[論文レビュー] Biosignatures of the Earth I. Airborne spectropolarimetric detection of photosynthetic life

Lucas Patty, Jonas Kühn+11 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Jun 1, 2021

Photosynthetic Processes and Mechanisms参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ヘテロチラリティに起因する円偏光を用いて、地球の光合成生物を検出する新しいリモートセンシング技術として、空中における円偏光分光偏光測定を実証した。高速で飛行しながら、1秒未満でS/N > 5を達成し、草地、森林、都市部を非ゼロの円偏光のみで区別した。湖においても検出可能な信号が得られたことから、系外惑星の生命検出におけるアンビエントバイオシグネチャーとしての可能性が示された。

ABSTRACT

Context. Homochirality is a generic and unique property of life on Earth and is considered a universal and agnostic biosignature. Homochirality induces fractional circular polarization in the incident light that it reflects. Because this circularly polarized light can be sensed remotely, it can be one of the most compelling candidate biosignatures in life detection missions. While there are also other sources of circular polarization, these result in spectrally flat signals with lower magnitude. Additionally, circular polarization can be a valuable tool in Earth remote sensing because the circular polarization signal directly relates to vegetation physiology. Aims. While high-quality circular polarization measurements can be obtained in the laboratory and under semi-static conditions in the field, there has been a significant gap to more realistic remote sensing conditions. Methods. In this study, we present sensitive circular spectropolarimetric measurements of various landscape elements taken from a fast-moving helicopter. Results. We demonstrate that during flight, within mere seconds of measurements, we can differentiate (S/N>5) between grass fields, forests, and abiotic urban areas. Importantly, we show that with only nonzero circular polarization as a discriminant, photosynthetic organisms can even be measured in lakes. Conclusions. Circular spectropolarimetry can be a powerful technique to detect life beyond Earth, and we emphasize the potential of utilizing circular spectropolarimetry as a remote sensing tool to characterize and monitor in detail the vegetation physiology and terrain features of Earth itself.

研究の動機と目的

• バイオシグネチャー検出のための、ラボおよび準静的フィールド測定と現実のリモートセンシング条件との間のギャップを埋めること。
• 動的で高速移動する空中プラットフォームにおいて、円偏光分光偏光測定が実世界の条件下で光合成生物を検出可能かどうかを検証すること。
• 円偏光の感度が、複雑な環境（例：湖）を含む、生物由来と非生物由来の表面を区別するバイオシグネチャーとしてどの程度有効であるかを評価すること。
• 円偏光分光偏光測定が、地球における植物生理学および地形特徴のモニタリングにどの程度有効であるかを評価すること。
• 将来的な系外惑星生命探査ミッションにおいて、普遍的かつアンビエントバイオシグネチャーとしての可能性を評価すること。

提案手法

• 草地、森林、都市部、湖など多様な景観要素を含む地上を高速で飛行するヘリコプターから、感度の高い円偏光分光偏光測定を実施した。
• クロロフィル吸収帯およびレッドリッジ領域に注目し、可視域および近赤外域における分率円偏光（V/I）を測定した。
• 急速な移動中でさえ、1%未満の大きさの円偏光信号を検出可能な高感度分光偏光計を用いた。
• 異なる表面タイプの区別能を評価するために、標準的な反射率データと円偏光信号を比較した。
• 時間的・空間的変動を分析し、特に干ばつなどの生理的ストレスが偏光応答に与える影響を検討した。
• 今後のキャンペーンでは、フル・ストークス偏光測定を用いて、同時に線形偏光と円偏光測定を実施し、特性の高精度な同定を図ることを計画している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光分光偏光測定は、高時間・高空間分解能を有するリアルタイムの空中条件で、光合成生物を検出可能か？
• RQ2 高速移動中の飛行において、円偏光は生物由来（植物）と非生物由来（都市部、裸地）の表面をどの程度明確に区別できるか？
• RQ3 湖などの水生環境においても、円偏光信号を検出可能か。これは光合成生物の存在を示唆するか？
• RQ4 干ばつなどの生理的ストレスが、反射率に基づく指標と比較して、円偏光信号にどのように影響を与えるか？
• RQ5 円偏光は、系外惑星における宇宙生命検出のための普遍的かつアンビエントバイオシグネチャーとしての可能性を有するか？

主な発見

• 円偏光分光偏光測定により、1秒未満の測定時間でS/N > 5を達成し、草地、森林、非生物的都市部を明確に区別した。
• 非ゼロの円偏光のみで湖における光合成生物の検出に成功し、プランクトンや水生植物の存在を示唆した。
• 円偏光信号は植物生理に極めて感受性が高く、干ばつは反射率に基づく指標よりも信号の低下を引き起こした。
• 本研究では、円偏光率が光合成膜のマクロな組織化状態に関する情報を保持しており、生理的状態の感受性の高いプロキシとして有効であることが確認された。
• 信号の大きさが低く（通常1%未満）、かつ動的空中条件下でも、本技術は堅牢な検出能力を示した。
• 本研究の結果は、将来的な宇宙ミッションにおいて、円偏光分光偏光測定をバイオシグネチャーとして用いる可能性を支持しており、長時間積分が可能な系外惑星の生命検出にも応用可能である。