Mappatura superficiale di esopianeti simili alla Terra utilizzando curve di luce a punto singolo
Summary
Il protocollo estrae informazioni dalle curve di luce degli esopianeti e costruisce le loro mappe di superficie. Usa curve di luce della Terra, che funge da esopianeta proxy, per dimostrare l’approccio.
Abstract
La risoluzione spaziale delle caratteristiche degli esopianeti dalle osservazioni a punto singolo è essenziale per valutare la potenziale abitabilità degli esopianeti. L’obiettivo finale di questo protocollo è determinare se questi mondi planetari ospitano caratteristiche geologiche e /o sistemi climatici. Presentiamo un metodo per estrarre informazioni da curve di luce a punto singolo multi-lunghezza d’onda e recuperare mappe di superficie. Utilizza la decomposizione del valore singolare (SVD) per separare le fonti che contribuiscono alle variazioni della curva di luce e dedurre l’esistenza di sistemi climatici parzialmente nuvolosi. Attraverso l’analisi delle serie temporali ottenute dall’SVD, le attribuzioni fisiche dei componenti principali (PC) potrebbero essere dedotte senza ipotesi di proprietà spettrali. Combinandosi con la geometria di visualizzazione, è possibile ricostruire le mappe di superficie se si riscontra che uno dei PC contiene informazioni sulla superficie. La degenerazione originata dalla convoluzione della geometria dei pixel e delle informazioni sullo spettro determina la qualità delle mappe superficiali ricostruite, il che richiede l’introduzione della regolarizzazione. Allo scopo di dimostrare il protocollo, vengono analizzate le curve di luce a più lunghezze d’onda della Terra, che funge da esopianeta proxy. Viene presentato il confronto tra i risultati e la verità fondamentale per mostrare le prestazioni e la limitazione del protocollo. Questo lavoro fornisce un punto di riferimento per la futura generalizzazione delle applicazioni degli esopianeti.
Introduction
Identificare mondi abitabili è uno degli obiettivi finali dell’astrobiologia1. Dal primo rilevamento2,più di 4000 esopianeti sono stati confermati fino adoggi 3 con un certo numero di analoghi terrestri (ad esempio, TRAPPIST-1e)4. Questi pianeti hanno proprietà orbitali e planetarie simili a quelle della Terra, e quindi sono potenzialmente abitabili. Valutare la loro abitabilità da osservazioni limitate è essenziale in questo contesto. Sulla base della conoscenza della vita sulla Terra, i sistemi geologici e climatici sono fondamentali per l’abitabilità, che può quindi servire come biofirme. In linea di principio, le caratteristiche di questi sistemi potevano essere osservate da lontano anche quando un pianeta non poteva essere risolto spazialmente meglio di un singolo punto. In questo caso, identificare le caratteristiche geologiche e i sistemi climatici dalle curve di luce a punto singolo è essenziale quando si valuta l’abitabilità degli esopianeti. La mappatura superficiale di questi esopianeti diventa urgente.
Nonostante la convoluzione tra la geometria di visualizzazione e le caratteristiche spettrali, le informazioni sulla superficie di un esopianeta sono contenute nelle sue curve di luce a punto singolo risolte nel tempo, che possono essere ottenute da una distanza e derivate con osservazioni sufficienti. Tuttavia, la mappatura superficiale bidimensionale (2D) di esopianeti potenzialmente abitabili simili alla Terra è impegnativa a causa dell’influenza delle nuvole. I metodi di recupero delle mappe 2D sono stati sviluppati e testati utilizzando curve di luce simulate espettri noti 5,6,7,8, ma non sono stati applicati a osservazioni reali. Inoltre, nelle analisi delle osservazioni degli esopianeti ora e nel prossimo futuro, le ipotesi degli spettri caratteristici possono essere controverse quando le composizioni superficiali planetarie non sono ben vincolate.
In questo articolo, dimostriamo una tecnica di mappatura delle superfici per esopianeti simili alla Terra. Utilizziamo SVD per valutare e separare le informazioni da diverse fonti contenute in curve di luce multi-lunghezza d’onda senza ipotesi di spettri specifici. In combinazione con la geometria di visualizzazione, presentiamo la ricostruzione delle mappe di superficie utilizzando informazioni superficiali tempestivamente risolte ma contorte spazialmente. Allo scopo di dimostrare questo metodo, vengono analizzate le osservazioni a punto singolo a più lunghezze d’onda di due anni della Terra ottenute dal Deep Space Climate Observatory/Earth Polychromatic Imaging Camera (DSCOVR/EPIC; www.nesdis.noaa.gov/DSCOVR/spacecraft.html). Usiamo la Terra come esopianeta proxy per valutare questo metodo perché le osservazioni attualmente disponibili degli esopianeti non sono sufficienti. Alleghiamo il codice con la carta come esempio. È sviluppato sotto python 3.7 con pacchetti anaconda e healpy, ma la matematica del protocollo può essere fatta anche in altri ambienti di programmazione (ad esempio, IDL o MATLAB).
Protocol
Representative Results
Discussion
Un requisito critico del protocollo è la fattibilità di estrarre informazioni sulla superficie dalle curve di luce, che dipende dalla copertura del cloud. Nel passaggio 3.5.1, i valori relativi dei PC possono essere diversi tra gli esopianeti. Nel caso della Terra, i primi due PC dominano le variazioni della curva di luce e corrispondono a nubi e superfici indipendenti dalla superficie (Fan et al. 2019)13. Hanno valori singolari comparabili in modo che le informazioni sulla superficie possano es…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato in parte supportato dal Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sotto contratto con la NASA. YLY riconosce il supporto del Virtual Planetary Laboratory dell’Università di Washington.
Materials
| Python 3.7 with anaconda and healpy packages | Other programming environments (e.g., IDL or MATLAB) also work. |
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