Estas imágenes muestran el lado de la Tierra iluminado por el sol en 10 longitudes de onda diferentes de luz que caen dentro del infrarrojo, rangos visible y ultravioleta; las imágenes son de color representativo, porque no todas estas longitudes de onda son visibles para el ojo humano. Cada longitud de onda resalta diferentes características del planeta, por ejemplo, el continente de África es visible en la imagen inferior derecha, pero es casi invisible en la imagen superior izquierda. Estas observaciones fueron obtenidas por el instrumento de la Cámara de Imágenes Policromáticas de la Tierra (EPIC) de la NASA a bordo del Observatorio del Clima del Espacio Profundo de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. o DSCOVR, satélite, el 2 de agosto 2017. Crédito:NASA / NOAA
El estudio de exoplanetas, planetas que se encuentran fuera de nuestro sistema solar, podría ayudar a los científicos a responder grandes preguntas sobre nuestro lugar en el universo. y si existe vida más allá de la Tierra. Pero, estos mundos distantes son extremadamente tenues y difíciles de imaginar directamente. Un nuevo estudio utiliza la Tierra como sustituto de un exoplaneta, y muestra que incluso con muy poca luz, tan solo un píxel, todavía es posible medir características clave de mundos distantes.
El nuevo estudio utiliza datos del instrumento Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC) de la NASA, que está a bordo del Observatorio del Clima del Espacio Profundo de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, o DSCOVR, satélite. DSCOVR gira alrededor del Sol en el punto 1 de Lagrange, una órbita específica que proporciona a EPIC una vista constante de la superficie iluminada por el sol de nuestro planeta de origen. EPIC ha estado observando la Tierra continuamente desde junio de 2015, producir mapas matizados de la superficie del planeta en múltiples longitudes de onda, y contribuir a los estudios del clima y el tiempo.
El instrumento EPIC captura la luz reflejada de la Tierra en 10 longitudes de onda diferentes, o colores. Entonces, cada vez que EPIC "toma una foto" de la Tierra, en realidad captura 10 imágenes. El nuevo estudio promedia cada imagen en un solo valor de brillo, o el equivalente a una imagen de "un solo píxel" para cada longitud de onda. Un solo Una instantánea de un píxel del planeta proporcionaría muy poca información sobre la superficie. Pero en el nuevo estudio, los autores analizaron un conjunto de datos que contenía imágenes de un solo píxel tomadas varias veces al día, en 10 longitudes de onda, durante un período prolongado. A pesar de que todo el planeta se había reducido a un solo punto de luz, los autores pudieron identificar las nubes de agua en la atmósfera y medir la tasa de rotación del planeta (la duración de su día). Los autores dicen que el estudio, en la edición del 27 de junio de la Diario astrofísico , demuestra que la misma información podría derivarse de observaciones de un solo píxel de exoplanetas.
"El beneficio de usar la Tierra como proxy de un exoplaneta es que podemos verificar nuestras conclusiones derivadas de los datos de un solo píxel con la gran cantidad de datos que tenemos para la Tierra; no podemos hacer eso si estamos usando datos. desde lejos exoplaneta real, "dijo Jonathan Jiang, un científico atmosférico y climático en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, y autor principal del nuevo estudio.
La ilustración de este artista muestra una imagen en color mejorado de la Tierra del instrumento Cámara de Imágenes Policromáticas de la Tierra (EPIC) de la NASA (arriba). EPIC observa el planeta en 10 bandas de longitud de onda, se muestra aquí como 10 imágenes en colores representativos (centro). Un nuevo estudio promedia los datos de cada banda de longitud de onda EPIC en un solo valor de brillo, o el equivalente a una imagen de "un solo píxel". Esto permitió a los autores del estudio simular observaciones de un exoplaneta distante. Crédito:NASA / NOAA / JPL-Caltech
Un pequeño punto de luz
Cuando la hija de Jiang, Teresa, estaba en la escuela primaria, organizó un evento de observación de estrellas para ella y sus amigos. Jiang señaló las estrellas, y le dijo a su hija que el sol también es estrella, y que hay planetas que orbitan alrededor de otras estrellas del mismo modo que los planetas orbitan alrededor del Sol. Ella presionó a su padre para que le diera más información. preguntando cómo los científicos podrían aprender acerca de esos mundos distantes a partir de puntos tan diminutos de luz en el cielo.
"Los niños hacen muchas preguntas buenas, "Dijo Jiang." Y esa pregunta se quedó en mi mente:si puedo ver un exoplaneta como solo un pequeño punto de luz, ¿Puedo ver las nubes y los océanos y la tierra? "
Jiang comenzó su carrera en astrofísica, pero por su Ph.D. trabaja, decidió aplicar sus habilidades informáticas y de modelado físico al clima de la Tierra. Ahora, está usando datos climáticos para ayudar al estudio de exoplanetas. Los exoplanetas son significativamente más tenues que las estrellas y mucho más difíciles de detectar. Tierra, por ejemplo, es aproximadamente 10 mil millones de veces más débil que el Sol. Solo se han descubierto unos 45 exoplanetas mediante imágenes directas, todos los cuales son mucho más grandes que la Tierra. La mayoría de los exoplanetas conocidos (más de 3, 700 han sido confirmados) fueron detectados indirectamente, utilizando técnicas como el método de tránsito, en el que los científicos observan el ligero oscurecimiento de una estrella causado por el tránsito de un exoplaneta a través de la cara de la estrella.
Esta imagen muestra el lado de la Tierra iluminado por el sol, observado en 10 longitudes de onda por el instrumento EPIC a bordo del satélite DSCOVR. Cada imagen muestra la misma instantánea de la Tierra en una longitud de onda diferente. Las bandas de longitud de onda específicas se indican encima de cada imagen. Crédito:NASA / NOAA
El instrumento EPIC captura la luz reflejada del lado soleado de la Tierra en 10 longitudes de onda diferentes, o colores, porque diferentes materiales reflejan diferentes longitudes de onda de luz en diferentes grados:plantas, por ejemplo, reflejan principalmente luz verde. Y un planeta rojizo como Marte, por ejemplo, tendría un perfil de color muy diferente en comparación con un planeta cubierto de hielo.
El nuevo estudio muestra que al observar un planeta con características distintas a lo largo del tiempo, como océanos y continentes, es posible medir la tasa de rotación del planeta observando un patrón repetido en la luz reflejada. Este patrón surgiría de esas características planetarias que se mueven a la vista con una cadencia regular. Por ejemplo, cada 24 horas, Australia y el Océano Pacífico llenan el campo de visión de EPIC, y unas 12 horas después, América del Sur y el Atlántico llenan el encuadre, con África y el Océano Índico pasando en el medio. Este patrón de luz cambiante se repetía día tras día. En el nuevo periódico, los autores demuestran que pueden detectar este ciclo repetido y así determinar la tasa de rotación, o la duración del día del planeta. La tasa de rotación de un planeta puede revelar información sobre cómo y cuándo se formó el planeta, y es una propiedad particularmente difícil de medir con los métodos actuales.
"La gente ha estado hablando durante algún tiempo sobre el uso de este enfoque para medir la velocidad de rotación de los exoplanetas, pero no ha habido ninguna demostración de que pudiera funcionar porque no teníamos datos reales, "dijo Renyu Hu, científico de exoplanetas en JPL y coautor del nuevo estudio. "Hemos demostrado que en todas las longitudes de onda, aparece el período de 24 horas, lo que significa que este enfoque para medir la rotación planetaria es sólido ".
Los autores señalan, sin embargo, que la efectividad de este método dependería de las características únicas del planeta. Es posible que un patrón de ciclo diario no sea visible en un planeta que es en gran parte homogéneo en su superficie. Venus, por ejemplo, está cubierto de nubes espesas y no tiene océanos en su superficie, por lo que es posible que no aparezca un patrón recurrente durante todo el día, o puede que no sea lo suficientemente nítido para observar en una imagen de un píxel. Planetas como Mercurio y Marte también serían un desafío, pero Jiang dijo que las características planetarias como los cráteres también podrían contribuir a un patrón que podría usarse para medir el período de rotación.
Esta animación muestra una serie de observaciones tomadas por el instrumento EPIC en una de 10 longitudes de onda. A esta longitud de onda, la distinción entre continentes y océanos es particularmente visible. El patrón repetitivo creado por la rotación del planeta podría ser observable con un poderoso telescopio que observa el planeta desde muchos años luz de distancia. según un nuevo estudio. Crédito:NASA / NOAA
Imágenes de exoplanetas
Estudios anteriores utilizaron la Tierra como un proxy de exoplanetas, para investigar qué tipos de propiedades planetarias podrían derivarse de lejos, pero ningún estudio previo examinó tantas bandas de longitud de onda. Este es también el primer estudio de este tipo que captura un conjunto de datos tan grande, tomado durante un período prolongado de tiempo:utilizó más de 27 meses de observaciones, con imágenes tomadas por EPIC aproximadamente 13 veces al día.
Las observaciones directas de exoplanetas tienen muchos menos datos que los que se utilizaron en el nuevo estudio, pero los investigadores informan que medir la tasa de rotación de un exoplaneta con más del 90 por ciento de confianza requeriría tomar imágenes solo dos o tres veces por período orbital (es decir, por "día" en ese exoplaneta en particular) durante aproximadamente siete períodos orbitales.
Esta imagen, tomada por la nave espacial Voyager 1 de la NASA desde más allá de la órbita de Neptuno, muestra el planeta Tierra visto desde aproximadamente 3.700 millones de millas (5.900 millones de kilómetros) de distancia. La Tierra aparece como un punto de luz muy pequeño en la mitad derecha de la imagen, indicado por una flecha. Apodado el "Punto azul pálido, "la imagen ilustra lo pequeño que parece un planeta del tamaño de la Tierra desde lejos. Crédito:NASA / JPL-Caltech
La cantidad de tiempo que los astrónomos tendrían que observar un exoplaneta para identificar su velocidad de rotación también depende de cuánta luz no deseada se incluya en los datos del exoplaneta. Los datos de EPIC proporcionan una vista excepcionalmente clara de la Tierra, en gran parte sin restricciones por la luz de otras fuentes. Pero un desafío principal en la obtención de imágenes directas de exoplanetas es que son mucho más tenues que sus estrellas madres. La luz de la estrella cercana puede ahogar fácilmente la luz de un exoplaneta, haciendo a este último invisible. Con la señal del planeta compitiendo con la luz de la estrella, puede llevar más tiempo discernir un patrón que pueda revelar la tasa de rotación del planeta. La NASA está investigando diseños potenciales para telescopios de próxima generación que podrían ser capaces de obtener imágenes directas de exoplanetas del tamaño de la Tierra.
Con el campo de las imágenes directas de exoplanetas avanzando, Jiang no ha terminado de pensar en la pregunta que le hizo su hija hace más de una década. Si los científicos pueden aprender sobre las características de la superficie de planetas distantes, Entonces, ¿podrían responder a una pregunta aún mayor que planteó su hija:alguno de esos planetas alberga vida?
