Surface Mapping van aarde-achtige exoplaneten met behulp van Single Point Lichtcurven

Het identificeren van bewoonbare werelden is een van de ultieme doelen in astrobiologie^1. Sinds de eerste detectie²zijn tot op heden meer dan 4000 exoplaneten bevestigd^met een aantal aardanalogieën (bijvoorbeeld TRAPPIST-1e)⁴. Deze planeten hebben orbitale en planetaire eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van de aarde, en zijn daarom potentieel bewoonbaar. In dit verband is het van essentieel belang dat hun bewoonbaarheid wordt geëvalueerd op uit beperkte waarnemingen. Op basis van de kennis van het leven op aarde zijn geologische en klimaatsystemen van cruciaal belang voor de bewoonbaarheid, die dus als biosignatuur kunnen dienen. In principe kunnen kenmerken van deze systemen van een afstand worden waargenomen, zelfs wanneer een planeet niet beter dan één enkel punt ruimtelijk kon worden opgelost. In dit geval is het identificeren van geologische kenmerken en klimaatsystemen van enkelpuntige lichtcurven essentieel bij de beoordeling van de bewoonbaarheid van exoplaneten. Oppervlaktemapping van deze exoplaneten wordt urgent.

Ondanks de convolutie tussen het bekijken van geometrie en spectrale kenmerken, is informatie van het oppervlak van een exoplaneet opgenomen in de tijd-opgeloste single-point lichtcurven, die kunnen worden verkregen van een afstand, en afgeleid met voldoende waarnemingen. Echter, twee-dimensionale (2D) oppervlakte mapping van potentieel bewoonbare Aarde-achtige exoplaneten is een uitdaging als gevolg van de invloed van wolken. Methoden voor het ophalen van 2D-kaarten zijn ontwikkeld en getest met behulp van gesimuleerde lichtcurven en bekende spectra^5,6,7,8, maar ze zijn niet toegepast op echte waarnemingen. Bovendien kunnen in de analyses van exoplaneetwaarnemingen nu en in de nabije toekomst veronderstellingen van karakteristieke spectra controversieel zijn wanneer de planetaire oppervlaktecomposities niet goed beperkt zijn.

In deze paper demonstreren we een oppervlaktemappingtechniek voor aardachtige exoplaneten. We gebruiken SVD om informatie te evalueren en te scheiden van verschillende bronnen die zijn opgenomen in meergolflengte lichtcurven zonder aannames van specifieke spectra. In combinatie met de weergavegeometrie presenteren we de reconstructie van oppervlaktekaarten met behulp van tijdige opgeloste maar ruimtelijk ingewikkelde oppervlakte-informatie. Om deze methode aan te tonen, worden twee jaar lang multigolflengte enkelpuntwaarnemingen van de aarde die zijn verkregen door de Deep Space Climate Observatory/Earth Polychromatic Imaging Camera (DSCOVR/EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html) geanalyseerd. We gebruiken de Aarde als proxy exoplaneet om deze methode te beoordelen, omdat de momenteel beschikbare waarnemingen van exoplaneten niet voldoende zijn. We voegen de code bij het papier als voorbeeld. Het is ontwikkeld onder python 3.7 met anaconda en healpy pakketten, maar de wiskunde van het protocol kan ook worden gedaan in andere programmeeromgevingen (bijvoorbeeld IDL of MATLAB).