Астрофизики смоделировали процесс исследования атмосфер экзопланет и выявление признаков жизни на них при помощи космических телескопов, используя в качестве полигона атмосферу Земли. Её состав и наличие в ней газов-биосигнатур, в частности, озона, изучили так же, как исследуют атмосферы экзопланет — по спектру излучения звезды (Солнца) во время прохождения планеты перед ней. Свет от Солнца, преломлённый в атмосфере Земли, исследовали при помощи космического телескопа Hubble после его отражения от поверхности Луны во время полного лунного затмения.
До этого Hubble уже использовался для анализа атмосферы планет классов газовых гигантов и «супер-Земель» (каменных планет с массой до десяти масс Земли). Как правило, о целенаправленном поиске биосигнатур пока речь не шла, тем более что большинство этих планет находилось на орбитах явно вне пределов, в которых имеет смысл подозревать существование жизни, например, на «горячих Юпитерах» — газовых гигантах на очень близких к звезде орбитах с периодом обращения вокруг звезды в несколько суток или часов. Осенью 2019 года Hubble впервые обнаружил водяной пар в атмосфере экзопланеты на расстоянии 124 световых года, находящейся в «зоне обитаемости» своей звезды. Эта планета, открытая космическим телескопом Kepler, относится к классу «супер-Земель» и вращается вокруг небольшой звезды (красного карлика) K2-18 в созвездии Льва. Но исследование атмосферы планеты размером с Землю, тем более поиск биосигнатур — более сложная задача.
Исследователи задались вопросом — насколько надёжно мы можем обнаружить признаки жизни при их наличии, или биосигнатуры, на удалённой экзопланете, исследуя её атмосферу в свете от её звезды. Работа авторов из Центра космических полётов Годдарда NASA (Goddard Space Flight Center) и университета Колорадо (Боулдер) опубликована 6 августа 2020 года в The Astronomical Journal (также статья свободно доступна как препринт на arXiv.org). Планетологи рассмотрели Землю как обычную экзопланету, свойства атмосферы которой можно изучать, наблюдая её прохождение по диску Солнца, и задались вопросом, каким образом можно найти в её атмосфере биосигнатуры при наблюдении издали. Поверхность Луны использовалась как «приёмник» излучения и как зеркало, от которого отражался преломлённый в земной атмосфере солнечный свет, фиксируемый затем космическим телескопом Hubble во время полного лунного затмения 21 января 2019 года.
Даже во время полного лунного затмения, когда Луна полностью находится в тени Земли, на небе чётко можно различить её диск, окрашенный в багрово-красные тона. Это происходит из-за того, что Луна в этот момент освещается светом Солнца, который преломляется в атмосфере Земли и отражается от неё в космос. Такая подсветка оказывается настолько яркой, что на Луне во время затмения легко различаются основные её геологические структуры — «моря», «горы» и кратеры, почти так же, как их видно на диске в полнолуние. Такое же явление наблюдается и вблизи новолуния, когда виден узкий серп Луны; только в этом случае подсветкой выступает свет, отражённый от всей поверзности дневного полушария Земли. При этом Земля в лунном небе светит в несколько раз ярче, чем Луна в полнолуние, а само явление называется «пепельный свет Луны».
В качестве возможных биосигнатур рассматривают различные газы, которые могут образовываться при участии живых организмов, — это кислород, метан, озон, даже угарный газ (см. отдельную заметку об этом) и др. Озон O3 представляется хорошим биомаркером, так как он образуется как побочный продукт фотосинтеза. Идея подобных экспериментов не нова, они и раньше проводились при помощи наземных телескопов. В частности, исследование «High-resolution spectroscopy and spectropolarimetry of the total lunar eclipse January 2019» также использовало лунное затмение в январе 2019 года для изучения спектра солнечного света, преломлённого в земной атмосфере и затем отражённого от светлого участка на поверхности Луны. Работа астрофизиков из космического центра Годдарда — первый случай, когда съёмка спектра излучения при полном лунном затмении проводилась с космического телескопа. Это позволило исследовать ближнюю ультрафиолетовую часть спектра, в которой располагаются характерные линии поглощения озона. Для телескопов на Земле ультрафиолетовое излучение от удалённых космических объектов почти недоступно, потому что оно поглощается земной атмосферой, а поиск особых спектральных линий от газов в атмосфере планет затрудняется тем, что такие же газы присутствуют в атмосфере Земли.
Телескоп Hubble позволил исследовать ближний ультрафиолетовый диапазон длин волн 1700—3200 Å (ангстрем = 10−10 м; 1 Å = 10 нм). Именно этот диапазон интересен с точки зрения поиска озона, потому что одна из широких областей поглощения для O3, так называемая полоса Хартли—Хаггинса, как раз располагается на участке спектра 2000—3500 Å, но в этом диапазоне нет характерных полос от других распространённых компонентов атмосферы — в частности, азота и кислорода. Инструмент на борту «Хаббла» — это спектрограф STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph). Время «Хаббла» выделяется по запросам для различных исследовательских задач примерно так же, как в 1980-х годах выделялось время на вычислительных машинах. Для наблюдений Луны у астрономов как раз оказались в распоряжении три его витка по орбите — в полутеневой и теневой фазе лунного затмения и «спектр сравнения» после выхода Луны из тени. Благодаря этому из сигнала можно выделить именно линии поглощения земной атмосферы, исключив спектральный состав солнечного излучения и поправки из-за отражения от лунной поверхности. В результате полученные спектры полутеневой и теневой фазы затмения несколько отличались по своей информативности. Так, упомянутые полосы Хартли—Хаггинса удалось идентифицировать только во время полутеневой фазы. В обеих фазах проявилась другая характерная полоса поглощения озона, уже в видимом свете. Полутеневая фаза затмения наиболее близка к ситуациям транзита экзопланеты на фоне звезды, потому что планета меньше звезды и не может закрыть весь свет от неё.
Результаты показывают, как могут выглядеть спектры пропускания в оптическом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах волн для экзопланет, похожих на Землю. Но авторы специально оговаривают, что даже обнаружение озона в атмосфере такой планеты не гарантирует существования жизни на ней, поэтому необходимо искать несколько биосигнатур, например озон и метан.
Небольшой видеофильм центра Nasa Goddard об «открытии» жизни на Земле «Хабблом».