La Tierra como un exoplaneta vista por Hubble

Título del artículo original: The Hubble Space Telescope’s Near-UV and Optical Transmission Spectrum of Earth as an Exoplanet

Autores: Allison Youngblood, Giada N. Arney, Antoni García Muñoz, John T. Stocke, Kevin France y Aki Roberge.

Institución de la primera autora: Laboratory for Atmospheric and Space Physics y NASA Goddard Space Flight Center (USA)

Estado de la publicación: Publicada en The Astronomical Journal, acceso abierto en arXiv.

¿Por qué queremos ver a la Tierra como un exoplaneta?

Como hemos hablado en otros astrobitos, durante los últimos años hemos encontrado más de 4000 exoplanetas, esto es, planetas que orbitan otras estrellas. Hemos podido también caracterizar algunas de sus atmósferas en el caso de planetas gigantes gaseosos, y averigüar de qué están compuestas.

Por esto nos interesa conocer cómo se vería la atmósfera de la Tierra si la observásemos desde fuera, como si ésta fuese un exoplaneta. Así, podemos tener un modelo con el que comparar cuando podamos analizar atmósferas de planetas rocosos en el futuro, y buscar huellas de vida llamadas biomarcadores o biofirmas.

Y… ¿durante un eclipse de Luna? ¿Hola?

Sí, como lo lees, en el artículo del que hablamos hoy se estudia la atmósfera de la Tierra durante un eclipse de Luna. Esto es una técnica muy curiosa que se usa para estudiar la Tierra como si ésta fuera un exoplaneta. Me explico: uno de los métodos para caracterizar atmósferas de exoplanetas es analizar la luz de la estrella tras pasar por la atmósfera del planeta durante un tránsito del mismo. Tras descomponer esta luz mediante espectroscopía, y tras restar la contribución de la luz de la estrella, lo que nos queda es un espectro de la atmósfera del exoplaneta, que llamamos espectro de transmisión.

Durante un eclipse de Luna (ver Figura 1), ésta sirve como espejo en el que se refleja la luz del Sol tras pasar por la atmósfera de la Tierra. Por tanto, así podemos estudiar el espectro de transmisión de la Tierra, como si de un exoplaneta se tratase.

En este artículo se estudió la luz reflejada durante el eclipse total de Luna que se produjo en Enero del 2019. Pero no se observó desde la Tierra, no, sino ¡desde el espacio! Las observaciones se hicieron con el espectrógrafo STIS del telescopio espacial Hubble, ya que en este caso el interés estaba en ver por primera vez la parte ultravioleta (UV) del espectro de transmisión de la Tierra, donde el ozono de la atmósfera, considerado un biomarcador, deja una huella importante. Además, hace unos 2 mil millones de años, la Tierra tenía mucho menos oxígeno que ahora, pero, aun así, una banda característica del ozono podría haber sido detectable en el UV cercano.

La parte UV del espectro es inaccesible desde nuestro planeta porque, desafortunadamente para la astronomía pero afortunadamente para nuestra piel, gran parte de la radiación UV del Sol no pasa a través de la atmósfera, así que no llega a la superficie de la Tierra, donde tenemos la mayoría de los telescopios.

Para obtener el espectro de transmisión de la Tierra, dividieron el espectro del eclipse, tomado sobre la Luna en la zona de umbra o penumbra (ver de nuevo la figura 1) por la media del espectro de la Luna llena, tomado fuera de la zona de eclipse. Ambos contienen el espectro de la luz del Sol y características debidas al albedo lunar. Sin embargo, solo el del eclipse contiene además el espectro de absorción de la Tierra, que es lo que obtenemos tras la división.

Ah vale, entiendo… ¿y qué es lo que se vio?

Pues en el caso de la parte UV del espectro… no mucho, pues no pudo detectarse la huella del ozono en esta región. En la figura 2 puedes ver los espectros en el UV que se tomaron a distintos ángulos de eclipse (distintas zonas de la Luna, ver Figura 1) comparados con modelos teóricos del espectro de transmisión de la Tierra. Al tomar espectros en distintos ángulos de eclipse, vemos luz del Sol que ha pasado por distintas alturas de la atmósfera terrestre.

En la figura 2 vemos que los espectros de la zona de penumbra son esencialmente planos, sin bandas o líneas de absorción características del ozono. Las bandas que se ven en algunos espectros son posiblemente rasgos del espectro del Sol que no han podido corregirse bien. En concreto, les autores hablan de la dificultad en corregir las variaciones centro-limbo, que son variaciones en el espectro solar producidas porque la luz del centro del Sol procede de una profundidad distinta que la luz del borde del disco solar. Finalmente, en la parte de umbra les autores consideran el espectro una “no-detección”.

¿No mucho? Pero entonces, ¿qué hemos aprendido?

Pues les autores comentan que los ángulos de eclipse apropiados para observar el espectro de transmisión de la Tierra en el UV cercano son los ángulos de eclipse intermedios que no pudieron observar en el UV ya que estaban realizando observaciones en el óptico. Una repetición de las observaciones en el futuro, observando en estos ángulos de eclipse, nos permitirían obtener este espectro de transmisión.

Además, en la figura 3 se pueden ver los espectros obtenidos en el óptico, que ¡sí que muestran bandas de absorción debidas al ozono! Estos espectros se han comparado también con modelos teóricos y con otras observaciones anteriores de eclipses desde telescopios en la Tierra, observaciones necesarias para comprobar que nuestros modelos son correctos.

Estamos descubriendo exoplanetas cada vez más pequeños y parecidos a la Tierra, y futuras misiones como el telescopio espacial James Webb podrán estudiar las atmósferas de exoplanetas rocosos. Aunque los espectros de transmisión cambian un poco si el planeta orbita estrellas distintas al Sol, estudiar la Tierra como un exoplaneta nos ayuda a planificar mejor las misiones y campañas de observación para intentar detectar biomarcadores, y responder a una de las preguntas más fascinantes y antiguas de la humanidad: si hay vida en otros mundos.