„Hier leben wir. Auf dem blauen Punkt ", sagte Carl Sagan nach der Veröffentlichung des berühmten" hellblauen Punkt " -Fotos . Das Foto wurde von der Raumsonde Voyager 1 am 14. Februar 1990 aus einer Entfernung von 6 Milliarden km aufgenommen. Bis heute ist dieses Foto das am weitesten entfernte Foto der Erde. Im Februar dieses Jahres wurde sie 30 Jahre alt und wurde zu Ehren mit modernen digitalen Methoden bearbeitet und erhielt ein noch beeindruckenderes Bild. (anklickbar) Eine aktualisierte Version des Fotos "Hellblauer Punkt" mit modernen Programmen und Technologien für die Bildverarbeitung
Ein hellblauer Punkt oder eine blaue Kugel - auf jeden Fall ist unser Planet mit Blau verbunden. Und da die Erde der einzige bewohnte Planet ist, der uns bekannt ist, ist anzunehmen, dass andere bewohnte Planeten blau sein werden. Die Realität ist jedoch nicht so einfach.
Was ist Farbe?
Astronomen bezeichnen Farbe als die Intensität des Lichts bei einer bestimmten Wellenlänge. Licht ist elektromagnetische Strahlung (EMP), die sich wie Wellen auf der Wasseroberfläche durch den Raum bewegt. Die Wellenlänge bestimmt die Farbe. Zum Beispiel sieht EMR mit einer Wellenlänge von ungefähr 450 nm für uns blau aus.
Was Menschen als Farbe betrachten, macht jedoch nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Wellenlänge des elektromagnetischen Spektrums aus. Teleskope können Lücken im Spektrum erkennen, die über das hinausgehen, was wir mit unseren Augen sehen können. Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung kann auch als "Farbe" betrachtet werden. Der Nachthimmel würde uns viel heller erscheinen, wenn wir die gesamte Reichweite von EMP sehen könnten.
Das kommende James Webb-Weltraumteleskop kann das Infrarotspektrum erfassen. InfrarotwellenEs ist einfacher, durch interstellaren Staub und Gas zu gelangen als durch sichtbares Licht. Dadurch kann das Teleskop diese Hindernisse "durchschauen".
Und was am interessantesten ist, Farbe kann uns viel über das untersuchte Objekt erzählen. Die Farbe eines Sterns hängt mit seiner Oberflächentemperatur zusammen. Rote Sterne sind kälter, blaue Sterne sind heißer. Die Farbe gibt auch die Zusammensetzung des Objekts an. Die Farbe der Atmosphäre hängt von der Zusammensetzung der Luft ab. Die Farbe des von einer Oberfläche reflektierten Lichts zeigt die Eigenschaften dieser Oberfläche an. Die Farbe eines Raumobjekts besteht normalerweise aus mehreren Farben.
Die Erde ist nicht nur blau, ihre Farbe wird mit mehreren Farben gemischt, von denen jede mit bestimmten Oberflächen und Gasen verbunden ist. Jede Oberfläche und jedes Gas in der Atmosphäre hinterlässt eine einzigartige Signatur auf den Wellen des Sonnenlichts, die auf sie treffen und dadurch ihre Farbe ändern. Wenn Licht auf ein Pflanzenblatt trifft, absorbiert das darin enthaltene Chlorophyll einen Teil der Wellenenergie und reflektiert die grünen und infraroten Teile zurück in den Weltraum. Die Wechselwirkung von Licht mit Materie wird von der Wissenschaft der Spektroskopie untersucht.
Farben und Reflexionsvermögen verschiedener Erdoberflächen
EMP-Spektrum - beachten Sie, dass das Licht, das wir sehen (sichtbar), nur ein kleiner Teil davon ist
Was ist mit einer fernen Welt - einem Exoplaneten -, der einen Stern umkreist? Die Farbe einer fernen Welt kann uns über ihre Bewohnbarkeit erzählen. Wir können keine Warp-Antriebe verwenden oder in den Hyperraum gehen, um diese Planeten zu erreichen, und stattdessen die Informationen verwenden, die wir von ihnen mit Lichtgeschwindigkeit erhalten.
Bei spektrographischen Untersuchungen von erdähnlichen Exoplaneten gibt es zwei Hauptprobleme.
Erstens fehlt unserer aktuellen Teleskopgeneration die Auflösung, um das von einem erdgroßen Planeten reflektierte Licht von dem seines Sterns zu unterscheiden. Dafür sind die Entfernungen zu diesen Objekten zu weit (denken Sie daran, wie klein die Erde aus einer Entfernung von 6 Milliarden km erscheint - und hier sprechen wir über Hunderte von Billionen). Das Licht des Sterns und des Planeten verschmilzt.
Wir wissen, dass Exoplaneten existieren, wir wissen, wie groß sie sind, ob sie der Erde ähnlich sind, um welche Sterne sie sich drehen - aber heute sehen wir wenig anderes.
Zweitens, selbst wenn unsere Teleskope das Licht eines einzelnen Planeten untersuchen können, haben wir keine Platte mit Farben, die uns helfen würden, herauszufinden, was genau wir sehen - wir haben nichts zu vergleichen. Wir wissen nicht, wie eine andere Erde aussehen würde, die einen anderen Stern aus Hunderten von Lichtjahren Entfernung umkreist. Und unsere Erde würde im Licht einer roten oder blauen Sonne anders aussehen.
Zum Glück beschäftigen wir uns jetzt mit beiden Problemen.
Teleskopprojekte der Zukunft
Eine neue Generation hochauflösender Teleskope zeichnet sich am Horizont ab. Weltraumteleskope, insbesondere James Webb , HabEx und LUVOIR . Bodenteleskope - zum Beispiel das riesige Magellan-Teleskop . Ihre Auflösung ermöglicht die Trennung von Licht von einem relativ dunklen Planeten und seinem leuchtenden Stern.
Jack Madden, PhD in Astrophysik an der Cornell University, erwartete eine Erhöhung der Teleskopauflösung und erstellte einen Farbleitfadenfür erdähnliche Welten, die andere Sterne umkreisen. Das durch Computersimulationen erstellte Handbuch kann verwendet werden, um die Farben der von uns beobachteten Welten zu interpretieren und ihre Bewohnbarkeit zu bestimmen.
Ein Exoplanet wie dieser könnte eine blaue Atmosphäre haben, die der der Erde ähnelt. Unter dem Licht eines roten Sterns hat es eine grünliche Färbung.
Madden schuf simulierte Erden, indem er die auf unserem eigenen Planeten vorkommenden Oberflächentypen kombinierte: Meerwasser, Basalt, Granit, Sand, Bäume, Gras, Schnee und Wolken. Einige der simulierten Planeten erhielten einen einzigen Oberflächentyp - zum Beispiel Planeten, die vollständig von Dschungel / Wäldern bedeckt sind (wie Endor von Return of the Jedi); schneebedeckte Welten (wie Hoth aus The Empire Strikes Back); Wüstenwelten (Tatooine aus A New Hope). Einige werden mit einer Kombination verschiedener Typen gezählt, wie z. B. die Erde. Für jeden der Planeten wurden verschiedene Optionen in Betracht gezogen, einschließlich solcher mit einer Wasserbedeckung von 70% wie der Erde ohne Wolken oder mit einer Wolkendecke von 44% wie unserem Durchschnitt.
Diese Planeten wurden dann in der bewohnbaren Zone simulierter Sterne in einer solchen Entfernung platziert, dass sie genug Energie erhielten, um Wasser an der Oberfläche in einem flüssigen Zustand zu halten. Die Oberflächentemperaturen der simulierten Sterne lagen zwischen 3900 K und 7400 K, was 12 Klassen und Unterklassen von Sternen entspricht , einschließlich der Klassen F, G und K.
Dieser Bereich umfasst sowohl kühlere als auch rötlichere Sterne im Vergleich zu unserer Sonne, die in der G-Klasse liegt und Oberflächentemperaturen aufweist etwa 5770 K und heißer und blauer. Auch kältere Sterne der M-Klasse wurden von der Liste ausgeschlossen. Um genügend Energie zu erhalten, müssten die Planeten so nahe an ihnen kreisen, dass sie dem Risiko von Sonneneruptionen ausgesetzt wären. Darüber hinaus würden solche Planeten kommensynchrone Drehung mit dem Stern und würde mit einer Seite zu ihm gedreht werden.
Als Ergebnis wurden 30 verschiedene Arten von Planetenoberflächen und 12 verschiedene Arten von Sternen simuliert. Insgesamt wurden 360 verschiedene Planeten mit Wellenlängen von 0,4 bis 20 Mikrometer erhalten (was dem Spektrum von sichtbarem Licht bis Infrarot entspricht).
„Die Erde ist unser einziges Beispiel für eine bewohnte Welt. Je besser wir bereit sind, eine Welt zu finden, die den Frieden unterstützen kann, aber nicht wie die Erde, desto eher können wir Anzeichen ihrer Existenz erkennen. Mit Teleskopen, die Lebenszeichen in der Atmosphäre entfernter Planeten erkennen können, werden wir eine umfangreiche Reihe von Modellen zusammenstellen, mit denen wir vergleichen können. Anhand der beobachteten Bedingungen können wir herausfinden, welche Arten von Oberflächen die für die Existenz von flüssigem Wasser erforderliche Temperatur aufrechterhalten können “, schrieb Jack Madden.
Ein Exoplanet und sein Mond, die einen hellen Stern der F-Klasse umkreisen, reihen sich manchmal aneinander. Das gestreute Licht wird von den Wolkenkratzern reflektiert und bildet für alle Beobachter aus einem bestimmten Blickwinkel ein feuriges Bild.
Bewohnbare Farben
Die simulierten Planeten haben es möglich gemacht, einen Leitfaden für zukünftige Teleskope zu erstellen, mit denen auf Exoplaneten gejagt werden soll. Durch den Vergleich der Spektren von Beobachtungen mit simulierten erdähnlichen Planeten wird es einfacher zu verstehen, ob wir eine wolkenbedeckte Dschungelwelt, einen Ozeanplaneten, einen luftlosen Felsen oder eine kontinentale Welt mit vielen verschiedenen Oberflächentypen wie der Erde sehen.
Simulationen enthüllten auch die Details der Wechselwirkung zwischen der Oberfläche des Planeten und dem vom Stern ausgehenden Licht. Obwohl kühlere Sterne weniger Energie emittieren als heißere, heizen sie erdähnliche Welten effizienter, weil mehr Strahlung in den Infrarotbereich fällt.
Je nachdem, wie sie das Licht eines bestimmten Sterns absorbieren oder reflektieren, beeinflussen verschiedene Arten von Oberflächen auch die Temperatur auf der Oberfläche des Planeten. Blaue Oberflächen werden unter dem Licht eines blauen Sterns kühler, während rote Oberflächen mehr blaues Licht absorbieren und sich erwärmen.
Der Farbkontrast des Planeten ändert sich auch aufgrund der Eigenschaften seiner Oberfläche. Ein Wüstenplanet, der einen schwachen Stern der K-Klasse umkreist, könnte doppelt so hell sein wie ein ozeanbedeckter Planet, der einen hellen Stern der F-Klasse umkreist: Meerwasser reflektiert weniger Licht als Sand.
Die Art der Oberfläche eines Planeten kann je nach Art seines Sterns die Oberflächentemperatur und die Bewohnbarkeit sowie die Sichtbarkeit in unseren Teleskopen erheblich beeinflussen. Diese Informationen helfen uns bei der Auswahl von Sternen für unsere zukünftigen Superteleskope und von Exoplaneten, zu denen wir nach zunehmender Auflösung zurückkehren können.
Eine Probe einer Kombination von Licht, das von simulierten Exoplaneten reflektiert und emittiert wird. Dargestellt sind Planeten mit 30% der Oberfläche verschiedener Arten und 70% der mit Meerwasser bedeckten Oberfläche sowie mit und ohne Wolken. Die Y-Achse repräsentiert die Energiemenge, die von einer bestimmten Oberfläche reflektiert wird, die X-Achse repräsentiert die Wellenlängen.
Leben haben
Licht, das von der Atmosphäre eines Planeten reflektiert wird, kann uns etwas über seine Zusammensetzung erzählen. Beim Durchgang durch die Atmosphäre des Planeten ändert sich das Licht des Sterns aufgrund der Anwesenheit einiger Gase. Teleskope können diese Veränderungen erkennen.
Durch die Simulation all dieser Welten ist es möglich, die Erkennung von Gasen wie Methan und Sauerstoff in der Atmosphäre von Planeten zu vereinfachen. Normalerweise werden Methan und Sauerstoff gegenseitig zerstört, so dass ihre kontinuierliche Anwesenheit in der Atmosphäre des Planeten (wie es auf der Erde geschieht) ein Zeichen für biologische Prozesse sein kann, die dort ablaufen und die Reserven eines oder beider Gase wiederherstellen.
Pflanzen können dank der sogenannten auch aus großer Entfernung gesehen werden. Der "rote Kanteneffekt" im Wellenlängenbereich von ca. 700 nm - rotes und nahes Infrarotlicht. Simulierte baumbedeckte Planeten erfahren an diesem Punkt des Spektrums einen dramatischen Anstieg des Reflexionsvermögens. Landpflanzen reflektieren Infrarotlicht, um sich während der Photosynthese vor Überhitzung zu schützen.
Es gibt andere interessante Möglichkeiten, die in Maddens Modellen nicht enthalten sind. Zum Beispiel ist unklar, wie sich das Spektrum eines Planeten verändern wird, das nicht nur Licht reflektiert, sondern auch sein eigenes emittiert. Dieses Licht kann das Ergebnis von biolumineszierenden Organismen auf der Oberfläche des Planeten sein (wie bei Pandora von Avatar). Wir werden solche Möglichkeiten bei der zukünftigen Planetenjagd entdecken können.
Madden simuliert nicht nur die spektroskopischen Eigenschaften von Planeten, sondern erstellt auch digitale Zeichnungen zu diesem Thema. Einige seiner Werke werden in diesem Artikel vorgestellt, der Rest ist auf seiner Website zu finden .