Barvy mimozemských květin

MARTIN PETRÁSEK  |  Vesmír
Barvy mimozemských květin

Místo zelených mužíčků oranžové kytičky?

Již roky hledáme druhou modro-zelenou planetu v hlubokém vesmíru. Přes 250 extrasolárních planet jsme již objevili, další tisíce, možná miliony, tam někde nahoře čekají. Jenže hledáme opravdu živou a zároveň modro-zelenou planetu? Co když nebude ani modrá v atmosféře, ani zelená na povrchu?

Jsou zelené květiny zelené?

Pozemské rostliny jsou zelené, protože obsahují chlorofyl. Chlorofyl je zelený pigment fungující jako továrna na sacharidy. Využívá jako energii slunečního záření k tomu, aby přeměnil vodu a oxid uhličitý právě na sacharidy. Ze slunečního záření si bere jen určité porce energie, tedy přesněji řečeno jen části spektra.

Ve viditelném oboru pohlcuje chlorofyl především na vlnových délkách kolem modré a části červené barvy, naopak nejméně v oblasti zelené. A právě ty barvy, které předměty odráží, vidíme. Právě proto, že v pozemských rostlinách pracuje jako základní energetická jednotka fotosyntéza prostřednictvím chlorofylu, jsou rostliny zelené. Jenže nevíme, nakolik může být chlorofyl jako pigment kosmicky univerzální. Nevíme, zda případný pigment na jiných rostlinách jinde ve vesmíru bude také stejně absorbovat. A zda to vůbec bude pigment.Jako hra na antické filozofy může připomínat hádání barev mimozemských kytek. A možná i jako téma zcela zbytečné a předčasné. Vždyť ještě daleko je doba, kdy budeme moci z cizí planety vidět detaily, natožpak stromy a květiny. Jenže opak je pravdou.

Podle článku, který publikoval francouzský astronom Luc Arnold v říjnovém čísle prestižního časopisu Space Science Review se totiž zdá, že hledání známek mimozemského života by na barvě „mimozemských kytek“ mohlo záviset. V blízké budoucnosti by se dokonce mohlo stát mezičlánkem v cestě za hledáním života na planetách mimo sluneční soustavu. Tím mezičlánkem, který vyplní naši technologickou pomlku, jež nás čeká do doby, než bude rozlišovací schopnost kosmických dalekohledů dostatečná.

Jak najít rostliny?

Procházíme obdobím žní objevů extrasolárních planet. Jedna za druhou se vynořují a překvapují společně s výzkumníky, kteří posouvají hranice našich technických možností. Nedá se v té souvislosti nemyslet na otázku, zda je tam na některé z nich život. A pokud je, jak vypadá? Intuitivně všichni myslíme na malé zelené mužíčky, na bakterie, prostě na živočichy.Ale jak je to s rostlinami? Je to přece logické stadium takového vývoje. Ponechme naše představy o typech a tvarech někde za hranicí sci-fia přemýšlejme nad mnohem subtilnější otázkou. Jak by se daly detekovat?

Odpověď by mohla být podle Luca Arnolda vcelku prostá. Pomocí spektrální analýzy existuje možnost rozlišit ve spektrech známky vegetace. Tedy poznat, zda je přivrácená strana planety pokryta fotosyntetizujícími rostlinami. A pokud ano, na jakém principu taková fotosyntéza pracuje. A to vše při plošně integrovaném

Barvy mimozemských květin

Rychlých 700 milionů let

Vesmír je starý 13,7 miliardy let, Země existuje třetinu té doby.Před 3,8 miliardy let se na ní začaly objevovat první známky primitivních živých organismů.Ale teprve až před 700 miliony let došla evoluce ke vzniku prvních primitivních mnohobuněčných organismů. Teprve pak přišly rostliny vylučující a filtrující kyslík, mohla se utvořit ozonová vrstva, která dokázala bránit smrtelnému kosmickému a slunečnímu záření pronikat až na povrch. Z vody vyšli první suchozemští tvorové, přišli dinosauři, kteří tu panovali celých 150 milionů let, a teprve před 70 miliony let se objevili první savci a před 2,5 miliony let první předchůdce člověka. Stojíme-li tedy před otázkou, zda existuje život jinde ve vesmíru, musíme si tuto nesmírně úžasnou, avšak neuvěřitelně složitou posloupnost představit. A to není jednoduché. spektru – tedy bez potřeby vysokého rozlišení detailů na povrchu.

Červený skok

Rostliny na naší Zemi některé části slunečního spektra odrážejí lépe a jiné hůře. V roce 1999 ukázal americký fyzik Roger N. Clark, že speciálně na vlnových délkách okolo 700 nm se u zelených rostlin vyskytuje velmi specifický skok v odrazivosti. Tento skok se v překladu nazývá „vegetační červený skok“ a mezi 700–1300 m vzrůstá odrazivost slunečního záření až 5×!Od roku 2001 se několik týmů pokoušelo detekovat vegetační červený skok mnoha rozličnými a naštěstí převážně úspěšnými výsledky. Získat sluneční světlo odražené od Země s nízkým rozlišením (tedy jakoby od vzdáleného pozorovatele) totiž není žádný problém. Poskytuje nám jej například popelavý svit Měsíce, odraz od družic na oběžné dráze i odraz od vzdálenějších těles a sond. To jsou vhodné testovací podmínky. Z nich pak vyplynulo, že k detekci vegetačního červeného skoku potřebujeme dosáhnout relativní fotometrické přesnosti ideálně kolem 1 %. To je sice stále daleko k možné aplikaci na stávající pokusy o pozorování extrasolárních planet, ale je to mnohem blíž než snaha o detekci například geologických útvarů na povrchu.

Co bychom měli hledat?

Pozorování rozumného množství světla z extrasolární planety nám tak může odpovědět nejen na otázku, zda má atmosféru a jaké je její složení, ale v následujících letech i možná na otázku, zda náhodou není pokryta vegetací. Ta druhá část je však mnohem více vzrušující. Vůbec totiž nevíme, zda na jiných planetách mimo sluneční soustavu existují rostliny se schopností fotosyntézy tak, jak ji známe tady na Zemi.

Co když tam rostlinám podobné „nehybné“ organismy hrající úlohu flóry podstupují jiný proces než fotosyntézu? Problém tedy musíme zobecnit. Naším cílem v budoucnu bude hledat ve spektrech světla odražených od planet známky, které není možno přičíst ani atmosféře ani suchému nebo mokrému povrchu planety. A díky tomu, že většinu takových chemických kompozic známe a známe jejich možná spektra, nemusel by to být problém neřešitelný.

Představme si potenciálně zajímavou extrasolární planetu. S použitím nějakého koronografu zakryjeme kotouček hvězdy, kterou planeta obíhá. Pořídíme spektrum světla z planety a budeme v něm hledat místa ukazující například na kyslík, ozon nebo dusík. S ohledem na jejich změnu ve spektru spolu s rotací můžeme odtušit, které z nich náleží do atmosféry. Pokud bude atmosféra dostatečně průhledná, zachytíme proluky v podobě slabého odrazu od případného oceánu anebo od pevniny.

Anebo se stane něco jiného. Přes průhlednou atmosféru bude pevninského spektra minimum, ale bude ve své části vykukovat vrcholek v podobě například vegetačního červeného skoku a pak máme téměř jasno. Na planetě rostou zelené fotosyntetizující rostliny!

Země jako vzor – jde to!

Jak vyplývá z pozorování odražených pozemských spekter v podání Woolfa (2002), Arnolda (2002), Seagera (2005), Montanes-Rodrigueze (2005, 2006) a Hamdaniho (2006) červený skok skutečně ve spektrech existuje a byl pozorován. Jeho zastoupení se podle podmínek pozorování měnilo podle oblačnosti a aktuálně reflektující zemské polokoule od 0 do 6 % nad běžnou hladinou ve zmíněných spektrech, v případě Arnolda až 10 %. Sám Arnold je k přehnaným výsledkům spíše opatrný a prezentuje jako realistické zastoupení červeného skoku okolo 3–4 % v ideálním případě.

Jestliže si to převedeme do nějakých hmatatelných podmínek, pak aktuálně připravované kosmické mise (Darwin nebo Terrestrial Planet Finder) by k pozorování extrasolárních planet potřebovaly expoziční čas zhruba 100 hodin, aby byly schopny na planetě jako je Země detekovat ze vzdálenosti 10 parseků přítomnost rostlin. Jejich rozlišení by muselo být alespoň 25 pixelů na planetu a fotometrická přesnost lepší než 3 %. Zde se dostáváme za hranice předpokládaných možností těchto sond i pod praktické využití. Expoziční čas 100 hodin je totiž příliš dlouhý.

Snad v blízké budoucnosti

Otázka detekce rostlin na planetách je sice věcí blízké budoucnosti, ale tou není myšleno následujících deset let, kdy má Darwin a TPF vystartovat. Je to však stále ještě blíže než horizont, kdy budeme moci pozorovat planety přímo a rozlišit detaily. Například podle Labyieriho by 150 km rozlehlá síť kosmických dalekohledů mohla zobrazit 10 světelných let vzdálenou planetu velikosti Země v rozlišení pouhých 40 pixelů. Nebo 150 kombinovaných třímetrových kosmických zrcadlových dalekohledů by za půlhodinovou expozici dokázala zobrazit takovou planetu v rozlišení 300 až několika tisíc pixelů. To by už stačilo k rozpoznání několika základních detailů. K takové technice však máme ještě stále dosti daleko.Až na takové kroky dojde, bude velmi vzrušující zjistit, jaký je princip fotosyntézy mimozemské vegetace.Možná se nedočkáme překvapení a rostliny budou stejně zelené jako ty naše. Ale možná také ne.Pokud si vezmou jako vzor bakterii Rhodopseudomonas, pak by mohla být celá planeta pokryta fialovými a oranžovými rostlinami a zanesena nánosy síry a prachu. Některé ekosystémy by tak mohly být velmi zajímavé.

Je červený skok univerzální?

Není. Již z naší Země známe například fotosyntetizující bakterii Rhodopseudomonas, která ovšem neprodukuje kyslík ani žádný druh oxidu, avšak síru. A tato bakterie je právě příkladem, že ne vše fotosyntetizující musí vykazovat červený skok. Tato bakterie je totiž fialová. Takže otázka zelené planety a modré atmosféry nemusí být s životem spojena bezpodmínečně. Na vlnových délkách okolo 700 nm se u rostlin vyskytuje skok v odrazivosti. Nazývá se „vegetační červený skok“ a mezi 700–1300 m vzrůstá odrazivost slunečního záření až pětinásobně.

Darwin a mise TPF

Darwin je mise Evropské kosmické agentury (ESA) a je konstruována jako interferometrický kosmický dalekohled. Vystartovat by podle ESA měla kolem roku 2015 a mělo by jít o tři třímetrové samostatné kosmické dalekohledy, které se budou pohybovat ve formaci a pořizovat obraz společně. Cílem je hledání extrasolárních planet o ještě lepším rozlišení než doposud. TPF neboli Terrestrial Planet Finder je konkurenční projekt NASA a mise má v plánu dvě části. TPF-C jako kosmický dalekohled s koronografem pracující ve viditelném spektru a TPF-I jako interferometrická soustava menších dalekohledů zaměřující se primárně na infračervenou oblast od planet odraženého spektra. Mise TPF má v první části vystartovat kolem roku 2014 a v části TPF-I možná kolem roku 2020.Místo úrodné hlíny a zářící zeleně by mohla být planeta pokryta fialovými a oranžovými rostlinami a zanesena nánosy síry a prachu.

Nejčtenější