"Este es el lugar donde vivimos. En el punto azul ", dijo Carl Sagan después del lanzamiento de la famosa fotografía del " punto azul pálido ". La foto fue tomada por la sonda espacial Voyager 1 el 14 de febrero de 1990 desde una distancia de 6 mil millones de kilómetros. Hasta el día de hoy, esta fotografía sigue siendo la fotografía más lejana de la Tierra. En febrero de este año cumplió 30 años, en honor a lo cual fue procesada mediante modernos métodos digitales, y recibió una imagen aún más impactante. (se puede hacer clic) Una versión actualizada de la foto del "punto azul pálido" que utiliza programas y tecnologías modernos para el procesamiento de imágenes
Un punto azul pálido o una bola azul; en cualquier caso, nuestro planeta está asociado con el azul. Y dado que la Tierra es el único planeta habitado que conocemos, es razonable suponer que otros planetas habitados serán azules. Sin embargo, la realidad no es tan sencilla.
¿Qué es el color?
Los astrónomos se refieren al color como la intensidad de la luz en una longitud de onda particular. La luz es radiación electromagnética (EMP) que viaja a través del espacio como ondas en la superficie del agua. La longitud de onda determina el color. Por ejemplo, EMR con una longitud de onda de aproximadamente 450 nm nos parece azul.
Sin embargo, lo que la gente considera color en realidad representa solo una pequeña fracción de toda la longitud de onda del espectro electromagnético. Los telescopios pueden detectar espacios en el espectro que están más allá de lo que podemos ver con nuestros ojos. La radiación infrarroja o ultravioleta también se puede considerar "color". El cielo nocturno nos parecería mucho más brillante si pudiéramos ver todo el rango de EMP.
El próximo telescopio espacial James Webb puede detectar el espectro infrarrojo. Ondas infrarrojases más fácil atravesar el polvo y el gas interestelar que la luz visible. Como resultado, el telescopio podrá "ver" a través de estos obstáculos.
Y lo que es más interesante, el color puede decirnos mucho sobre el objeto en estudio. El color de una estrella está relacionado con la temperatura de su superficie. Las estrellas rojas son más frías, las estrellas azules son más calientes. El color también indica la composición del objeto. El color de la atmósfera está relacionado con la composición del aire. El color de la luz reflejada de una superficie indica las características de esa superficie. El color de un objeto espacial generalmente consta de varios colores.
La tierra no es solo azul, su color se mezcla con varios colores, cada uno de los cuales está asociado con ciertas superficies y gases. Cada superficie y cada gas en la atmósfera deja su propia firma única en las ondas de luz solar que caen sobre ellos y cambian su color como resultado. Cuando la luz golpea la hoja de una planta, la clorofila que contiene absorbe parte de la energía de la onda, reflejando las porciones verde e infrarroja de regreso al espacio. La interacción de la luz con la materia es estudiada por la ciencia de la espectroscopia.
Colores y reflectividad de varias superficies terrestres
Espectro EMP: tenga en cuenta que la luz que vemos (visible) es solo una pequeña parte de ella
¿Qué pasa con un mundo distante, un exoplaneta, que gira alrededor de una estrella? El color de un mundo distante puede informarnos sobre su habitabilidad. No podemos usar impulsores warp o ir al hiperespacio para alcanzar estos planetas, y en su lugar usar la información que recibimos de ellos a la velocidad de la luz.
Los principales problemas de los estudios espectrográficos de exoplanetas similares a la Tierra son dos.
Primero, nuestra generación actual de telescopios carece de resolución para distinguir la luz reflejada de un planeta del tamaño de la Tierra de la de su estrella. Para esto, las distancias a estos objetos son demasiado grandes (recuerde lo pequeña que parece la Tierra desde una distancia de 6 mil millones de km, y aquí estamos hablando de cientos de billones). La luz de la estrella y el planeta se fusionan.
Sabemos que existen exoplanetas, sabemos su tamaño, si son similares a la Tierra, alrededor de qué estrellas giran, pero hoy vemos poco más.
En segundo lugar, incluso si nuestros telescopios pueden estudiar la luz de un planeta individual, no tenemos una placa con colores que nos ayuden a descubrir qué es exactamente lo que vemos; no tenemos nada con qué compararnos. No sabemos cómo se vería otra Tierra, orbitando otra estrella, a cientos de años luz de distancia. Y nuestra Tierra se vería diferente a la luz de un sol rojo o azul.
Afortunadamente, ahora nos enfrentamos a ambos problemas.
Proyectos de telescopios del futuro
Una nueva generación de telescopios de alta resolución se vislumbra en el horizonte. Telescopios espaciales, en particular James Webb , HabEx y LUVOIR . Telescopios terrestres, por ejemplo, el telescopio gigante de Magallanes . Su resolución permitirá la separación de la luz de un planeta relativamente tenue y su estrella brillante.
Esperando un aumento en la resolución del telescopio, Jack Madden, PhD en astrofísica de la Universidad de Cornell, compiló una guía de colorespara mundos parecidos a la tierra que giran alrededor de otras estrellas. El manual, generado por simulaciones por computadora, puede usarse para interpretar los colores de los mundos que observamos y determinar su habitabilidad.
Un exoplaneta como este podría tener una atmósfera azul que se parezca a la de la Tierra. Bajo la luz de una estrella roja, tiene un tinte verdoso.
Madden creó Tierras simuladas combinando tipos de superficies que se encuentran en nuestro propio planeta: agua de mar, basalto, granito, arena, árboles, hierba, nieve y nubes. A algunos de los planetas simulados se les asignó un solo tipo de superficie, por ejemplo, planetas completamente cubiertos por junglas / bosques (como Endor de Return of the Jedi); mundos nevados (como Hoth de The Empire Strikes Back); mundos del desierto (Tatooine de A New Hope). Algunos se cuentan con una combinación de varios tipos, como la Tierra. Para cada uno de los planetas, se consideraron diferentes opciones, incluyendo aquellos con una cobertura de agua del 70%, como la de la Tierra, sin nubes en absoluto, o con una cobertura de nubes del 44%, como nuestra media.
Luego, estos planetas se colocaron en la zona habitable de estrellas simuladas, a tal distancia que recibieron suficiente energía para mantener el agua en la superficie en estado líquido. Las temperaturas de la superficie de las estrellas simuladas oscilaron entre 3900 K y 7400 K, correspondientes a 12 clases y subclases de estrellas , incluidas las clases F, G y K.
Este rango incluye estrellas más frías y rojas en comparación con nuestro Sol, que está en la clase G y tiene temperaturas superficiales. alrededor de 5770 K, y más caliente y azul. Incluso las estrellas de clase M más frías fueron excluidas de la lista. Para obtener suficiente energía, los planetas tendrían que orbitar tan cerca de ellos que estarían en riesgo de erupciones solares. Además, tales planetas llegarían arotación sincrónica con la estrella, y se giraría hacia ella con un lado.
Como resultado, se simularon 30 tipos diferentes de superficies planetarias y 12 tipos diferentes de estrellas. En total, se obtuvieron 360 planetas diferentes con longitudes de onda de 0,4 a 20 micrones (que corresponde al espectro de luz visible a infrarrojo).
“La Tierra es nuestro único ejemplo de mundo habitado. Cuanto mejor estemos preparados para encontrar un mundo que pueda apoyar la paz, pero no como la Tierra, antes podremos detectar signos de su existencia. Con telescopios a nuestra disposición que pueden detectar signos de vida en las atmósferas de planetas distantes, compilaremos un extenso conjunto de modelos con los que podemos comparar. Con base en las condiciones observadas, podremos averiguar qué tipos de superficies son capaces de mantener la temperatura necesaria para la existencia de agua líquida ”, escribió Jack Madden.
Un exoplaneta y su luna orbitando una estrella brillante de clase F a veces se alinean. La luz dispersa se refleja desde la parte superior de las nubes y forma una imagen ardiente para todos los observadores desde un cierto ángulo de visión.
Colores habitables
Los planetas simulados han permitido crear una guía para futuros telescopios con los que se prevé la caza de exoplanetas. Al comparar los espectros de las observaciones con planetas similares a la Tierra simulados, será más fácil comprender si estamos viendo un mundo selvático cubierto de nubes, un planeta oceánico, una roca sin aire o un mundo continental con muchos tipos de superficies diferentes, como la Tierra.
Las simulaciones también revelaron los detalles de la interacción entre la superficie del planeta y la luz que emana de la estrella. Por ejemplo, aunque las estrellas más frías emiten menos energía que las más calientes, calientan mundos similares a la tierra de manera más eficiente porque más radiación cae en el rango infrarrojo.
Los diferentes tipos de superficies, dependiendo de cómo absorben o reflejan la luz de una estrella en particular, también afectan la temperatura en la superficie del planeta. Las superficies azules estarán más frías bajo la luz de una estrella azul, mientras que las superficies rojas absorberán más luz azul y se calentarán.
El contraste de color del planeta también cambia debido a las propiedades de su superficie. Un planeta desértico que orbita una estrella de clase K tenue puede ser dos veces más brillante que un planeta cubierto de océano que orbita una estrella de clase F brillante: el agua de mar refleja menos luz que la arena.
El tipo de superficie de un planeta puede afectar significativamente su temperatura superficial y habitabilidad, así como también lo bien que se puede ver en nuestros telescopios, dependiendo del tipo de estrella. Esta información nos ayudará a seleccionar estrellas para que las observen nuestros futuros súper telescopios, y exoplanetas a los que podamos regresar después de aumentar la resolución.
Una muestra de una combinación de luz reflejada y emitida por exoplanetas simulados. Se representan planetas con el 30% de la superficie de diferentes tipos y el 70% de la superficie cubierta por agua de mar, así como con y sin nubes. El eje Y representa la cantidad de energía reflejada por una superficie determinada, el eje X representa las longitudes de onda.
Tener vida
La luz reflejada por la atmósfera de un planeta puede informarnos sobre su composición. Al pasar por la atmósfera del planeta, la luz de la estrella cambia debido a la presencia de algunos gases allí. Los telescopios pueden detectar estos cambios.
Simulando todos estos mundos, es posible simplificar la tarea de reconocer la presencia de gases como el metano y el oxígeno en la atmósfera de los planetas. Por lo general, el metano y el oxígeno se destruyen mutuamente, por lo que su presencia continua en la atmósfera del planeta (como sucede en la Tierra) puede ser un signo de procesos biológicos que están sucediendo allí, restaurando las reservas de uno o ambos gases.
Las plantas también se pueden ver a gran distancia gracias al llamado. El "efecto de borde rojo" en el rango de longitud de onda de aproximadamente 700 nm - luz roja e infrarroja cercana. Los planetas cubiertos de árboles simulados tienen un aumento dramático en la reflectividad en este punto del espectro. Las plantas terrestres reflejan la luz infrarroja para protegerse del sobrecalentamiento durante la fotosíntesis.
Hay otras posibilidades interesantes que no están incluidas en los modelos de Madden. Por ejemplo, no está claro cómo cambiará el espectro de un planeta, que no solo reflejará la luz, sino que también emitirá la suya propia. Esta luz puede ser el resultado de organismos bioluminiscentes en la superficie del planeta (como en Pandora de Avatar). Podremos descubrir tales oportunidades durante la futura búsqueda de planetas.
Madden no solo simula las características espectroscópicas de los planetas, sino que también realiza dibujos digitales sobre este tema. Algunas de sus obras se presentan en este artículo, el resto se puede encontrar en su sitio web .