رسم خرائط سطحية للكواكب الخارجية الشبيهة بالأرض باستخدام منحنيات الضوء نقطة واحدة
Summary
يستخرج البروتوكول المعلومات من منحنيات الضوء للكواكب الخارجية وينشئ خرائط سطحها. ويستخدم منحنيات خفيفة من الأرض، والتي هي بمثابة كوكب خارجي بالوكالة، لإثبات النهج.
Abstract
إن حل خصائص الكواكب الخارجية من نقطة واحدة أمر ضروري لتقييم إمكانية قابلية الكواكب الخارجية للسكن. والهدف النهائي لهذا البروتوكول هو تحديد ما إذا كانت هذه العوالم الكوكبية تضم سمات جيولوجية و/أو أنظمة مناخية. نقدم طريقة لاستخراج المعلومات من منحنيات الضوء أحادية الطول الموجي المتعددة واسترجاع الخرائط السطحية. ويستخدم التحلل من حيث القيمة المفردة (SVD) لفصل المصادر التي تسهم في تغير المنحنى الضوئي والاستدلال على وجود أنظمة مناخية غائمة جزئياً. ومن خلال تحليل السلاسل الزمنية التي تم الحصول عليها من نظام SVD، يمكن الاستدلال على المكونات المادية للمكونات الرئيسية دون افتراضات بشأن أي خصائص طيفية. وبالجمع بين هندسة المشاهدة، من الممكن إعادة بناء الخرائط السطحية إذا وجد أن أحد أجهزة الكمبيوتر يحتوي على معلومات سطحية. إنّ الهدّان نشأت من التواء هندسة البكسل ومعلومات الطيف الذي يحدد جودة الخرائط السطحية المعاد بناؤها، الأمر الذي يتطلب إدخال الانتظام. لغرض إظهار البروتوكول ، يتم تحليل منحنيات الضوء متعدد الأطوال الموجية للأرض ، والتي تعمل بمثابة كوكب خارجي بالوكالة. يتم عرض المقارنة بين النتائج والحقيقة الأساسية لإظهار أداء البروتوكول وحدوده. ويوفر هذا العمل معياراً للتعميم المستقبلي لتطبيقات الكواكب الخارجية.
Introduction
تحديد عوالم صالحة للسكن هو واحد من الأهداف النهائية في علم الأحياء الفلكية1. منذ الكشف الأول2، أكثر من 4000 الكواكب الخارجية وقد تم تأكيد حتى الآن3 مع عدد من النظير الأرض (على سبيل المثال ، TRAPPIST – 1e)4. هذه الكواكب لها خصائص مدارية وكوكبية مماثلة لتلك الموجودة في الأرض، وبالتالي يمكن أن تكون صالحة للسكن. ومن الضروري في هذا السياق تقييم صلاحيتها للسكن من خلال ملاحظات محدودة. واستنادا إلى معرفة الحياة على الأرض، تعتبر النظم الجيولوجية والمناخية حاسمة الأهمية بالنسبة للصلاحية للسكن، التي يمكن أن تكون بالتالي بمثابة توقيعات بيولوجية. ومن حيث المبدأ، يمكن ملاحظة ملامح هذه النظم من مسافة بعيدة حتى عندما لا يمكن حل كوكب ما مكانياً أفضل من نقطة واحدة. وفي هذه الحالة، فإن تحديد المعالم الجيولوجية والنظم المناخية من منحنيات الضوء ذات النقطة الواحدة أمر ضروري عند تقييم صلاحية الكواكب الخارجية للسكن. يصبح رسم الخرائط السطحية لهذه الكواكب الخارجية أمراً ملحاً.
على الرغم من الالتواء بين هندسة المشاهدة والخصائص الطيفية، يتم تضمين معلومات سطح الكوكب الخارجي في منحنيات الضوء ذات النقطة الواحدة التي تم حلها زمنيًا، والتي يمكن الحصول عليها من مسافة بعيدة، والتي يتم الحصول عليها بملاحظات كافية. ومع ذلك، فإن رسم الخرائط السطحية ثنائية الأبعاد للكواكب الخارجية التي يمكن أن تكون صالحة للسكن على الأرض يشكل تحدياً بسبب تأثير السحب. وقد تم تطوير واختبار أساليب استرجاع الخرائط 2D باستخدام منحنيات الإضاءة محاكاة والأطياف المعروفة5،6،7،8، لكنها لم تطبق على الملاحظات الحقيقية. وعلاوة على ذلك، قد تكون افتراضات الأطياف المميزة مثيرة للجدل في تحليلات عمليات رصد الكواكب الخارجية في الوقت الحاضر وفي المستقبل القريب عندما لا تكون التراكيب السطحية الكوكبية مقيدة بشكل جيد.
في هذه الورقة، نُظهر تقنية رسم خرائط سطحية للكواكب الخارجية الشبيهة بالأرض. نحن نستخدم SVD لتقييم وفصل المعلومات من مصادر مختلفة التي ترد في منحنيات ضوء متعدد الطول الموجي دون افتراضات من أي أطياف محددة. جنبا إلى جنب مع هندسة العرض، ونحن نقدم إعادة بناء الخرائط السطحية باستخدام معلومات سطحية حل في الوقت المناسب ولكن معقدة مكانيا. ولغرض إثبات هذه الطريقة، يجري تحليل عمليات رصد الأرض ذات الطول الموجي المتعدد الطول لمدة سنتين من نقطة واحدة يحصل عليها مرصد المناخ السحيق/كاميرا التصوير متعدد الألوان للأرض (DSCOVR/EPIC؛ www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html). نحن نستخدم الأرض ككوكب خارجي بالوكالة لتقييم هذه الطريقة لأن عمليات الرصد المتاحة حاليًا للكواكب الخارجية ليست كافية. نرفق الرمز مع ورقة كمثال. وقد تم تطويره تحت الثعبان 3.7 مع حزم أناكوندا و healpy ، ولكن يمكن أيضا أن يتم الرياضيات من البروتوكول في بيئات البرمجة الأخرى (على سبيل المثال ، IDL أو MATLAB).
Protocol
Representative Results
Discussion
وأحد المتطلبات الحاسمة للبروتوكول هو جدوى استخراج المعلومات السطحية من منحنيات الضوء، التي تعتمد على تغطية السحابة. في الخطوة 3.5.1، قد تختلف القيم النسبية لأجهزة الكمبيوتر الشخصية بين الكواكب الخارجية. في حالة الأرض، أول جهازي كمبيوتر تهيمن على الاختلافات منحنى الضوء، وتتوافق مع السحب ا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل جزئياً مختبر الدفع النفاث، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بموجب عقد مع وكالة ناسا. YLY الاعتراف بالدعم من قبل مختبر الكواكب الافتراضية في جامعة واشنطن.
Materials
| Python 3.7 with anaconda and healpy packages | Other programming environments (e.g., IDL or MATLAB) also work. |
References
- Schwieterman, E. W., et al. Exoplanet Biosignatures: A Review of Remotely Detectable Signs of Life. Astrobiology. 18 (6), 663-708 (2018).
- Campbell, B., Walker, G. A. H., Yang, S. A Search for Substellar Companions to Solar-type Stars. The Astrophysical Journal. 331, 902 (1988).
- NASA. . NASA Exoplanet Archive (2019) Confirmed Planets Table. , (2019).
- Gillon, M., et al. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1. Nature. 542 (7642), 456-460 (2017).
- Kawahara, H., Fujii, Y. Global Mapping of Earth-like Exoplanets from Scattered Light Curves. The Astrophysical Journal. 720 (2), 1333 (2010).
- Fujii, Y., Kawahara, H. Mapping Earth Analogs from Photometric Variability: Spin-Orbit Tomography for Planets in Inclined Orbits. The Astrophysical Journal. 755 (2), 101 (2012).
- Cowan, N. B., Fujii, Y. Mapping Exoplanets. Handbook of Exoplanets. , (2018).
- Farr, B., Farr, W. M., Cowan, N. B., Haggard, H. M., Robinson, T. exocartographer: A Bayesian Framework for Mapping Exoplanets in Reflected Light. The Astronomical Journal. 156 (4), 146 (2018).
- Lomb, N. R. Least-Squares Frequency Analysis of Unequally Spaced Data. Astrophysics and Space Science. 39 (2), 447 (1976).
- Scargle, J. D. Studies in astronomical time series analysis. II. Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data. The Astrophysical Journal. 263, 835 (1982).
- Górski, K. M., et al. HEALPix: A Framework for High-Resolution Discretization and Fast Analysis of Data Distributed on the Sphere. The Astrophysical Journal. 622 (2), 759 (2005).
- Jiang, J. H., et al. Using Deep Space Climate Observatory Measurements to Study the Earth as an Exoplanet. The Astronomical Journal. 156 (1), 26 (2018).
- Fan, S., et al. Earth as an Exoplanet: A Two-dimensional Alien Map. The Astrophysical Journal Letters. 882 (1), 1 (2019).
- Cowan, N. B., Strait, T. E. Determining Reflectance Spectra of Surfaces and Clouds on Exoplanets. The Astrophysical Journal Letters. 765 (1), 17 (2013).
- Fujii, Y., Lustig-Yaeger, J., Cowan, N. B. Rotational Spectral Unmixing of Exoplanets: Degeneracies between Surface Colors and Geography. The Astronomical Journal. 154 (5), 189 (2017).
- Kawahara, H., Fujii, Y. Mapping Clouds and Terrain of Earth-like Planets from Photomertic Variability: Demonstration with Planets in Face-on Orbits. The Astrophysical Journal Letters. 739 (2), 62 (2011).
- Kawahara, H. Frequency Modulation of Directly Imaged Exoplanets: Geometric Effect as a Probe of Planetary Obliquity. The Astrophysical Journal. 822 (2), 112 (2016).
- Schwartz, J. C., Sekowski, C., Haggard, H. M., Pall ́e, E., Cowan, N. B. Inferring planetary obliquity using rotational and orbital photometry. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 457 (1), 926-938 (2016).
