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, hogy mit lehet megtanulni akár egyetlen pixelből is.

Az elmúlt évtizedben, elsősorban a NASA Kepler küldetésének köszönhetően, a csillagrendszer körüli bolygókkal kapcsolatos ismereteink rendkívül növekedtek. Néhány világtól - többnyire masszív, gyors, 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 képesek lesznek közvetlenül megvilágítani. Hogyan fog kinézni? Tim Graham, a Patreon támogatója ezt akarja tudni, kérve:

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

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

A Proxima Centauri körüli körüli keringő művész átadása. Olyan 30 méteres osztályú távcsövekkel, mint a GMT és az ELT, képeket képesek leszünk közvetlenül képeinkre, valamint bármilyen külső, még nem észlelt világra. A távcsövein azonban ez nem fog kinézni. (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 Naprendszerben lévő gáz óriások távolságra, és
  • Proxima Centauri, amely jóval hűvösebb és kevésbé masszív (M-osztályú), és ismert, hogy legalább egy Föld méretű bolygója van.

Noha sok más bolygó is lehet ennek a háromszemélyes csillagrendszernek a 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 be. Mielőtt eljutnának a tudományos műszerekhez, a fényt először a teleszkóp 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 összes építendő legnagyobb távcső, az ELT átmérője 39 méter 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, 4,24 fényévre, a szögátmérője 67 mikro-ív másodperc (μas), ami azt jelenti, hogy még a legteljesebb közelgő távcsőnk is 74-es tényezővel túl kicsi lenne ahhoz, hogy egy Föld méretű bolygót teljes mértékben feloldja.

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 mindenki számára, 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 szikra, mint például az ilyen illusztrációk, pusztán spekulációk, és a bejövő adatok egyáltalán nem nyújtanak ehhez hasonló képet. (NASA AMES / SETI INSTITUTE / JPL-CALTECH)

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

  1. Különféle színekben, fotometrikusan, megtanítva nekünk, hogy mi a képfényképezett bolygó általános optikai tulajdonságai.
  2. Spektroszkópikusan, ami azt jelenti, hogy fel tudjuk bontani ezt a fényt az egyes hullámhosszokra, és megkereshetjük az egyes molekulák és atomok jelét 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 szülő csillag körül.

Csak egyetlen pixel értékű fény alapján meghatározzuk a tulajdonságok egész sorát a kérdéses világban. Íme 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 periodikus jelet láthatunk a csillag felé néző oldal idővel változik.

Például egy földrész kontinenseivel és óceánjaival olyan hullámhosszúságú jelet jeleníthet meg, amely különböző hullámhosszokban fel-le-es-esett, ami megfelel annak a résznek, amely a közvetlen napfényben visszatükröződik, és visszatükrözi ezt a fényt a távcsöveinkbe, a Naprendszerben.

A NASA tranzit exoplanet-felmérési műholdas (TESS) által összegyűjtött 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 és a közvetlen képalkotás határain belül legyen. (NASA / MIT / TESS)

A közvetlen képalkotás ereje miatt közvetlenül megmérhetjük 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 időjárása megváltozik, el tudjuk távolítani vagy rekonstruálhatjuk a bolygókontinentális / óceán / jégkorong 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, akkor néhány nagyon konkrét szezonális változást tapasztalunk. A Földön az a tény, hogy bolygónk a tengelyén forog, azt jelenti, hogy télen, ahol a féltekén a Nap felé nézünk, a jégsapkák 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 jégkorongok összezsugorodnak, míg a kontinensek zöldre válnak: a növény életének domináns színe a bolygónkon. A hasonló szezonális változások befolyásolják az általunk ábrázolt bármely exoplanet fényét, lehetővé téve, hogy ne csak a szezonális eltéréseket, hanem a színeloszlás és a visszaverődés százalékos változásait is kibírjuk.

A Titán ezen képén a metán köd és a légkör csaknem átlátszó kék színű, a felhők alatti felületi elemekkel vannak ábrázolva. 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 figyeljük 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 a tömegének és a pálya dőlésszögének néhány kombinációját tudjuk megismerni.

De ha meg tudjuk mérni, hogy az abból származó fény hogyan változik az idő múlásával, akkor levonhatjuk, 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, amikor 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 akár közömbös, de közönséges molekulával, például nitrogén gázzal párosítva, amely valóban földi légkört hoz létre. De meghaladhatjuk ezt, és megvizsgálhatjuk a víz jelenlétét. A potenciális élet egyéb aláírásait, például a metánt és a szén-dioxidot is keresni lehet. És egy újabb szórakoztató előrelépés, amelyet manapság nagymértékben alulbecsültek, a szuper-Föld világok közvetlen képalkotásán fog megjelenni. Melyiknek van óriási hidrogén- és héliumgáz-burkolata, és melyiknek nincs? Közvetlen módon végre meg tudjuk vonni a vonzó vonalat.

A bolygók besorolási sémája sziklás, Neptunusz, Jupiter vagy csillagszerű. A föld- és a Neptunusz-szerű határ homályos, de a szuper-Föld tagjelölt világok közvetlen képalkotó képessége lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk, van-e gázboríték az adott 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 tekintünk tehát sok fontos dolgot a galaxisunk legközelebbi Föld-szerű világaival kapcsolatban. A TESS odakint van, most megtalálja azokat a bolygókra. James Webb kész, várva a 2021-es bevezetési dátumot. 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, 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.