Studiet av exoplaneter har mognat avsevärt under de senaste 10 åren. Under denna tid, majoriteten av de över 4000 exoplaneter som för närvarande är kända upptäcktes. Det var också under denna tid som processen har börjat skifta från upptäckten till karaktäriseringen. Vad mer, Nästa generations instrument kommer att möjliggöra studier som kommer att avslöja en hel del om exoplaneternas ytor och atmosfärer.

Detta väcker naturligtvis frågan:Vad skulle en tillräckligt avancerad art se om de studerade vår planet? Genom att använda flervåglängdsdata från jorden, ett team av Caltech-forskare kunde konstruera en karta över hur jorden skulle se ut för avlägsna utomjordiska observatörer. Förutom att ta itu med nyfikenheten, denna studie kan också hjälpa astronomer att rekonstruera ytegenskaperna hos "jordliknande" exoplaneter i framtiden.

Studien som beskriver teamets resultat, med titeln "Earth as an Exoplanet:A Two-dimensional Alien Map, " dök nyligen upp i tidskriften Vetenskap och är planerad att publiceras i Astrofysiska tidskriftsbrev . Studien leddes av Siteng Fan och inkluderade flera forskare från California Institute of Technologys avdelning för geologiska och planetära vetenskaper (GPS) och NASA Jet Propulsion Laboratory.

När vi letar efter potentiellt beboeliga planeter bortom vårt solsystem, forskare tvingas ta det indirekta tillvägagångssättet. Med tanke på att de flesta exoplaneter inte kan observeras direkt för att lära sig om deras atmosfäriska sammansättning eller ytegenskaper (aka direkt avbildning), forskare får nöja sig med indikationer som visar hur "jordlik" en planet är.

Som Fan berättade Universum idag via e-post, detta återspeglar de begränsningar som astronomer och exoplanetstudier för närvarande tvingas brottas med:

"För det första, nuvarande exoplanetstudier har inte listat ut vilka de minsta kraven är på beboelighet. Det finns några föreslagna kriterier, men vi är inte säkra på om de antingen är tillräckliga eller nödvändiga. För det andra, även med dessa kriterier, nuvarande observationstekniker är inte tillräckligt bra för att bekräfta beboeligheten, speciellt på jordliknande exoplaneter, på grund av svårigheten att upptäcka och begränsa dem."

Med tanke på att jorden är den enda planet vi känner till som kan försörja liv, teamet teoretiserade att fjärrobservationer av jorden kunde fungera som en proxy för en beboelig exoplanet som observerats av en avlägsen civilisation. "Jorden är den enda planet vi känner som innehåller liv, ", sa Fan. "Att studera hur jorden ser ut för avlägsna observatörer skulle ge oss vägledning om hur man hittar potentiella beboeliga exoplaneter."

En av de viktigaste delarna av jordens klimat och allt liv på dess yta är vattnets kretslopp, som har tre distinkta faser. Dessa inkluderar närvaron av vattenånga i atmosfären, moln av kondenserat vatten och ispartiklar, och närvaron av vattenmassor på ytan.

Därför, dessa kan betraktas som potentiella indikationer på beboelighet, och till och med indikationer på liv (aka biosignaturer) som kunde observeras på avstånd. Alltså, att kunna identifiera ytegenskaper och moln på exoplaneter skulle vara avgörande för att sätta begränsningar på deras beboelighet.

För att avgöra hur jorden skulle se ut för avlägsna observatörer, teamet sammanställde 9740 bilder av jorden som togs av NASA:s Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) satellit. Bilderna togs var 68:e till 110:e minut under en tvåårsperiod (2016 och 2017) och lyckades fånga ljus som reflekterades från jordens atmosfär vid flera våglängder.

Fan och hans kollegor kombinerade sedan bilderna för att bilda ett 10-punkts reflektionsspektrum plottat över tiden, som sedan integrerades över jordens skiva. Detta reproducerade effektivt hur jorden skulle kunna se ut för en observatör många ljusår bort om de skulle observera jorden under en tvåårsperiod.

"Vi fann att den andra huvudkomponenten i jordens ljuskurva är starkt korrelerad till landfraktionen av den upplysta halvklotet (r^2=0,91), "Fläkten sa. "I kombination med visningsgeometrin, att rekonstruera kartan blir ett linjärt regressionsproblem."

Efter att ha analyserat de resulterande kurvorna och jämfört dem med originalbilderna, forskargruppen upptäckte vilka parametrar i kurvorna som motsvarade land och molntäcke. De valde sedan ut de parametrar som närmast relaterade till landarea och justerade det till jordens 24-timmarsrotation, vilket gav dem en konturkarta (visad ovan) som representerade hur jordens ljuskurva skulle se ut från ljusår bort.

De svarta linjerna representerar ytfunktionsparametern och motsvarar ungefär kustlinjerna på de stora kontinenterna. Dessa är ytterligare färgade i grönt för att ge en grov representation av Afrika (mitten), Asien (överst till höger), Nord- och Sydamerika (vänster), och Antarktis (nederst). Det som ligger däremellan representerar jordens hav, med de grundare delarna markerade i rött och de djupare med blått.

Den här typen av representationer, när den appliceras på ljuskurvorna för avlägsna exoplaneter, skulle kunna tillåta astronomer att bedöma om en exoplanet har haven, moln, och inlandsisar – alla nödvändiga delar av en "jordliknande" (aka beboelig) exoplanet. Som fan avslutade:

"Analysen av ljuskurvor i detta arbete har implikationer för att bestämma geologiska egenskaper och klimatsystem på exoplaneten. Vi fann att variationen i ljuskurvan på jorden domineras av moln och land/hav, som båda är avgörande för livet på jorden. Därför, Jordliknande exoplaneter som hyser denna typ av egenskaper skulle vara mer benägna att vara värd för liv."

Inom en snar framtid, Nästa generations instrument som James Webb Space Telescope (JWST) kommer att möjliggöra de mest detaljerade exoplanetundersökningarna hittills. Dessutom, markbaserade instrument som kommer online under det kommande decenniet—som Extremely Large Telescope (ELT), Thirty Meter Telescope (TMT), och Giant Magellan Telescope (GMT) – förväntas möjliggöra direkta bildstudier av mindre, steniga planeter som kretsar närmare sina stjärnor.

Med hjälp av studier som hjälper till att lösa ytegenskaper och atmosfäriska förhållanden, astronomer kanske äntligen kan säga med tillförsikt vilka exoplaneter som är beboeliga och vilka som inte är det. Med tur, upptäckten av en Earth 2.0 (eller flera jordar för den delen) kan vara precis runt hörnet.