„Hier leben wir. Auf einem blauen Punkt.“ sagte Carl Sagan, als der mittlerweile berühmteHellblauer PunktFoto wurde veröffentlicht. Gefangen 14. Februar 1990 von den Raumsonde Voyager 1 ,Hellblauer Punktbleibt das am weitesten entfernte Foto der Erde, das jemals mit 6 Milliarden Kilometern aufgenommen wurde. Im vergangenen Februar markierte die 30NSJubiläum vonHellblauer Punktdie mit modernen digitalen Fototechniken aufbereitet wurde, um ein noch bemerkenswerteres Bild zu erzeugen.
Diese aktualisierte Version des ikonischen „Pale Blue Dot“-Bildes, das von der Raumsonde Voyager 1 aufgenommen wurde, verwendet moderne Bildverarbeitungssoftware und -techniken, um die bekannte Voyager-Ansicht zu wiederholen, während versucht wird, die ursprünglichen Daten und Absichten derjenigen zu respektieren, die die Bilder geplant haben. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
ObHellblauer Punkt, oder Blauer Marmor , unser Planet wird mit der Farbe Blau assoziiert. Da die Erde die einzige bewohnte Welt ist, die wir kennen, liegt es nahe, dass andere bewohnbare Planeten im Weltraum ebenfalls blau sein werden. Aber es ist ein bisschen komplizierter.
Was ist Farbe?
Mit „Farbe“ meinen Astronomen die Intensität des Lichts bei einer bestimmten Wellenlänge. Licht, bei dem es sich um elektromagnetische (EM) Strahlung handelt, bewegt sich wie eine Welle durch den Raum, genau wie Wellen durch Wasser. Die Länge dieser Welle bestimmt ihre Farbe. Beispielsweise erscheint EM-Strahlung mit Wellenlängen um 450 Nanometer für unsere Augen als Farbe Blau.
Aber was wir Menschen im Allgemeinen als Farbe bezeichnen, repräsentiert nur einen kleinen Teil der gesamten Wellenlängen des EM-Spektrums. Teleskope können verschiedene Teile des Spektrums außerhalb dessen wahrnehmen, was unsere Augen sehen, z. B. Ultraviolett oder Infrarot, die auch als „Farbe“ bezeichnet werden können. Der Nachthimmel wäre für unsere Augen viel heller, wenn wir den gesamten Bereich des EM-Spektrums sehen könnten.
Das kommende James-Webb-Weltraumteleskop kann den infraroten Teil des EM-Spektrums erkennen. Infrarot durchdringt interstellaren Staub und Gas leichter als sichtbares Licht, so dass James Webb Hindernisse durchschauen kann.
Jetzt wird es spannend – Farbe kann uns tatsächlich viel über ein Objekt sagen. Die Farbe eines Sterns hängt von seiner Oberflächentemperatur ab. Rote Sterne sind kühler, während blaue Sterne heißer sind. Farbe sagt uns auch, woraus etwas besteht. Die Farbe einer Atmosphäre zeigt an, was in der Luft ist. Die Farbe, die von einer Oberfläche reflektiert wird, sagt uns, was diese Oberfläche ist. Die Farbe, die von einem Objekt im Raum ankommt, ist normalerweise eine Mischung ausmehrereFarben.
Die Erde ist mehr als nur blau, sie ist eine Mischung aus verschiedenen Farben, die jeweils verschiedene Oberflächen und Gase auf unserem Planeten darstellen. Jede Oberfläche oder jedes atmosphärische Gas hinterlässt seine einzigartige „Signatur“ auf der Wellenlänge des Sonnenlichts, das auf sie trifft, was zu einer Farbänderung führt. Wenn weißes Sonnenlicht auf eine Pflanze trifft, absorbiert das Chlorophyll einen Teil des Sonnenlichts zur Energiegewinnung, reflektiert jedoch grünes und infrarotes Licht zurück in den Weltraum. Die Wissenschaft dieser Wechselwirkung zwischen Licht und Materie heißtSpektroskopie.
Farben und Reflexionsvermögen verschiedener Erdoberflächen c. NASA / Jeannie Allen
Das EM-Spektrum – Beachten Sie, dass sichtbares Licht, das wir mit unseren Augen „sehen“, ein sehr schmaler Teil des Spektrums ist.
Was ist mit einer fernen Welt – anExoplanet– um einen anderen Stern? Die Farbe einer fernen Welt kann uns über ihre Bewohnbarkeit verraten. Da wir nicht in der Lage sind, diese Planeten zu verkrümmen oder zu hyperraumen, verwenden wir stattdessen Informationen, die sie uns mit Lichtgeschwindigkeit gesendet haben.
Aber es gibt zwei Hauptherausforderungen bei der spektrographischen Untersuchung von entfernten erdähnlichen Exoplaneten. Erstens hat unsere aktuelle Generation von Teleskopen nicht die erforderliche Auflösung, um das Licht eines erdgroßen Planeten von dem seines Muttersterns über die riesigen Entfernungen, die wir beobachten, zu unterscheiden (denken Sie daran, wie klein die Erde mit 6 Milliarden Kilometern nie aussah Denken Sie an Hunderte vonBillionen). Das Licht des Planeten und des Sterns verschwimmt.
Wir wissen, dass es Exoplaneten gibt, wie groß sie sind, ob es sich um terrestrische Welten handelt und welche Art von Sternen sie umkreisen, aber wir können derzeit kaum etwas anderes über sie erkennen.
Zweitens, auch wenn unsere Teleskopesindstark genug, um das Licht eines einzelnen Planeten genau zu untersuchen, haben wir keine Farbkarte, um zu erkennen, was wir da draußen sehen – kein Bezugspunkt. Wir wissen nicht, wie „Erde“ aussehen würde, wenn sie Hunderte von Lichtjahren entfernt einen anderen Stern umkreist. Die Erde selbst würde unter einer roten oder blauen Sonne eine andere Farbe haben.
Zum Glück werden beide Herausforderungen gemeistert.
Beispiele für zukünftige Super-/Extrem-Teleskopprojekte – Universe Today
Eine neue Generation hochauflösender Teleskope ist in Sicht. Weltraumteleskop-Missionen wie James Webb , HabEx , und LESEN ; sowie landgestützte Teleskope wie das Riesen-Magellan-Teleskop wird das Auflösungsvermögen haben, das Licht eines relativ kleinen, schwachen Planeten von dem seines titanisch leuchtenden Muttersterns zu trennen.
In Erwartung dieser erhöhten Teleskopleistung hat Jack Madden – Ph.D. Kandidat in Astrophysik an der Cornell University, hat einen Farbführer von Erdähnliche Welten, die andere Sterne umkreisen. Dieser Leitfaden, der mithilfe von Computersimulationen erstellt wurde, kann verwendet werden, um die Farben, die wir von fernen Welten sehen, zu interpretieren, um festzustellen, ob sie potenziell bewohnbar sind.
(Artist Rendition) Dieser Exoplanet hat eine blaue, erdähnliche Atmosphäre.
Unter dem roten Licht seines Sterns erzeugt es einen grünlichen Schimmer
– Bild und Bildbeschreibung von Jack H. Madden mit Genehmigung verwendet
Madden hat simulierte „Erden“ mit Kombinationen von Oberflächentypen unseres eigenen Planeten erstellt, darunter Meerwasser, Basalt, Granit, Sand, Bäume, Gras, Schnee und Wolken. Einige der Planeten wurden mit einem einzigen Oberflächentyp simuliert, wie zum Beispiel Dschungel-/Waldplaneten (wie Endors Waldmond in Return of the Jedi), verschneite Welten (wie Hoth in Empire Strikes Back), Wüstenwelten…( Tatooine in New Hope) oder eine Kombination mehrerer Oberflächentypen, wie wir sie auf der Erde finden. Es wurden Varianten jedes Planeten simuliert, darunter 70 % der erdähnlichen Ozeanbedeckung sowie Welten mit und ohne atmosphärische Wolkenbedeckung von 44 %, die der durchschnittlichen Wolkenbedeckung der Erde entsprachen.
Diese simulierten Planeten wurden dann in eine Habitable Zone-Umlaufbahn simulierter Sterne platziert – die Zone, in der der Planet genügend Energie vom Stern erhält, um flüssiges Wasser wie die Erde aufrechtzuerhalten. Diese simulierten Sterne zeigten Oberflächentemperaturen von 3.900 Kelvin bis 7.400 Kelvin, entsprechend 12 verschiedenen Star-Klassen und Unterklassen durch Sterne der F-, G- und K-Klasse.
Dieser Bereich umfasst Sterne, die kühler und röter sind als unsere Sonne – die Klasse G und etwa 5.770 Kelvin hat – und heißere blauere Sterne. Auch kühlere Sterne – Klasse M – werden ausgeschlossen, weil ihre Planeten ihre Muttersterne so nah umkreisen müssen, um das Leben zu unterstützen, dass sie Gefahr laufen, Sonneneruptionen ausgesetzt zu sein Gezeitensperre so dass die gleiche Seite des Planeten immer dem Mutterstern zugewandt ist.
Insgesamt wurden 30 verschiedene Oberflächentypen um 12 Sterne simuliert und ergaben die Farbspektren von 360 terrestrischen Planeten mit Wellenlängen im Bereich von 0,4 bis 20 Mikrometer (400 bis 20.000 Nanometer entsprechend dem Spektrum von sichtbarem Licht bis Infrarot).
„Die Erde ist unser einziges Beispiel für eine bewohnbare Welt. Je besser wir darauf vorbereitet sind, etwas zu finden, das nicht wie die Erde ist, aber dennoch Leben unterstützt, desto früher könnten wir Anzeichen dafür finden… Sobald wir Teleskope haben, die in einer entfernten Atmosphäre Anzeichen von Leben finden können, haben wir eine Vielzahl von Modellen, die wir vergleichen gegen. Anhand der von uns beobachteten Bedingungen wissen wir, welche Oberflächentypen dort existieren könnten, um die Temperaturen für flüssiges Wasser zu unterstützen.“
-Jack H. Madden
(Artist Rendition) Wenn dieser Exoplanet und sein großer Mond um einen hellen F-Stern treiben, erzeugen sie oft Ausrichtungen. Das stark gestreute einfallende Licht prallt von den Wolkenspitzen ab, um
schaffen einen feurigen Blick für den Betrachter im richtigen Blickwinkel.
– Bild und Bildbeschreibung von Jack H. Madden mit Genehmigung verwendet
Die Farben der Bewohnbarkeit
Die simulierten Planeten bilden eine Farbreferenz für zukünftige Superteleskope, die Exoplaneten jagen. Der Vergleich der Spektren zukünftiger Exoplanetenbeobachtungen mit den simulierten erdähnlichen Planeten hilft festzustellen, ob wir eine bewölkte Dschungelwelt, einen Ozeanplaneten, ein luftloses Gestein oder eine kontinentale Welt mit mehreren Oberflächen wie die Erde sehen, die verschiedene Sterne umkreist.
Die Simulationen zeigten auch andere Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche des Planeten und dem einfallenden Licht seines Muttersterns. Obwohl kühlere Sterne beispielsweise weniger Energie abgeben als heißere Sterne, erwärmen sie erdähnliche Welten effektiver, weil ein größerer Teil ihrer Energie als Infrarotstrahlung freigesetzt wird.
Verschiedene Oberflächen beeinflussen auch die Oberflächentemperatur des Planeten, je nachdem, wie sie das Licht eines bestimmten Sterns absorbieren oder reflektieren. Blaue Oberflächen bleiben bei blauem Sternenlicht kühler, während rote Oberflächen mehr blaues Licht absorbieren und somit Wärme aufnehmen.
Auch der Farbkontrast des Planeten ändert sich je nach Oberflächenbeschaffenheit. Ein Wüstenplanet, der einen schwächeren Stern der K-Klasse umkreist, könnte doppelt so hell sein wie ein Ozeanplanet, der einen helleren Stern der F-Klasse umkreist, da Meerwasser tendenziell weniger reflektiert als Sand.
Letztendlich kann der Oberflächentyp eines Planeten einen erheblichen Einfluss auf die Oberflächentemperatur und Bewohnbarkeit haben und die Sichtbarkeit des Planeten für unsere Teleskope verändern, wenn er einen bestimmten Stern umkreist. Diese Informationen können helfen, zu planen, welche Sterne wir mit unseren zukünftigen Superteleskopen beobachten oder welche Exoplaneten wir mit unserem verbesserten Auflösungsvermögen erneut besuchen.
Abbildung 5.2 aus Madden 2020, S. 127 – Eine Probe der kombinierten Reflexions- und Emissionsspektren der simulierten Exoplaneten mit gemischten Oberflächen von 30% einer Art und 70% Meerwasser sowohl mit als auch ohne hinzugefügte Wolken. (Die Y-Achse zeigt die Energiemenge, die von einer bestimmten Oberfläche reflektiert wird, während die X-Achse zeigt, bei welcher Wellenlänge oder Farbe)
Die Gegenwart des Lebens
Das von der Atmosphäre eines Planeten reflektierte Licht sagt uns auch über die atmosphärische Zusammensetzung. Wenn das Sternenlicht die Atmosphäre durchdringt, wird das Licht durch die Anwesenheit verschiedener Gase verändert, die mit Teleskopen nachgewiesen werden können.
Durch die Simulation all dieser Welten zeigen die Ergebnisse, wie man Gase wie Methan und Sauerstoff in der Atmosphäre eines fernen Planeten nachweisen kann. Normalerweise heben sich Methan und Sauerstoff gegenseitig auf, sodass ihre fortgesetzte Koexistenz in der Atmosphäre eines Planeten, wie auf der Erde, ein Zeichen für biologische Prozesse sein könnte, bei denen die Biologie eines oder beide Gase auffüllt.
Vegetation kann auch aus der Ferne durch einen Effekt namens „Roter Rand“ nahe 700 Nanometern beobachtet werden – der Farbe Rot und bis ins nahe Infrarot. Bei dieser Wellenlänge zeigen simulierte, mit Bäumen bedeckte Planeten eine starke Zunahme der Reflektivität. Die Vegetation auf der Erde reflektiert Infrarotlicht als Schutz vor Überhitzung bei der Photosynthese.
Es gibt einige coole Möglichkeiten, von denen Madden sagt, dass sie in den Modellen noch nicht berücksichtigt sind. Es ist beispielsweise unklar, wie sich das Spektrum eines Planeten verändern könnte, wenn der Planet zusätzlich zur Lichtreflexion sein eigenes Licht aussendet. Dieses Licht könnte zum Beispiel das Ergebnis von biolumineszenten Organismen auf der Oberfläche des Planeten sein (denken Sie an den Mond Pandora in Avatar). Dies sind Möglichkeiten, die bei unseren Bemühungen um die Planetenjagd vielleicht noch entdeckt werden.
Neben der Exoplanetenspektroskopie modelliert Madden diese fernen Welten auch durch digitale Kunstwerke. Ein Beispiel seiner Arbeit bildet die erstaunlichen Bilder von Exoplaneten in diesem Artikel, einschließlich des Feature-Bildes. Ich liebe es, wenn Kunst und Wissenschaft aufeinandertreffen. Als Astrofotograf glaube ich, dass Kunst ein mächtiger Kanal der Wissenschaftskommunikation ist. Maddens herausragende Kunst finden Sie auf seiner Website jmadden.org – Einblick in die Träume eines echten Planetenjägers, den wir unter den Sternen finden können:
Anmerkung des Verfassers:Großes Dankeschön an Astronom Kat Kelly an der Oxford University für spektroskopische Einblicke auch für dieses Stück – zugegebenermaßen nicht meine Stärke, wenn es um Astronomiewissen geht.
Mehr zum Entdecken:
Die Farbe der Bewohnbarkeit – Dissertation von Jack Madden
Besichtigung des elektromagnetischen Spektrums (NASA)
Aufstieg der Superteleskope: Das Giant Magellan Telescope – Universe Today
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Die Suche nach superhabitablen Planeten, die noch bewohnbarer sind als die Erde – Universe Today
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