NASA ar putea detecta oceane pe exoplanete prin „strălucirea” reflectată a apei
Peste 5.500 de exoplanete au fost descoperite până în prezent, iar zeci dintre ele se află în zonele locuibile ale stelelor lor, unde, cel puțin teoretic, ar putea exista un ocean. Cu toate acestea, un ocean lichid nu a fost confirmat niciodată în afara Sistemului Solar. O nouă lucrare științifică propune o metodă prin care această căutare ar putea face un pas decisiv înainte: detectarea „strălucirii” caracteristice a apei, cunoscută în fizică drept reflexie speculară.
Ce este strălucirea și de ce contează
Reflexia speculară apare atunci când lumina Soarelui lovește apa la un unghi mic și orizontul se aprinde într-un fulger auriu – un fenomen familiar pe plajele terestre. Aceeași proprietate se manifestă și pe alte suprafețe, precum aurul, dar majoritatea materialelor care compun exoplanetele – nisip, rocă, sol – nu produc strălucire. Acestea sunt așa-numitele suprafețe lambertiene, care împrăștie lumina uniform în toate direcțiile. Apa se comportă însă ca o oglindă: privită de sus, lumina pătrunde în mare parte în adânc sau se reflectă slab, dar la un unghi razant reflectă puternic.
În cazul unui exoplanet, acest unghi razant apare în timpul fazei de semilună, când observăm în principal partea nocturnă a planetei, cu doar o fâșie iluminată. La acel unghi, lumina stelei s-ar reflecta direct de pe un eventual ocean către telescop, făcând planeta să strălucească brusc din perspectiva instrumentului.
Precedente cunoscute
Fenomenul nu este doar teoretic. În 2009, sonda Cassini a detectat o strălucire speculară pe lacurile de hidrocarburi de la suprafața lui Titan. Cu decenii înainte, o echipă de cercetători, din care făcea parte și Carl Sagan, a folosit un survol al sondei Galileo pe lângă Pământ pentru a observa strălucirea reflectată de oceanele terestre. Cu alte cuvinte, metoda funcționează – dar nu a fost încă aplicată cu succes pentru exoplanete.
Modelul rfast și simulările cu valuri
Cercetătoarele Eleanor Cornish și Tyler Robinson, de la Universitatea din Arizona, au adaptat un instrument atmosferic pentru detectarea strălucirii. Folosind instrumentul cunoscut sub numele de rfast, ele au integrat modelul oceanic Cox–Munk, care reflectă modul în care viteza vântului și valurile influențează lumina returnată către telescop. Rezultatele, publicate ca preprint pe arXiv și trimise spre publicare în The Astrophysical Journal, arată că modelul poate distinge între planete cu și fără ocean chiar și la praguri relativ ridicate de zgomot, cu condiția ca acestea să fie observate la un unghi de fază mai mare de 120°.
De ce 120° și ce înseamnă „înroșirea” strălucirii
La acest unghi intervine un fenomen numit înroșirea strălucirii. Lumina stelară care ricoșează razant de pe suprafața unui ocean traversează un drum mult mai lung prin atmosfera planetei. Pe parcurs, ea este supusă împrăștierii Rayleigh – efectul atmosferic ce împrăștie lumina albastră și face cerul nostru albastru. Până când ajunge la telescop, majoritatea lungimilor de undă albastre au fost eliminate, rămânând în primul rând o colorație roșiatică.
Această descoperire este favorabilă pentru proiectanții de telescoape, în special pentru cei care lucrează la Observatorul Mondial Locuibil (HWO). Lucrările teoretice anterioare sugerau că strălucirea oceanică ar putea fi observabilă doar la 130°, iar un unghi de fază mai mare implică faptul că planeta trebuie să fie mai aproape de steaua sa mamă în momentul observării. Deoarece blocarea luminii stelei mamă este una dintre cele mai mari provocări pentru proiectanții HWO, un interval operațional suplimentar de 10° oferă o marjă de manevră importantă.
Limitările modelului: norii
Lucrarea semnalează însă și limite ale modelului. Cea mai evidentă este reprezentată de nori. În simulări, cercetătoarele au presupus o acoperire noroasă de 50% pentru o lume asemănătoare Pământului. Există însă numeroase exemple, chiar în Sistemul Solar, de planete mult mai acoperite de nori. Rezultatele pentru astfel de planete pot lua una din două direcții: fie norii blochează complet oceanul, fie, în anumite forme precum cirrusii de altitudine mare, pot împrăștia lumina stelară către telescop, mimând un fulger de strălucire acolo unde acesta nu există.
Există soluții pentru a doua problemă, inclusiv diferențierea între benzile de absorbție ale gazelor și cele ale lichidelor, dar acest lucru evidențiază dificultățile căutării unui ocean pe o planetă aflată la ani-lumină distanță.
Datele despre Pământ în faza de semilună, esențiale
Cercetătoarele subliniază că nu avem încă multe date colectate despre Pământ în faza sa de semilună, dar furnizarea unor astfel de date ca set de antrenament va fi crucială pentru ca instrumentul să îi ajute pe oamenii de știință ai HWO să interpreteze ceea ce observă. Deocamdată, este încurajator să știm că am putea descoperi o lume acoperită de oceane – dacă o privim din unghiul potrivit.
