Balra a Föld képe a DSCOVR-EPIC fényképezőgépből. Igaz, ugyanaz a kép 3 x 3 pixel felbontásra romlik, hasonlóan ahhoz, amit a kutatók látni fognak az exoplanet jövőbeli megfigyeléseiben (NOAA / NASA / STEPHEN KANE)

Kérdezd meg Ethan-t: Milyen lesz a földünkhöz hasonló exoplanet első közvetlen képe?

Meg fog lepődni, amit meg lehet tanulni akár egyetlen pixelből is.

Az elmúlt évtizedben, elsősorban a NASA Kepler küldetésének köszönhetően, a csillagrendszer körüli bolygókkal kapcsolatos tudásunk rendkívül megnőtt. Néhány világtól - többnyire masszív, gyors belső belső pályákkal és az alacsony tömegű csillagok körül - a szó szerint ezer szélesen változó méretű, most már tudjuk, hogy a Föld méretű és valamivel nagyobb világok rendkívül gyakoriak. A csillagvizsgálók következő generációjával, mind az űrből (mint például a James Webb Űrtávcső), mind a földről (olyan csillagvizsgálókkal, mint a GMT és ELT), a legközelebbi ilyen világok közvetlenül képeket képeznek. Hogyan fog kinézni? Timreham, a Patreon támogatója ezt akarja tudni, kérve:

[W] hat fajta felbontásra számíthatunk? [A] csak néhány pixel vagy néhány funkció látható?

Maga a kép nem lesz lenyűgöző. De amit megtanít nekünk, mindent meg tudunk álmodozni.

A művész átadta a Proxima b-t, amely körül kering a Proxima Centauri körüli körzetben. A 30 méteres osztályú távcsövekkel, mint például a GMT és az ELT, képeket képesek leszünk arra, hogy közvetlenül képeket képezzünk, valamint bármilyen külső, még nem észlelt világot. A távcsöveinkben azonban nem fog kinézni ilyesmiben. (ESO / M. KORNMESSER)

Először távolítsuk el a rossz hírt. A legközelebbi csillagrendszer az Alpha Centauri rendszer, amely maga alig több mint 4 fényévre fekszik. Három csillagból áll:

  • Alpha Centauri A, amely egy Napszerű (G osztályú) csillag,
  • Alpha Centauri B, amely kissé hűvösebb és kevésbé masszív (K-osztályú), de az Alpha Centauri A-t kering a Naprendszerünkben lévő gáz óriások távolságra, és
  • Proxima Centauri, amely jóval hidegebb és kevésbé masszív (M-osztály), és ismert, hogy legalább egy Föld méretű bolygója van.

Noha sokkal több bolygó lehet ezen a hármas csillagrendszer körül, az a tény, hogy a bolygók kicsik és a távolság rájuk, különösképp a saját Naprendszerünkön, óriási.

Ez a diagram az ESO rendkívül nagy távcsövének (ELT) új öt tükrös optikai rendszerét mutatja. Mielőtt eljutnának a tudományos műszerekhez, a fényt először a távcső óriási konkáv, 39 méteres szegmentált elsődleges tüköréből (M1) visszatükrözik, majd lepattan két további 4 méteres osztályú tükröt, egy konvex (M2) és egy konkáv (M3). Az utolsó két tükrök (M4 és M5) beépített adaptív optikai rendszert alkotnak, hogy rendkívül éles képeket képezzenek a végső gyújtótávolságra. Ennek a távcsőnek több fénygyűjtő képessége és jobb szögfelbontása van, legfeljebb 0,005

Az egyik legnagyobb teleszkóp, az ELT, 39 méter átmérőjű lesz, ami azt jelenti, hogy maximális szögfelbontása 0,005 ív másodperc, ahol 60 ív másodperc alkot 1 ív percet, és 60 ív perc alkotja 1 fokot. Ha egy Föld méretű bolygót helyezünk el a Proxima Centauri, a legközelebbi csillag távolságra a 4,24 fényévnél, a szögátmérője 67 mikro-ív másodperc (μas), ami azt jelenti, hogy még a legteljesebb közelgő távcsőnk is körülbelül 74-es tényezővel túl kicsi ahhoz, hogy egy Föld méretű bolygót teljes mértékben feloldhasson.

A legjobb, amire számíthattunk, az egy telített pixel volt, ahol a fény a legfejlettebb, legnagyobb felbontású fényképezőgépeinkkel a környező, szomszédos pixelekbe kerül. Vizuálisan óriási csalódás mindenkinek, aki abban reménykedik, hogy olyan látványos képet kap, mint a NASA által kidolgozott illusztrációk.

A művésznek a Kepler-186f exoplanet elképzelése, amely Föld-szerű (vagy korai, élettelen Föld-szerű) tulajdonságokkal rendelkezik. Mivel a képzelet szikrázó, mint az ilyen illusztrációk, ezek pusztán spekulációk, és a beérkező adatok egyáltalán nem nyújtanak ehhez hasonló nézetet. (NASA AMES / SETI INSTITUTE / JPL-CALTECH)

De itt fejeződik be a lementés. A koronagráf-technológia alkalmazásával képesek leszünk megakadályozni a szülőcsillagból származó fényt, közvetlenül a bolygó fényéből. Persze, csak pixel értékű fényt kapunk, de egyáltalán nem lesz folyamatos, állandó pixel. Ehelyett ezt a fényt három különféle módon figyeljük meg:

  1. Különféle színekben, fotometrikusan, megtanítva nekünk, hogy mi van a képen látható összes bolygó általános optikai tulajdonságával.
  2. Spektroszkópikusan, ami azt jelenti, hogy ezt a fényt az egyes hullámhosszokra bonthatjuk, és megkereshetjük az egyes molekulák és atomok szignatúráit a felületén és a légkörében.
  3. Idővel, azaz megmérhetjük, hogy a fentebb említett két tényező hogyan változik, amikor a bolygó egyaránt forog a tengelyén, és szezonálisan forog a szülőcsillag körül.

Csak egyetlen pixel értékű fény alapján meghatározzuk a tulajdonságok egész számát a kérdéses világban. Itt van néhány kiemelt téma.

Ábra egy exoplanetáris rendszerről, potenciálisan egy exónnal, amely körül kering. (NASA / DAVID HARDY, ASTROART.ORG)

Ha megmérjük a bolygó keringési pályáján visszatükröző fényét, érzékenyek leszünk sokféle jelenségre, amelyek közül néhányat már látunk a Földön. Ha a világnak eltérése van az albedóban (reflexió) az egyik félgömbtől a másikig, és bármilyen módon elfordul, kivéve az árapályhoz kapcsolt csillaghoz 1: 1 rezonanciát, akkor láthatunk egy periodikus jelet a csillag felé néző oldal idővel változik.

Például egy földrész kontinenseivel és óceánjaival olyan hullámhosszúságú jelet jeleníthet meg, amely különböző hullámhosszokon emelkedett és esett, ami megfelel annak a résznek, amely a közvetlen napfényben visszatükröződik, és visszatükrözi ezt a fényt a távcsöveinkbe itt, a Naprendszerben.

A NASA átmenő exoplanet-felmérési műholdas (TESS) által gyűjtött és közzétett adatokban eddig több száz jelölt bolygót fedeztek fel, ezek közül nyolcot eddig nyomon követési mérések igazoltak. Itt ábrázoljuk a három legegyedibb, legérdekesebb exoplanettát, és még sok más várható. A TESS által felfedezésre váró legközelebbi világ néhány jelöltje lehet annak, hogy Föld-szerű legyen és a közvetlen képalkotás elérhetõségén belül álljon. (NASA / MIT / TESS)

A közvetlen képalkotás ereje miatt közvetlenül mérhetjük az időjárás változásait egy bolygón a saját Naprendszerünkön kívül.

A Kék Márvány 2001–2002 közötti összetett képei, amelyeket a NASA Mérsékelt felbontású képalkotó spektrodiodiométer (MODIS) adataival készítettek. Amint az exoplanet forog, és az időjárási viszonyok megváltoznak, el tudjuk távolítani vagy rekonstruálhatjuk a bolygókontinentális / óceán / jégtábla arányok változásait, valamint a felhőborítás jelét (NASA).

Lehet, hogy az élet nehezebb jel az ugratás, de ha lenne egy exoplanet, amelyen élet van, hasonlóan a Földhöz, láthatunk néhány nagyon konkrét szezonális változást. A Földön az a tény, hogy bolygónk a tengelyén forog, azt jelenti, hogy télen, ahol a féltekén a Nap felé nézünk, a jégtakarók nagyobbra nőnek, a kontinensek jobban tükröződik, ha a hó alacsonyabb szélességi fokokra terjed ki, és a világ kevésbé zöld teljes színében.

Ezzel szemben nyáron féltekénk a Nap felé néz. A jégsapkák összezsugorodnak, míg a kontinensek zöldre válnak: a növényvilág domináns színe a bolygónkon. A hasonló szezonális változások befolyásolják az általunk ábrázolt exoplanet minden fényét, lehetővé téve, hogy ne csak a szezonális eltéréseket, hanem a színeloszlás és a visszaverődés százalékos változásait is kibírjuk.

A Titan ezen ábrán a metán ködét és a légkört szinte átlátszó kék színben mutatják be, a felhők alatti felületi elemekkel. Ennek a nézetnek az összeállításához ultraibolya, optikai és infravörös fényt használtunk. Ha egy hasonló képsorozatot egy időben kombinálunk egy közvetlenül képezett exoplanet számára, akár egyetlen pixellel is, rekonstruálhatjuk annak légköri, felületi és szezonális tulajdonságait. (NASA / JPL / ŰRTUDOMÁNYI INTÉZET)

Az általános bolygó- és pályajellemzőknek is megjelenniük kell. Ha nem figyeltük meg a bolygó átmenetet szempontjából - ahol a kérdéses bolygó áthalad köztünk és a csillag között, amelyikkel kering -, akkor nem tudhatjuk a pályájának tájolását. Ez azt jelenti, hogy nem tudhatjuk, mi a bolygó tömege; csak tömeg és a pálya dőlésszögének néhány kombinációját tudjuk megismerni.

De ha meg tudjuk mérni, hogy az abból származó fény hogyan változik az idő múlásával, akkor le tudjuk következtetni, hogy miként kell kinéznie a fázisai, és hogyan változnak ezek az idő múlásával. Ezt az információt felhasználhatjuk annak a degenerációnak a megsemmisítésére, meghatározzuk annak tömegét és orbitális dőlését, valamint a nagy bárok jelenlétét vagy hiányát a bolygó körül. Még egyetlen pixelből is, ahogyan a fényerő megváltozik, ha a szín, a felhőtakaró, az elforgatás és az évszakos változások kivonásra kerülnek, mindezt megtanulhatjuk.

A Vénusz fázisai, a Földről nézve, analógok az exoplanet fázisaival, amikor a csillag körül kering. Ha az „éjszakai” oldal bizonyos hőmérsékleti / infravörös tulajdonságokat mutat, pontosan azokat, amelyekre James Webb érzékeny, akkor meghatározhatjuk, hogy vannak-e légköreik, és spektroszkóposan meghatározhatjuk, hogy mi a légköri tartalom. Ez továbbra is igaz, anélkül, hogy azokat közvetlenül a tranziton mérnék. (A WIKIMEDIA NICHALP ÉS SAGREDO KÖZÖS FELHASZNÁLÓK)

Ez nagyon sok ok miatt lesz fontos. Igen, a nagy, nyilvánvaló remény az, hogy találunk egy oxigénben gazdag légkört, talán még közömbös, de közönséges molekulával, például nitrogén gázzal párosítva, amely valóban földszerű légkört hoz létre. De meghaladhatjuk ezt, és megvizsgálhatjuk a víz jelenlétét. A potenciális élet egyéb aláírásait, például a metánt és a szén-dioxidot is meg lehet keresni. És egy újabb szórakoztató előrelépés, amelyet manapság nagymértékben alulbecsültek, a szuper-Föld világok közvetlen képalkotásán lesz. Melyiknek van óriási hidrogén- és héliumgáz-burkolata, és melyiknek nem? Közvetlen módon végül meg tudjuk vonni egy vonzó vonalat.

A bolygók osztályozási sémája sziklás, Neptunusz, Jupiter vagy csillagszerű. A föld- és a Neptunusz-szerű határ homályos, ám a jelölt szuper-Föld világok közvetlen képalkotó képessége lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk, van-e gázburkolat a kérdéses bolygó körül vagy sem. (CHEN ÉS KIPPING, 2016, VIA ARXIV.ORG/PDF/1603.08614V2.PDF)

Ha valóban a Naprendszeren kívüli bolygó tulajdonságait szeretnénk leképezni, akkor több százszor nagyobb távcsőre lenne szükségünk, mint a jelenleg tervezett legnagyobb: több kilométer átmérőjű. Mindaddig, amíg el nem érkezik ez a nap, várakozással tekinthetünk tehát sok fontos dolgot a galaxisunkban lévő legközelebbi Föld-szerű világokról. A TESS odakint van, most megtalálja azokat a bolygókra. James Webb befejeződött, és várja a 2021-es megjelenési időpontját. Három 30 méteres osztályú távcsövet építenek, az első (GMT), amely 2024-ben elérhetővé válik az interneten, és a legnagyobb (ELT), amely 2025-ben látta először az első fényt. Ekkor már egy évtized múlva lesz közvetlen kép (optikai és infravörös) adatok több tucat Föld méretű és valamivel nagyobb világon, a Naprendszeren túl.

Egy pixel nem tűnik soknak, de ha arra gondolsz, mennyit tudunk megtanulni - az évszakokról, az időjárásáról, a kontinensekről, az óceánokról, a jégkrémről és akár az életről is -, akkor elegendő a lélegzeted.

Küldje el az Ethan kérdéseit a kezdőlapra és a gmail dot com-re!

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.