I løbet af de sidste par årtier er antallet af ekstrasolplaneter, der er blevet opdaget og bekræftet, vokset eksponentielt. På nuværende tidspunkt er eksistensen af 3.788 exoplaneter bekræftet i 2.818 planetariske systemer, med yderligere 2.737 kandidater, der venter på bekræftelse. Med dette volumen af planeter, der er tilgængelige til undersøgelse, er fokuset på exoplanetforskning begyndt at skifte fra detektion til karakterisering.
For eksempel er forskere i stigende grad interesseret i at karakterisere atmosfære af exoplaneter, så de med sikkerhed kan sige, at de har de rigtige ingredienser til livet (dvs. nitrogen, kuldioxid osv.). Desværre er dette meget vanskeligt ved hjælp af nuværende metoder. Ifølge en ny undersøgelse fra et internationalt team af astronomer vil næste generations instrumenter, der er afhængige af direkte billeddannelse, imidlertid være en spiludveksler.
Undersøgelsen, "Direkte billeddannelse i reflekteret lys: Karakterisering af ældre, tempererede eksoplaneter med 30 m-teleskoper", blev for nylig vist online. Undersøgelsen blev ledet af Michael Fitzgerald og Ben Mazin - lektor i astrofysik ved University of California Los Angeles (UCLA) og Worsterstolen i eksperimentel fysik ved University of California Santa Barbara (UCSB).
De blev sammen med forskere fra University of Montreal's Institute for Research on Exoplanets (iREX), NASAs Jet Propulsion Laboratory, Carnegie Observatories, Steward Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Californien Institut for Teknologi (Caltech) og flere universiteter.
Som de antyder i deres undersøgelse, er vores evner til at karakterisere exoplaneter i øjeblikket begrænset. For eksempel har vores nuværende metoder - de mest anvendte målinger af transittmetode og radial hastighed - ført til tusinder af kortvarige planeter, der er blevet opdaget (planeter, der kredser tæt på deres solskin med en periode på ca. 10 dage). Imidlertid begynder følsomheden ved disse metoder at falde væsentligt, jo længere eksoplaneten er fra dens sol.
Hvad mere er, planeter i lang periode er også stort set utilgængelige for deres spektre. Denne type analyse involverer måling af lyset, der passerer gennem en planetens atmosfære, når det passerer ind fra sin stjerne. Ved at måle dets spektre for at bestemme dets sammensætning, kan forskere karakterisere eksoplanetets atmosfære og bestemme, om en planet faktisk kan være beboelig.
For at tackle dette foreslår teamet, at direkte detektion (aka. Direkte billeddannelse) vil være en mere effektiv metode til at karakterisere atmosfære af exoplaneter. Som Dr. Étienne Artigau, en forsker iREX og en medforfatter til undersøgelsen, forklarede Space Magazine via e-mail (oversat fra fransk)
”Der er ikke fundet nogen planet på nuværende tidspunkt i” reflekteret lys ”. Når vi ser planeterne i vores solsystem, er det fordi de er oplyst af solen, at vi kan se dem. På samme måde reflekterer de andre stjerners planeter lys, og det skal være muligt at registrere dette lys med et tilstrækkeligt kraftigt teleskop. Fluxforholdet mellem planeterne og deres stjerne er enormt i størrelsesordenen 1 milliard i sammenligning med planeterne, som detekteres ved deres termiske emission, eller dette forhold er snarere i størrelsesordenen 1 million. ”
På nuværende tidspunkt er direkte billeddannelse det eneste middel til at opnå spektre af ikke-transiterende exoplaneter, især dem, der er i mellemliggende og store afstande fra deres solskin. I dette tilfælde opnår astronomer spektre fra lys reflekteret fra eksoplanetets atmosfære for at bestemme dens sammensætning. Kun en håndfuld exoplaneter er hidtil direkte afbildet, som alle var selvlysende superjupiter, der kredsede om deres værtstjerner i en afstand af hundreder eller tusinder af AU.
Disse planeter var meget unge og havde temperaturer på over 500 ° C (932 ° F), hvilket gør dem til en ret sjælden klasse af planeter. Som et resultat har astronomer ingen information om mangfoldigheden af eksoplanetatmosfærer, især når det kommer til mindre, klippeformede planeter, der har temperaturer, der er mere beslægtet med Jordens - hvor overfladetemperaturer gennemsnitligt ligger omkring 15 ° C (58,7 ° F).
Dette skyldes det faktum, at eksisterende teleskoper simpelthen ikke har følsomheden over for direkte at forestille mindre planeter, der kredser nærmere stjernene. Som de bestemte i deres undersøgelse, ville karakterisering af atmosfærerne i planeter, der ligger inden for 5 AU for deres stjerner (hvor radiale hastighedsundersøgelser har afsløret mange planeter) kræve et teleskop med en 30-meters blænde kombineret med avanceret adaptiv optik, en coronagraph og pakke med spektrometre og billedoptagere.
”Kort sagt kan intet aktuelt teleskop registrere disse planeter, selv omkring de stjerner, der er tættest på os, men der er al grund til at tro, at den næste generation af teleskoper med en diameter på 30 m og mere vil være i stand til det,” sagde Artiqua. ”Det er ikke sikkert, at man i første omgang vil kunne registrere planeter som Jorden, men i det mindste skal man være i stand til at registrere planeter, der kan sammenlignes med Uranus og Neptune, hvilket allerede ville være et fremragende resultat.”
Sådanne næste generations faciliteter og adaptive optiske instrumenter inkluderer Planetary Systems Imager (PSI) på Thirty Meter Telescope (TMT), som er foreslået til konstruktion på Mauna Kea, Hawaii. Og der er GMagAO-X-instrumentet på Giant Magellan Telescope (GMT), som i øjeblikket er under opførelse på Las Campanas Observatorium og planlagt til færdiggørelse i 2025.
Som Artigau antydede, vil undersøgelser, der er foretaget med disse næste generations instrumenter, gøre det muligt for astronomer at opdage og karakterisere en bredere vifte af planeter, samt gøre det muligt at se efter mulige tegn på liv (alias biosignaturer), som aldrig før:
”Dette vil give os mulighed for direkte at studere lyset fra planeter, der er lidt større end Jorden (og måske ligesom Jorden, hvis vi er optimistiske). Dette er en af vores bedste chancer for at se efter livsunderskrifter i disse atmosfærer. Selv hvis vi ikke finder en livssignatur, vil det gøre det muligt at forstå hele klasser af planeten, som vi ser indirekte (transitter, radial hastighed), men som vi ikke kender noget til ... Vigtigheden af direkte billeddannelse er, at den giver mulighed for direkte at undersøge atmosfæren og endda overfladen af disse planeter. Tilsætningen af en højopløsnings-spektrograf giver også en idé om vinde og global vindcirkulation samt sondering af tilstedeværelsen af forskellige molekyler. ”
Der vil naturligvis stadig være grænser for, hvad forskere kan lære ved hjælp af den direkte billeddannelsesmetode, selv med disse næste generations instrumenter og teleskoper til deres rådighed. Men mulighederne og konsekvenserne for exoplanet-forskning er intet mindre end enorme. Til at begynde med ville astronomer være i stand til at få en bedre idé om demografien af mindre, klippefyldte planeter, der kredser inden for deres stjerners respektive beboelseszoner.
"Opdagelsen af 'potentielt beboelige' planeter er helt sikkert det mest spændende tilfælde her, men det er vigtigt at huske på, at det vil forblive ganske vanskeligt, selv med 30m-teleskopet," sagde Artigua. ”Når vi foretager en statistisk forudsigelse, skal der kun være nogle få (sandsynligvis mindre end 10) jordiske planeter, som vil være tilgængelige og vil have en temperatur, der kan sammenlignes med vores.”
Inden for denne række planeter kan Artigau og hans kolleger forestille sig en række interessante scenarier. For eksempel kan nogle være Venus-lignende, hvor tæt atmosfære og en relativt tæt bane resulterer i en løbende drivhuseffekt. Andre kan være som Mars, hvor solvind eller udbrud har fjernet planetenes atmosfærer. Derudover kan der være jordiske planeter, som vi ikke engang kan begynde at forestille os.
”Kort sagt, de beboelige planeter kunne meget vel have mere fantasi end os,” konkluderede Dr. Artiqau. ”Denne mangfoldighed af exoplaneter indebærer også, at vi skal være forsigtige, når vi forudsiger, at det vil være beboelig.”
"[Den] nederste linje er, at vi kan gøre fantastiske ting i studiet af eksoplaneter fra jorden med 30-m-teleskoper, men det er nødvendigt med betydelige investeringer i teknologi for at blive klar til at bygge disse instrumenter til 30-m-teleskoper," tilføjede Mazin.
Undersøgelsen blev muliggjort takket være yderligere hjælp fra det nationale forskningsråd i Canada (NRC) og Giant Magellan Telescope Organization (GMTO) Corporation.
