HVAD ER DEN DIREKTE BILLEDDANNELSESMETODE?

Send

Velkommen tilbage til den nyeste rate i vores serie om eksoplanet-jagtmetoder. I dag begynder vi med den meget vanskelige, men meget lovende metode, der kaldes Direct Imaging.

I de sidste par årtier er antallet af planeter, der blev opdaget ud over vores solsystem, vokset med spring og grænser. Fra 4. oktober 2018 er i alt 3.869 exoplaneter blevet bekræftet i 2.887 planetariske systemer, med 638 systemer, der er vært for flere planeter. På grund af begrænsningerne, som astronomer er blevet tvunget til at kæmpe med, er langt de fleste af disse desværre blevet opdaget ved hjælp af indirekte metoder.

Indtil videre er kun en håndfuld planeter blevet opdaget ved at blive afbildet, da de kredsede om deres stjerner (alias Direct Imaging). Mens den er udfordrende sammenlignet med indirekte metoder, er denne metode den mest lovende, når det kommer til at karakterisere eksoplaneternes atmosfærer. Indtil videre er 100 planeter bekræftet i 82 planetariske systemer ved hjælp af denne metode, og mange flere forventes at blive fundet i den nærmeste fremtid.

Beskrivelse:

Som navnet antyder, består Direct Imaging af at tage direkte billeder af exoplaneter, hvilket er muligt ved at søge efter det lys, der reflekteres fra en planetens atmosfære ved infrarøde bølgelængder. Årsagen til dette er, at en stjerne ved infrarøde bølgelængder kun er ca. 1 million gange lysere end en planet, der reflekterer lys, snarere end en milliard gange (hvilket typisk er tilfældet ved visuelle bølgelængder).

En af de mest åbenlyse fordele ved direkte billeddannelse er, at den er mindre udsat for falske positiver. Mens transittmetoden er tilbøjelig til at falske positiver i op til 40% af tilfældene, der involverer et enkelt planetsystem (hvilket kræver opfølgningsobservationer), kræver planeter, der detekteres ved hjælp af Radial Velocity-metoden, bekræftelse (hvorfor det normalt parres med transitmetoden) . I modsætning hertil giver Direct Imaging astronomer mulighed for at se planeterne, de søger efter.

Mens mulighederne for at bruge denne metode er sjældne, uanset hvor direkte detekteringer kan foretages, kan det give forskere værdifulde oplysninger om planeten. For eksempel ved at undersøge spektrene, der reflekteres fra en planetens atmosfære, er astronomer i stand til at få vigtig information om dens sammensætning. Denne information er iboende for exoplanet-karakterisering og bestemmer, om den er potentielt beboelig.

I tilfælde af Fomalhaut b tillader denne metode astronomer at lære mere om planetens interaktion med stjernens protoplanetære disk, placere begrænsninger på planetens masse og bekræfte tilstedeværelsen af et massivt ringsystem. I tilfælde af HR 8799 leverede mængden af infrarød stråling, der reflekteres fra dens eksoplanets atmosfære (kombineret med modeller af planetdannelse) et groft skøn over planetens masse.

Direkte billeddannelse fungerer bedst for planeter, der har brede kredsløb og er særligt massive (f.eks. Gigantkæmper). Det er også meget nyttigt til at detektere planeter, der er placeret “face-on”, hvilket betyder, at de ikke passerer foran stjernen i forhold til observatøren. Dette gør det gratis med radial hastighed, som er mest effektiv til at detektere planeter, der er “kantede”, hvor planeter foretager transiter af deres stjerne.

Sammenlignet med andre metoder er direkte billeddannelse temmelig vanskelig på grund af den skjule virkning, lyset fra en stjerne har. Med andre ord er det meget vanskeligt at opdage lyset, der reflekteres fra en planetens atmosfære, når dens moderstjerne er så meget lysere. Som et resultat er mulighederne for direkte billeddannelse meget sjældne ved hjælp af nuværende teknologi.

For det meste kan planeter kun detekteres ved hjælp af denne metode, når de går i kredsløb i store afstande fra deres stjerner eller er særlig massive. Dette gør det meget begrænset, når det kommer til at søge efter jordbundne (alias "jordlignende") planeter, der kredser nærmere deres stjerner (dvs. inden for deres stjernes beboelige zone). Som et resultat er denne metode ikke særlig nyttig, når det gælder søgning efter potentielt beboelige exoplaneter.

Eksempler på direkte billeddannelsesundersøgelser:

Den første exoplanet-detektion, der blev foretaget ved hjælp af denne teknik, fandt sted i juli 2004, da en gruppe astronomer brugte European Southern Observatory (ESO) Very Large Telescope Array (VLTA) til at afbilde en planet flere gange massen af Jupiter i nærheden af 2M1207 - en brun dværg beliggende omkring 200 lysår fra Jorden.

I 2005 bekræftede yderligere observationer eksoplanets bane omkring 2M1207. Nogle er dog fortsat skeptiske over, at dette var det første tilfælde af "Direkte billeddannelse", da den lave lysstyrke af den brune dværg var det, der gjorde detekteringen af planeten mulig. Fordi den kredser rundt om en brun dværg har derudover ført nogle til at hævde, at gasgiganten ikke er en ordentlig planet.

I september 2008 blev et billede afbildet med en adskillelse på 330 AU omkring dens værtsstjerne, 1RXS J160929.1? 210524 - som ligger 470 lysår væk i Scorpius-stjernebilledet. Imidlertid blev det først i 2010 bekræftet, at det var en planet og en ledsager til stjernen.

Den 13. november 2008 meddelte et team af astronomer, at de fangede billeder af en exoplanet, der kredser om stjernen Fomalhaut ved hjælp af Hubble-rumteleskopet. Opdagelsen blev muliggjort takket være den tykke disk med gas og støv, der omgiver Fomalhaut, og den skarpe indre kant, der antyder, at en planet havde ryddet affald ud af sin sti.

Opfølgningsobservationer med Hubble producerede billeder af disken, som gjorde det muligt for astronomer at lokalisere planeten. En anden medvirkende faktor er det faktum, at denne planet, der er dobbelt så stor som Jupiters masse, er omgivet af et ringsystem, der er flere gange tykkere end Saturns ringe, hvilket fik planeten til at glød ganske lyst i visuelt lys.

Samme dag meddelte astronomer, der brugte teleskoper fra både Keck-observatoriet og Gemini-observatoriet, at de havde afbildet 3 planeter, der kredsede om HR 8799. Disse planeter, som har masserne 10, 10 og 7 gange Jupiter, blev alle opdaget i infrarød bølgelængder. Dette blev tilskrevet det faktum, at HR 8799 er en ung stjerne, og planeterne omkring den menes at stadig beholde noget af varmen fra deres dannelse.

I 2009 afslørede analyse af billeder, der stammer tilbage til 2003, eksistensen af en planet, der kredser rundt Beta Pictoris. I 2012 annoncerede astronomer, der bruger Subaru-teleskopet ved Mauna Kea-observatoriet, at der blev afbildet en "Super-Jupiter" (med 12,8 Jupiter-masser), der kredsede om stjernen Kappa Andromedae i en afstand af ca. 55 AU (næsten dobbelt så lang afstand fra Neptunus fra Sol).

Andre kandidater er blevet fundet gennem årene, men indtil videre forbliver de ubekræftet som planeter og kunne være brune dværge. I alt er 100 exoplaneter blevet bekræftet ved hjælp af Direct Imaging-metoden (ca. 0,3% af alle bekræftede exoplaneter), og langt de fleste var gasgiganter, der kredsede i store afstande fra deres stjerner.

Dette forventes dog at ændre sig i den nærmeste fremtid, når næste generations teleskoper og andre teknologier bliver tilgængelige. Disse inkluderer jordbaserede teleskoper udstyret med adaptiv optik, såsom Thirty Meter Telescope (TMT) og Magellan Telescope (GMT). De inkluderer også teleskoper, der er afhængige af koronografi (som James Webb Space Telescope (JWST)), hvor en enhed inde i teleskopet bruges til at blokere lys fra en stjerne.

En anden metode, der er under udvikling, er kendt som en 'starshade', en enhed, der er placeret til at blokere lys fra en stjerne, før den endda kommer ind i et teleskop. For et rumbaseret teleskop på udkig efter exoplaneter, ville en stjerneskygge være et separat rumfartøj, designet til at placere sig i lige den rigtige afstand og vinkel for at blokere stjernelys fra stjerneastronomerne observerede.

Vi har mange interessante artikler om eksoplanetjagt her på Space Magazine. Her er hvad er transitmetoden ?, Hvad er radialhastighedsmetoden ?, Hvad er gravitationsmikrolenseringsmetoden? Og Keplers univers: Flere planeter i vores galakse end stjerner.

Astronomy Cast har også nogle interessante episoder om emnet. Her er afsnit 367: Spitzer udfører eksoplaneter og afsnit 512: Direkte billeddannelse af eksoplaneter.

For mere information, skal du huske at tjekke NASAs side om Exoplanet Exploration, Planetarium Society's side om Extrasolar Planeter og NASA / Caltech Exoplanet Archive.

Kilder: