«C'est ici que nous vivons. Sur le point bleu », a déclaré Carl Sagan après la sortie de la célèbre photographie du « point bleu pâle ». La photo a été prise par la sonde spatiale Voyager 1 le 14 février 1990 à une distance de 6 milliards de km. À ce jour, cette photographie reste la photographie la plus éloignée de la Terre. En février de cette année, elle a eu 30 ans, en l'honneur de laquelle elle a été traitée à l'aide de méthodes numériques modernes et a reçu une image encore plus impressionnante. (cliquable) Une version mise à jour de la photo "point bleu pâle" utilisant des programmes et des technologies modernes de traitement d'image
Un point bleu pâle ou une boule bleue - dans tous les cas, notre planète est associée au bleu. Et puisque la Terre est la seule planète habitée que nous connaissons, il est raisonnable de supposer que les autres planètes habitées seront bleues. Cependant, la réalité n'est pas si simple.
Qu'est-ce que la couleur?
Les astronomes appellent la couleur l'intensité de la lumière à une longueur d'onde particulière. La lumière est un rayonnement électromagnétique (PEM) qui se propage dans l'espace comme des ondes à la surface de l'eau. La longueur d'onde détermine la couleur. Par exemple, un EMR avec une longueur d'onde d'environ 450 nm nous paraît bleu.
Cependant, ce que les gens considèrent comme la couleur ne représente en réalité qu'une petite fraction de la longueur d'onde entière du spectre électromagnétique. Les télescopes peuvent détecter des lacunes dans le spectre qui sont au-delà de ce que nous pouvons voir avec nos yeux. Le rayonnement infrarouge ou ultraviolet peut également être considéré comme "couleur". Le ciel nocturne nous semblerait beaucoup plus lumineux si nous pouvions voir toute la gamme d'IEM.
Le futur télescope spatial James Webb peut détecter le spectre infrarouge. Ondes infrarougesil est plus facile de traverser la poussière et les gaz interstellaires que la lumière visible. En conséquence, le télescope pourra "voir" à travers ces obstacles.
Et ce qui est le plus intéressant, la couleur peut nous en dire long sur l'objet étudié. La couleur d'une étoile est liée à sa température de surface. Les étoiles rouges sont plus froides, les étoiles bleues sont plus chaudes. La couleur indique également la composition de l'objet. La couleur de l'atmosphère est liée à la composition de l'air. La couleur de la lumière réfléchie par une surface indique les caractéristiques de cette surface. La couleur d'un objet spatial se compose généralement de plusieurs couleurs.
La terre n'est pas que bleue, sa couleur est mélangée à plusieurs couleurs, dont chacune est associée à certaines surfaces et gaz. Chaque surface et chaque gaz dans l'atmosphère laisse sa propre signature unique sur les ondes de soleil qui les frappent et changent de couleur en conséquence. Lorsque la lumière atteint une feuille de plante, la chlorophylle qu'elle contient absorbe une partie de l'énergie de l'onde, réfléchissant les parties verte et infrarouge dans l'espace. L'interaction de la lumière avec la matière est étudiée par la science de la spectroscopie.
Couleurs et réflectivité de diverses surfaces terrestres
Spectre EMP - notez que la lumière que nous voyons (visible) n'en est qu'une petite partie
Qu'en est-il d'un monde lointain - une exoplanète - en orbite autour d'une étoile? La couleur d'un monde lointain peut nous renseigner sur son habitabilité. Nous ne pouvons pas utiliser de lecteurs de distorsion ou aller dans l'hyperespace pour atteindre ces planètes, et utiliser à la place les informations que nous recevons d'elles à la vitesse de la lumière.
Les études spectrographiques d'exoplanètes similaires à la Terre posent deux problèmes principaux.
Premièrement, notre génération actuelle de télescopes n'a pas la résolution nécessaire pour distinguer la lumière réfléchie par une planète de la taille de la Terre de celle de son étoile. Pour cela, les distances à ces objets sont trop éloignées (rappelez-vous à quel point la Terre semble petite à une distance de 6 milliards de km - et nous parlons ici de centaines de billions). La lumière de l'étoile et de la planète se confond.
Nous savons que les exoplanètes existent, nous connaissons leur taille, si elles sont similaires à la Terre, autour de quelles étoiles elles tournent - mais aujourd'hui, nous ne voyons rien d'autre.
Deuxièmement, même si nos télescopes peuvent étudier la lumière d'une planète individuelle, nous n'avons pas de plaque avec des couleurs qui nous aideraient à comprendre exactement ce que nous voyons - nous n'avons rien à comparer. Nous ne savons pas à quoi ressemblerait une autre Terre, en orbite autour d'une autre étoile, à des centaines d'années-lumière. Et notre Terre aurait une apparence différente à la lumière d'un soleil rouge ou bleu.
Heureusement, nous sommes maintenant aux prises avec les deux problèmes.
Projets de télescope du futur
Une nouvelle génération de télescopes à haute résolution se profile à l'horizon. Télescopes spatiaux, notamment James Webb , HabEx et LUVOIR . Télescopes au sol - par exemple, le télescope géant de Magellan . Leur résolution permettra de séparer la lumière d'une planète relativement sombre et de son étoile brillante.
S'attendant à une augmentation de la résolution du télescope, Jack Madden, étudiant au doctorat en astrophysique à l'Université Cornell, a compilé un guide des couleurspour des mondes terrestres tournant autour d'autres étoiles. Le manuel, créé à partir de simulations informatiques, peut être utilisé pour interpréter les couleurs des mondes que nous observons et déterminer leur habitabilité.
Une exoplanète comme celle-ci pourrait avoir une atmosphère bleue qui ressemble à celle de la Terre. Sous la lumière d'une étoile rouge, il a une teinte verdâtre.
Madden a créé des Terres simulées en combinant des types de surface trouvés sur notre propre planète: eau de mer, basalte, granit, sable, arbres, herbe, neige et nuages. Certaines des planètes simulées ont reçu un seul type de surface - par exemple, des planètes complètement couvertes par la jungle / les forêts (comme Endor de Return of the Jedi); mondes enneigés (comme Hoth de The Empire Strikes Back); mondes du désert (Tatooine de A New Hope). Certains sont comptés avec une combinaison de plusieurs types, comme la Terre. Pour chacune des planètes, différentes options ont été envisagées, y compris celles avec une couverture d'eau à 70%, comme celle de la Terre, sans nuages du tout, ou avec une couverture nuageuse de 44%, comme notre moyenne.
Ensuite, ces planètes ont été placées dans la zone habitable des étoiles simulées - à une distance telle qu'elles ont reçu suffisamment d'énergie pour maintenir l'eau à la surface à l'état liquide. Les températures de surface des étoiles simulées ont varié de 3 900 K à 7400 K, ce qui correspond à 12 classes et sous - classes d'étoiles , y compris les classes F, G et K.
Cette gamme comprend à la fois plus fraîche et les étoiles les plus rouges par rapport à notre Soleil, qui est dans la classe G et a des températures de surface environ 5770 K, et plus chaud et plus bleu. Les étoiles de classe M encore plus froides ont été exclues de la liste. Pour obtenir suffisamment d'énergie, les planètes devraient orbiter si près d'elles qu'elles risqueraient de provoquer des éruptions solaires. De plus, de telles planètes viendraient àrotation synchrone avec l'étoile, et serait tourné vers elle avec un côté.
En conséquence, 30 types différents de surfaces planétaires et 12 types différents d'étoiles ont été simulés. Au total, 360 planètes différentes ont été obtenues avec des longueurs d'onde de 0,4 à 20 microns (ce qui correspond au spectre de la lumière visible à l'infrarouge).
«La Terre est notre seul exemple de monde habité. Mieux nous sommes préparés à trouver un monde qui peut soutenir la paix, mais pas comme la Terre, plus tôt nous pourrons détecter des signes de son existence. Avec des télescopes à notre disposition capables de détecter des signes de vie dans les atmosphères de planètes lointaines, nous compilerons un vaste ensemble de modèles avec lesquels nous pourrons comparer. Sur la base des conditions observées, nous pourrons découvrir quels types de surfaces sont capables de maintenir la température nécessaire à l'existence de l'eau liquide », écrit Jack Madden.
Une exoplanète et sa lune en orbite autour d'une étoile brillante de classe F s'alignent parfois. La lumière diffusée est réfléchie par le sommet des nuages et forme une image enflammée pour tous les observateurs sous un certain angle de vue.
Couleurs habitables
Les planètes simulées ont permis de créer un guide pour les futurs télescopes avec lesquels il est prévu de chasser les exoplanètes. En comparant les spectres d'observations avec des planètes simulées semblables à la Terre, il sera plus facile de comprendre si nous voyons un monde de jungle couvert de nuages, une planète océanique, une roche sans air ou un monde continental avec de nombreux types de surface différents comme la Terre.
Les simulations ont également révélé les détails de l'interaction entre la surface de la planète et la lumière émanant de l'étoile. Par exemple, bien que les étoiles plus froides émettent moins d'énergie que les plus chaudes, elles chauffent plus efficacement les mondes terrestres car plus de rayonnement tombe dans la gamme infrarouge.
Différents types de surfaces, selon la façon dont elles absorbent ou réfléchissent la lumière d'une étoile particulière, affectent également la température à la surface de la planète. Les surfaces bleues seront plus froides sous la lumière d'une étoile bleue, tandis que les surfaces rouges absorberont plus de lumière bleue et se réchaufferont.
Le contraste de couleur de la planète change également en raison des propriétés de sa surface. Une planète désertique en orbite autour d'une étoile sombre de classe K peut être deux fois plus brillante qu'une planète couverte d'océan en orbite autour d'une étoile brillante de classe F: l'eau de mer réfléchit moins de lumière que le sable.
Le type de surface d'une planète peut affecter de manière significative sa température de surface et son habitabilité, ainsi que sa visibilité dans nos télescopes, en fonction du type de son étoile. Ces informations nous aideront à sélectionner les étoiles que nos futurs super télescopes pourront observer et les exoplanètes vers lesquelles nous pourrons revenir après avoir augmenté la résolution.
Un échantillon d'une combinaison de lumière réfléchie et émise par des exoplanètes simulées. Des planètes avec 30% de la surface de différents types et 70% de la surface couverte par l'eau de mer, ainsi qu'avec et sans nuages sont représentées. L'axe Y représente la quantité d'énergie réfléchie par une surface donnée, l'axe X représente les longueurs d'onde.
Avoir la vie
La lumière réfléchie par l'atmosphère d'une planète peut nous renseigner sur sa composition. En traversant l'atmosphère de la planète, la lumière de l'étoile change en raison de la présence de certains gaz. Les télescopes peuvent détecter ces changements.
En simulant tous ces mondes, il est possible de simplifier la tâche de reconnaissance de la présence de gaz tels que le méthane et l'oxygène dans l'atmosphère des planètes. Habituellement, le méthane et l'oxygène sont mutuellement détruits, de sorte que leur présence continue dans l'atmosphère de la planète (comme cela se produit sur Terre) peut être le signe de processus biologiques qui s'y déroulent, rétablissant les réserves d'un ou des deux gaz.
Les plantes peuvent également être vues de loin grâce à ce qu'on appelle. L '«effet de bord rouge» dans la gamme de longueurs d'onde d'environ 700 nm - lumière rouge et proche infrarouge. Les planètes couvertes d'arbres simulées ont une augmentation spectaculaire de la réflectivité à ce point du spectre. Les plantes terrestres réfléchissent la lumière infrarouge pour se protéger de la surchauffe pendant la photosynthèse.
Il existe d'autres possibilités intéressantes qui ne sont pas incluses dans les modèles de Madden. Par exemple, on ne sait pas comment le spectre d'une planète changera, qui non seulement reflétera la lumière, mais émettra également la sienne. Cette lumière peut être le résultat d' organismes bioluminescents à la surface de la planète (comme sur Pandora d'Avatar). Nous pourrons découvrir de telles opportunités lors de la future chasse aux planètes.
Madden simule non seulement les caractéristiques spectroscopiques des planètes, mais réalise également des dessins numériques sur ce sujet. Certaines de ses œuvres sont présentées dans cet article, le reste se trouve sur son site internet .