Jak dostrzec oceany na odległych światach? Naukowcy opracowali nową metodę

Wśród odkrytych do tej pory planet pozasłonecznych całkiem liczną grupę stanowią planety przemieszczające się w tzw. ekosferach swoich gwiazd macierzystych. Ekosfera, lub bardziej poetycko Strefa Złotowłosej, oznacza obszar wokół gwiazdy, w którym temperatura może pozwalać na istnienie ciekłej wody na powierzchni planety, o ile panują na niej odpowiednie warunki atmosferyczne. W przypadku Słońca w ekosferze znajdują się Wenus, Ziemia i Mars.

Strefa Złotowłosej

Modele klimatu i dane geochemiczne sugerują, że młoda Wenus mogła mieć na powierzchni ciekłą wodę, być może nawet oceany, zanim planeta przeszła w stan ekstremalnego efektu cieplarnianego. Ślady po wodzie na Marsie są widoczne nawet z orbity. Do tej pory na Czerwonej Planecie istnieją czapy polarne oraz lód podpowierzchniowy. Życie na Ziemi pojawiło się dzięki wodzie. Dlatego pragnąc odnaleźć miejsca w kosmosie, w których również doszło do ewolucji bazującej na wodzie, musimy szukać oceanów. Kłopot w tym, że znalezienie ich wcale nie jest proste.

Nowa praca badaczy Eleanor Cornish i dr Tylera Robinsona z Uniwersytetu Arizony, dostępna jako preprint w serwisie arXiv i zgłoszona do „The Astrophysical Journal”, analizuje nietypowy sposób, w jaki moglibyśmy taki ocean wykryć. Otóż należy poszukiwać jego charakterystycznego „błysku”, czyli glintu.

Woda niczym lustro

Glint jest potocznym określeniem zjawiska, które fizycy nazywają odbiciem zwierciadlanym. Na Ziemi możemy zaobserwować je np. na plaży, gdy światło słoneczne pada na wodę pod małym kątem, a horyzont rozświetla się intensywnym, złocistym blaskiem. Podobne zjawisko może występować również na innych powierzchniach. Przykładowo złoto charakterystycznie „błyszczy”, gdy patrzy się na nie pod odpowiednim kątem.

Większość materiałów tworzących powierzchnie egzoplanet, takich jak piasek, skały czy gleba, nie daje jednak takiego błysku. Są to powierzchnie, które fizycy określają jako lambertowskie – odbijają światło mniej więcej równomiernie we wszystkich kierunkach.

Za to woda działa trochę jak lustro. Jeśli spojrzeć na nią pionowo z góry, większość światła przenika w głąb albo odbija się stosunkowo słabo. Kiedy jednak światło pada na powierzchnię wody pod niewielkim kątem, zostaje silnie odbite.

Jeziora ciekłych węglowodorów

Właśnie to zjawisko zaobserwowała 17 lat temu na Tytanie sonda Cassini. Dzięki temu dowiedzieliśmy się, że znajdują się tam jeziora węglowodorów. Przez większość misji sondy Cassini jeziora te znajdowały się w rejonach polarnych, pogrążonych w ciemności zimowej. Dodajmy, że na Tytanie pory roku trwają ok. 7 lat ziemskich, bo tyle Saturn potrzebuje na okrążenie Słońca.

Gdy w końcu na północnej półkuli Tytana nastała wiosna, Słońce zaczęło oświetlać te rejony pod odpowiednim kątem, kamera Cassini (VIMS – Visual and Infrared Mapping Spectrometer) uchwyciła jasny błysk odbitego światła słonecznego na powierzchni jednego z jezior – Kraken Mare, największego zbiornika na Tytanie. Stało się to w 2009 roku.

Kilkanaście lat wcześniej zespół naukowców, w którego skład wchodził Carl Sagan, wykorzystał przelot sondy Galileo obok Ziemi, aby wykryć podobny błysk odbijający się od naszych oceanów. Innymi słowy, wiemy, że taka metoda działa, po prostu jak dotąd nie zastosowaliśmy jej skutecznie do egzoplanet.

To może się niedługo zmienić. Badacze użyli narzędzi do modelowania atmosfer i zmodyfikowali je na potrzeby wykrywania takiego błysku. Do programu znanego jako rfast włączyli tzw. model oceanu Coxa-Munka, który pozwala uwzględnić wpływ prędkości wiatru oraz falowania powierzchni na światło odbijane w kierunku teleskopu. Co najważniejsze, odkryli, że nawet przy stosunkowo wysokim poziomie szumu model potrafił odróżnić planety posiadające ocean od planet bez oceanu. Jest jeden warunek – planety muszą być obserwowane przy kącie fazowym co najmniej 120°.

Obserwatorium Światów Nadających się do Zamieszkania

Wynika to stąd, że właśnie przy kącie fazowym powyżej 120° pojawia się zaczerwienienie glintu (glint reddening). Światło odbite od oceanu pokonuje wtedy dłuższą drogę przez atmosferę, gdzie rozpraszane są głównie niebieskie fale. W rezultacie docierający do teleskopu błysk ma bardziej czerwoną barwę, co może ułatwić jego rozpoznanie.

To dobra wiadomość dla opracowywanego właśnie teleskopu kosmicznego NASA Habitable Worlds Observatory (HWO). Wcześniej zakładano, że glint będzie wykrywalny dopiero od około 130°. Możliwość obserwacji już przy 120° jest korzystna, ponieważ planeta znajduje się wtedy na niebie nieco dalej od swojej gwiazdy, której silne światło trzeba skutecznie tłumić. Problemem pozostają chmury. Mogą one zasłonić ocean albo rozpraszać światło w sposób przypominający glint i prowadzić do fałszywego wykrycia. Część takich przypadków można rozpoznać dzięki analizie widma światła.

Naukowcy potrzebują też więcej obserwacji Ziemi widzianej w fazie sierpa, które pomogą udoskonalić metodę. Wyniki badań pokazują jednak, że w przyszłości charakterystyczny błysk może pozwolić nam wykrywać oceany na odległych egzoplanetach.

Źródło: ArXiv

Chcesz znaleźć więcej inspirujących podróży, fascynujących odkryć i opowieści ze świata nauki? Skorzystaj ze specjalnej oferty prenumeraty magazynów National Geographic Polska i National Geographic Traveler.

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i pisarka zajmującą się tematyką popularnonaukową, głównie kosmosem. Absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, przygodę z mediami rozpoczęła ponad 20 lat temu w redakcji „Życia Warszawy”. Poza pisaniem o polskiej i światowej nauce na łamach „National Geographic” współpracuje m.in. z „Wysokimi Obcasami” i kilkoma magazynami premium. Współautorka trzech bestsellerowych książek: „Człowiek – istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Pracuje w Centrum Badań Kosmicznych PAN i współpracuje z polskim Obserwatorium Cerro Murphy w Chile (OCM), którym zarządza CAMK PAN.