under månförmörkelser, Hubbles studie representerar den starkaste upptäckten av molekylen hittills eftersom ozon - mätt från rymden utan störningar från andra kemikalier i jordens atmosfär - absorberar ultraviolett ljus så starkt.
Hubble registrerade ozon som absorberade en del av solens ultravioletta strålning som passerade genom kanten av jordens atmosfär under en månförmörkelse som inträffade den 20 till 21 januari, 2019. Flera andra markbaserade teleskop gjorde också spektroskopiska observationer vid andra våglängder under förmörkelsen, letar efter fler av jordens atmosfäriska ingredienser, som syre och metan.
"Ett av NASA:s huvudmål är att identifiera planeter som kan försörja liv, " sa Youngblood. "Men hur skulle vi veta en beboelig eller obebodd planet om vi såg en? Hur skulle de se ut med de tekniker som astronomerna har till sitt förfogande för att karakterisera exoplaneternas atmosfärer? Det är därför det är viktigt att utveckla modeller av jordens spektrum som en mall för att kategorisera atmosfärer på extrasolära planeter."
Hennes tidning finns tillgänglig online i The Astronomical Journal .
Sniffar ut planetariska atmosfärer
Atmosfärerna på vissa extrasolära planeter kan undersökas om den främmande världen passerar över ansiktet på sin moderstjärna, en händelse som kallas transit. Under en transitering, stjärnljuset filtrerar genom den bakgrundsbelysta exoplanetens atmosfär. (Om den ses på nära håll, planetens siluett skulle se ut som om den hade en tunn, glödande "halo" runt den orsakad av den upplysta atmosfären, precis som jorden gör när den ses från rymden.)
Kemikalier i atmosfären lämnar sin tydliga signatur genom att filtrera bort vissa färger av stjärnljus. Astronomer som använder Hubble var pionjärer med denna teknik för att undersöka exoplaneter. Detta är särskilt anmärkningsvärt eftersom extrasolära planeter ännu inte hade upptäckts när Hubble lanserades 1990 och rymdobservatoriet ursprungligen inte var designat för sådana experiment.
Detta diagram (ej skalenligt) förklarar månförmörkelsens geometri. När månen är helt i jordens umbra (känd som en total månförmörkelse eller umbral förmörkelse), allt solljus som når månens yta har brutits eller spridits genom jordens atmosfär. När månen är i jordens penumbra (känd som en penumbral förmörkelse), belysning kommer från både direkt solljus och solljus som bryts och sprids genom planetens atmosfär. Denna process liknar en exoplanet transitobservation. Kredit:M. Kornmesser (ESA/Hubble), NASA, och ESA
Än så länge, astronomer har använt Hubble för att observera atmosfären hos gasjätteplaneter och superjordar (planeter flera gånger jordens massa) som passerar deras stjärnor. Men jordiska planeter ungefär lika stora som jorden är mycket mindre föremål och deras atmosfärer är tunnare, som skalet på ett äpple. Därför, att reta ut dessa signaturer från exoplaneter i jordens storlek kommer att bli mycket svårare.
Det är därför forskare kommer att behöva rymdteleskop som är mycket större än Hubble för att samla in det svaga stjärnljuset som passerar genom dessa små planeters atmosfärer under en transit. Dessa teleskop kommer att behöva observera planeter under en längre period, många dussintals timmar, att bygga upp en stark signal.
För att förbereda sig för dessa större teleskop, astronomer bestämde sig för att genomföra experiment på en mycket närmare och enda känd bebodd jordplanet:Jorden. Vår planets perfekta inriktning mot solen och månen under en total månförmörkelse efterliknar geometrin hos en jordisk planet som passerar sin stjärna.
Men observationerna var också utmanande eftersom månen är väldigt ljus, och dess yta är inte en perfekt reflektor eftersom den är fläckig av ljusa och mörka områden. Månen är också så nära jorden att Hubble var tvungen att försöka hålla ett stadigt öga på en utvald region, trots månens rörelse i förhållande till rymdobservatoriet. Så, Youngbloods team var tvungna att redogöra för månens drift i sin analys.
Där det finns ozon, Finns det liv?
Att hitta ozon på himlen på en jordbunden extrasolär planet garanterar inte att det finns liv på ytan. "Du skulle behöva andra spektrala signaturer förutom ozon för att dra slutsatsen att det fanns liv på planeten, och dessa signaturer kan inte nödvändigtvis ses i ultraviolett ljus, sa Youngblood.
Denna markbaserade teleskopiska bild av månen belyser den allmänna regionen där astronomer använde NASA:s Hubble Space Telescope för att mäta mängden ozon i jordens atmosfär. Denna metod fungerar som en proxy för hur de kommer att observera jordliknande planeter runt andra stjärnor på jakt efter liv. Kredit:M. Kornmesser (ESA/Hubble), NASA, och ESA
På jorden, ozon bildas naturligt när syre i jordens atmosfär utsätts för starka koncentrationer av ultraviolett ljus. Ozon bildar en filt runt jorden, skyddar den från hårda ultravioletta strålar.
"Fotosyntes kan vara den mest produktiva metabolism som kan utvecklas på någon planet, eftersom det drivs av energi från stjärnljus och använder kosmiskt rikliga element som vatten och koldioxid, " sa Giada Arney från NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, medförfattare till vetenskapsuppsatsen. "Dessa nödvändiga ingredienser borde vara vanliga på beboeliga planeter."
Säsongsvariation i ozonsignaturen kan också indikera säsongsbunden biologisk produktion av syre, precis som det gör med växtsäsongerna för växter på jorden.
Men ozon kan också produceras utan närvaro av liv när kväve och syre utsätts för solljus. För att öka förtroendet för att en given biosignatur verkligen produceras av livet, astronomer måste söka efter kombinationer av biosignaturer. En multivåglängdskampanj behövs eftersom var och en av de många biosignaturerna lättare upptäcks vid våglängder som är specifika för dessa signaturer.
"Astronomer måste också ta hänsyn till planetens utvecklingsstadium när de tittar på yngre stjärnor med unga planeter. Om du vill upptäcka syre eller ozon från en planet som liknar den tidiga jorden, när det fanns mindre syre i vår atmosfär, de spektrala egenskaperna i optiskt och infrarött ljus är inte tillräckligt starka, " Arney förklarade. "Vi tror att jorden hade låga koncentrationer av ozon före mitten av den proterozoiska geologiska perioden (mellan ungefär 2,0 miljarder till 0,7 miljarder år sedan) när fotosyntesen bidrog till uppbyggnaden av syre och ozon i atmosfären till de nivåer vi ser i dag. Men eftersom den ultravioletta signaturen hos ozonegenskaper är mycket stark, du skulle ha ett hopp om att upptäcka små mängder ozon. Ultraviolett ljus kan därför vara den bästa våglängden för att detektera fotosyntetiskt liv på exoplaneter med låg syrehalt."
NASA har ett kommande observatorium som heter James Webb Space Telescope som kan göra liknande typer av mätningar i infrarött ljus, med potential att detektera metan och syre i exoplanetatmosfärer. Webb är för närvarande planerad att lanseras 2021.
