Aprovechando un eclipse lunar total, los astrónomos que utilizan el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA han detectado ozono en la atmósfera de la Tierra. Este método sirve como indicador de cómo observarán planetas similares a la Tierra alrededor de otras estrellas en búsqueda de vida. Esta es la primera vez que se captura un eclipse lunar total desde un telescopio espacial y la primera vez que se estudia un eclipse de este tipo en longitudes de onda ultravioleta.

Para prepararse para la investigación de exoplanetas con telescopios más grandes que se encuentran actualmente en desarrollo, los astrónomos decidieron realizar experimentos mucho más cerca de casa, en el único planeta terrestre habitado conocido: la Tierra. La alineación perfecta de la Tierra con el Sol y la Luna durante un eclipse lunar total imita la geometría de un planeta terrestre en tránsito con su estrella. En un nuevo estudio, el Hubble no miró directamente a la Tierra. En cambio, los astrónomos utilizaron la Luna como un espejo que refleja la luz solar que se ha filtrado a través de la atmósfera de la Tierra. El uso de un telescopio espacial para observaciones de eclipses es más limpio que los estudios terrestres porque los datos no se contaminan al mirar a través de la atmósfera terrestre.

Estas observaciones fueron particularmente desafiantes porque justo antes del eclipse, la Luna es muy brillante y su superficie no es un reflector perfecto, ya que está moteada con áreas brillantes y oscuras. Además, la Luna está tan cerca de la Tierra que el Hubble tuvo que intentar mantener un ojo fijo en una región seleccionada, para seguir con precisión el movimiento de la Luna en relación con el observatorio espacial. Es por estas razones que el Hubble raramente apunta a la Luna.

Las mediciones detectaron la fuerte huella digital espectral del ozono, un requisito previo clave para la presencia, y posible evolución, de la vida tal como la conocemos en una exo-Tierra. Aunque se habían detectado algunas firmas de ozono en observaciones terrestres anteriores durante los eclipses lunares, el estudio del Hubble representa la detección más fuerte de la molécula hasta la fecha porque puede mirar la luz ultravioleta, que es absorbida por nuestra atmósfera y no llega al suelo. En la Tierra, la fotosíntesis durante miles de millones de años es responsable de los altos niveles de oxígeno y la gruesa capa de ozono de nuestro planeta. Hace solo 600 millones de años, la atmósfera de la Tierra había acumulado suficiente ozono para proteger la vida de la letal radiación ultravioleta del Sol. Eso hizo que fuera seguro para la primera vida terrestre que emigrara de nuestros océanos.

"Encontrar ozono en el espectro de una exo-Tierra sería significativo porque es un subproducto fotoquímico del oxígeno molecular, que es un subproducto de la vida", dijo Allison Youngblood del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial en Colorado e investigadora principal de las observaciones del Hubble.

El Hubble registró la firma espectral ultravioleta del ozono impresa en la luz solar que se filtró a través de la atmósfera de la Tierra durante un eclipse lunar que ocurrió el 20 y 21 de Enero de 2019. Otros telescopios también realizaron observaciones espectroscópicas en otras longitudes de onda durante el eclipse, buscando más de los ingredientes para la vida de la Tierra, tales como oxígeno, metano, agua y monóxido de carbono.

"Para caracterizar completamente los exoplanetas, idealmente usaremos una variedad de técnicas y longitudes de onda," explica el miembro del equipo Antonio García Muñoz, de la Technische Universität Berlin en Alemania. "Esta investigación pone de manifiesto claramente los beneficios de la espectroscopia ultravioleta en la caracterización de exoplanetas. También demuestra la importancia de probar ideas y metodologías innovadoras con el único planeta habitable que conocemos hasta la fecha."

Las atmósferas de algunos exoplanetas se pueden probar cuando el planeta pasa por la cara de su estrella madre, durante un llamado tránsito. Durante un tránsito, la luz de las estrellas se filtra a través de la atmósfera del exoplaneta a contraluz. Si se mira de cerca, la silueta del planeta se vería como si tuviera un "halo" delgado y brillante a su alrededor causado por la atmósfera iluminada, tal como lo hace la Tierra cuando se ve desde el espacio.

Los productos químicos en la atmósfera dejan su firma reveladora al filtrar ciertos colores de la luz de las estrellas. La espectroscopia de las atmósferas de los planetas en tránsito fue iniciada por los astrónomos del Hubble. Esto fue especialmente innovador porque los planetas extrasolares aún no se habían descubierto cuando se lanzó el Hubble en 1990. Por lo tanto, el observatorio espacial no fue diseñado inicialmente para tales experimentos. Hasta ahora, los astrónomos han utilizado el Hubble para observar las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos que transitan por sus estrellas. Pero los planetas terrestres son objetos mucho más pequeños y su atmósfera más delgada. Por lo tanto, analizar estas firmas es mucho más complicado.

Es por eso que los investigadores necesitarán telescopios espaciales mucho más grandes que el Hubble para recolectar la débil luz estelar que pasa a través de las atmósferas de estos pequeños planetas durante un tránsito. Estos telescopios necesitarán observar planetas durante un periodo más largo, muchas docenas de horas, para generar una señal fuerte. Para el estudio, el Hubble dedicó cinco horas a recopilar datos a lo largo de las diversas fases del eclipse lunar.

Encontrar ozono en los cielos de un planeta extrasolar terrestre no garantiza que exista vida en la superficie. "Se necesitarían otras firmas espectrales además del ozono para concluir que había vida en el planeta, y estas firmas no se pueden ver con luz ultravioleta," dijo Youngblood.

Los astrónomos deben buscar una combinación de biofirmas, como ozono y metano, al explorar las posibilidades de la vida. Se necesita una campaña de varias longitudes de onda porque muchas firmas biológicas, como el ozono, por ejemplo, se detectan más fácilmente en longitudes de onda específicas. Los astrónomos que buscan ozono también deben considerar que se acumula con el tiempo a medida que evoluciona un planeta. Hace unos 2.000 millones de años en la Tierra, el ozono era una fracción de lo que es ahora.

El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA, la ESA y la CSA, un observatorio de infrarrojos programado para ser lanzado en 2021, podrá penetrar profundamente en la atmósfera de un planeta para detectar metano y oxígeno.

"Esperamos que el James Webb lleve la técnica de espectroscopia de transmisión de atmósferas de exoplanetas a límites sin precedentes," dijo García Muñoz. "En particular, tendrá la capacidad de detectar metano y oxígeno en las atmósferas de planetas que orbitan estrellas cercanas de pequeño tamaño. Esto abrirá el campo de la caracterización atmosférica a exoplanetas cada vez más pequeños."