Oberflächenkartierung erdähnlicher Exoplaneten mit Single-Point-Lichtkurven

Das Identifizieren bewohnbarer Welten ist eines der ultimativen Ziele in der Astrobiologie¹. Seit der ersten Detektion²wurden bisher mehr als 4000 Exoplaneten³ mit einer Reihe von Erdanalogen (z.B. TRAPPIST-1e)⁴bestätigt. Diese Planeten haben orbitale und planetare Eigenschaften, die denen der Erde ähneln, und sind daher potenziell bewohnbar. Die Bewertung ihrer Bewohnbarkeit anhand begrenzter Beobachtungen ist in diesem Zusammenhang von wesentlicher Bedeutung. Basierend auf dem Wissen über das Leben auf der Erde sind geologische und Klimasysteme entscheidend für die Bewohnbarkeit, die daher als Biosignaturen dienen können. Prinzipiell könnten Merkmale dieser Systeme aus der Ferne beobachtet werden, selbst wenn ein Planet nicht räumlich besser gelöst werden könnte als ein einziger Punkt. In diesem Fall ist die Identifizierung geologischer Merkmale und Klimasysteme aus Einpunktlichtkurven bei der Beurteilung der Bewohnbarkeit von Exoplaneten von entscheidender Bedeutung. Die Oberflächenkartierung dieser Exoplaneten wird dringend.

Trotz der Faltung zwischen Betrachtungsgeometrie und spektralen Merkmalen sind Informationen über die Oberfläche eines Exoplaneten in seinen zeitaufgelösten Einpunktlichtkurven enthalten, die aus einer Entfernung erhalten und mit ausreichenden Beobachtungen abgeleitet werden können. Die zweidimensionale (2D) Oberflächenkartierung potenziell bewohnbarer erdähnlicher Exoplaneten ist jedoch aufgrund des Einflusses von Wolken eine Herausforderung. Methoden zum Abrufen von 2D-Karten wurden mit simulierten Lichtkurven und bekannten Spektren^5,6,7,8, getestet, aber sie wurden nicht auf reale Beobachtungen angewendet. Darüber hinaus können bei den Analysen von Exoplanetenbeobachtungen jetzt und in naher Zukunft Annahmen von charakteristischen Spektren kontrovers sein, wenn die planetarischen Oberflächenzusammensetzungen nicht gut eingeschränkt sind.

In diesem Beitrag zeigen wir eine Oberflächenkartierungstechnik für erdähnliche Exoplaneten. Wir verwenden SVD, um Informationen aus verschiedenen Quellen auszuwerten und zu trennen, die in Lichtkurven mit mehreren Wellenlängen enthalten sind, ohne dass bestimmte Spektren angenommen werden. In Kombination mit der Betrachtungsgeometrie präsentieren wir die Rekonstruktion von Oberflächenkarten mit zeitnah aufgelösten, aber räumlich verworrenen Oberflächeninformationen. Zum Nachweis dieser Methode werden zweijährige mehrwellige Einpunktbeobachtungen der Erde analysiert, die von der Deep Space Climate Observatory/Earth Polychromatic Imaging Camera (DSCOVR/EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html) erhalten wurden. Wir verwenden die Erde als Proxy-Exoplaneten, um diese Methode zu bewerten, da derzeit verfügbare Beobachtungen von Exoplaneten nicht ausreichen. Als Beispiel fügen wir den Code dem Papier bei. Es wird unter Python 3.7 mit Anaconda- und Healpy-Paketen entwickelt, aber die Mathematik des Protokolls kann auch in anderen Programmierumgebungen (z.B. IDL oder MATLAB) durchgeführt werden.