Variation des biomarqueurs dans le spectre visible non résolu de la Terre

Abstract

L’évolution rapide des technologies de détection et de caractérisation des exoplanètes depuis le début des années 1990 permet de croire que de nouveaux instruments du type Terrestrial Planet Finder (TPF) pourront prendre les premiers spectres d’exoplanètes semblables à la Terre d’ici une ou deux décennies. Dans ce contexte, l’étude du spectre de la seule planète habitée connue, la Terre, est essentielle pour concevoir ces instruments et analyser leurs résultats. Cette recherche présente les spectres de la Terre dans le visible (390-900 nm), acquis lors de 8 nuits d’observation étalées sur plus d’un an. Ces spectres ont été obtenus en observant la lumière cendrée de la Lune avec le télescope de 1.6 m de l’Observatoire du Mont-Mégantic (OMM). La surface de la Lune réfléchissant de manière diffuse la lumière provenant d’une portion de la Terre, ces spectres sont non résolus spatialement. L’évolution de ces spectres en fonction de la lumière réfléchie à différentes phases de Terre est analogue à celle du spectre d’une exoplanète, dont la phase change selon sa position autour de l’étoile.

L'eau, l'oxygène et l'ozone de l’atmosphère, détectés dans tous nos spectres, sont des biomarqueurs dont la présence suggère l’habitabilité de la planète et/ou la présence d’une activité biologique. Le Vegetation Red Edge (VRE), une autre biosignature spectrale, dû aux organismes photosynthétiques à la surface, est caractérisé par l’augmentation de la réflectivité autour de 700 nm. Pour les spectres de 5 nuits, cette augmentation a été évaluée entre -5 et 15% ±~5%, après que les contributions de la diffusion de Rayleigh, des aérosols et d’une large bande moléculaire de l’ozone aient été enlevées. Les valeurs mesurées sont cohérentes avec la présence de végétation dans la phase de la Terre contribuant au spectre, mais s’étendent sur une plage de variations plus large que celles trouvées dans la littérature (0-10%). Cela pourrait s’expliquer par des choix faits lors de la réduction des données et du calcul du VRE, ou encore par la présence d’autres éléments de surface ou de l’atmosphère dont la contribution spectrale autour de 700 nm serait variable.

The rapid evolution of the detection and characterization of exoplanets since the nineties is such that instruments like the Terrestrial Planet Finder (TPF) will surely take the first spectra of exoplanets similar to the Earth in the next decades. The study of the spectrum of the only inhabited planet we know, the Earth, is thus essential to conceive these instruments and to complete pertinent analyses of their results. This research presents the optical spectra (390-900 nm) of the Earth that were secured on 8 observing nights covering more than a year. These spectra were obtained by observing the Earthshine with the 1.6 m telescope at the Observatoire du Mont-Mégantic (OMM). Because the surface of the Moon reflects diffusely the light coming from a portion of the Earth, the observation of Earthshine allow us to get spatially unresolved spectra, like those that will likely be obtained for exoplanets with the first generation of instruments. The variation of the Earth’s spectrum with the changing contributing phase of the Earth is also similar to that of an exoplanet spectrum, which changes with its position around the star.

Water, oxygen and ozone of the Earth’s atmosphere, detected in all of our spectra, are biomarkers. They give clues about the habitability and the possible presence of life on a planet. The Vegetation Red Edge (VRE), another spectral biomarker, caused by photosynthetic organisms, is characterized by an increase in reflectivity around 700 nm. For the spectra of 5 nights, this increase was evaluated to be between -5 and 15% ±~5%, after the contributions of Rayleigh and aerosol scattering, as well as of a wide ozone absorption band were removed. These values are consistent with the presence of vegetation in the phase of the Earth contributing to the spectra. However, they cover a larger range than that usually found in the literature (0-10%). A possible explanation could be the few arbitrary choices that were made during data processing and VRE computation or the presence of other surface and atmospheric elements with a spectral signature varying around 700 nm.