VAD äR METODEN FöR DIREKT AVBILDNING?

Send

Välkommen tillbaka till den senaste delen i vår serie om exoplanet-jaktmetoder. Idag börjar vi med den mycket svåra, men mycket lovande metoden som kallas Direct Imaging.

Under de senaste decennierna har antalet planeter som upptäckts bortom vårt solsystem ökat med höga språng. Från och med den 4 oktober 2018 har totalt 3 869 exoplaneter bekräftats i 2 877 planetsystem, med 638 system som är värd för flera planeter. Tyvärr, på grund av begränsningarna astronomer har tvingats kämpa med, har den stora majoriteten av dessa upptäckts med indirekta metoder.

Hittills har bara en handfull planeter upptäckts genom att avbildas när de kretsade om sina stjärnor (alias Direct Imaging). Även om det är utmanande jämfört med indirekta metoder, är denna metod den mest lovande när det gäller att karakterisera atmosfären på exoplaneter. Hittills har 100 planeter bekräftats i 82 planetsystem med denna metod, och många fler förväntas hittas inom en snar framtid.

Beskrivning:

Som namnet antyder består Direct Imaging av att ta bilder av exoplaneter direkt, vilket är möjligt genom att söka efter det ljus som reflekteras från en planetens atmosfär vid infraröda våglängder. Anledningen till detta beror på att en stjärna vid infraröda våglängder endast är cirka 1 miljon gånger ljusare än en planet som reflekterar ljus, snarare än en miljard gånger (vilket vanligtvis är fallet med visuella våglängder).

En av de mest uppenbara fördelarna med Direct Imaging är att det är mindre benäget för falska positiver. Medan transiteringsmetoden är benägen att falska positiver i upp till 40% av fallen involverar ett enda planetsystem (vilket kräver uppföljningsobservationer), planeter som upptäcks med hjälp av Radial Velocity Method kräver bekräftelse (varför det vanligtvis är parat med transitmetoden) . I kontrast tillåter Direct Imaging astronomer att faktiskt se planeterna de letar efter.

Även om möjligheterna att använda denna metod är sällsynta, oavsett om detektering kan göras direkt, kan den ge forskare värdefull information om planeten. Genom att undersöka spektra som reflekteras från en planetens atmosfär kan astronomer till exempel få viktig information om dess sammansättning. Denna information är inneboende för exoplanet-karaktärisering och bestämmer om den är potentiellt bebörlig.

När det gäller Fomalhaut b gjorde denna metod astronomer möjlighet att lära sig mer om planetens interaktion med stjärnans protoplanetära disk, placera begränsningar på planetens massa och bekräfta förekomsten av ett massivt ringsystem. När det gäller HR 8799 gav mängden infraröd strålning som reflekterades från dess exoplanetts atmosfär (i kombination med modeller av planetbildning) en grov uppskattning av planetens massa.

Direktavbildning fungerar bäst för planeter som har stora banor och som är särskilt massiva (t.ex. gasjättar). Det är också mycket användbart för att upptäcka planeter som är placerade “ansikte mot”, vilket innebär att de inte passerar framför stjärnan relativt observatören. Detta gör det gratis med radiell hastighet, som är mest effektiv för att upptäcka planeter som är "kant-på", där planeter gör transiter av sin stjärna.

Jämfört med andra metoder är Direct Imaging ganska svårt på grund av den dolda effekten som ljus från en stjärna har. Med andra ord är det mycket svårt att upptäcka ljuset som reflekteras från en planetens atmosfär när dess moderstjärna är så mycket ljusare. Som ett resultat är möjligheterna till direktavbildning mycket sällsynta med dagens teknik.

För det mesta kan planeter bara upptäckas med denna metod när de går i stora avstånd från sina stjärnor eller är särskilt massiva. Detta gör det väldigt begränsat när det gäller att söka efter markbundna (alias "jordliknande") planeter som går i närhet till deras stjärnor (dvs inom deras stjärnas bebörliga zon). Som ett resultat är denna metod inte särskilt användbar när det gäller att söka efter potentiellt bebodda exoplaneter.

Exempel på direktavbildningsundersökningar:

Den första exoplanetdetekteringen som gjordes med denna teknik inträffade i juli 2004, då en grupp astronomer använde European Southern Observatory (ESO) Very Large Telescope Array (VLTA) för att avbilda en planet flera gånger massan av Jupiter i närheten av 2M1207 - en brun dvärg som ligger cirka 200 ljusår från jorden.

2005 bekräftade ytterligare observationer denna exoplanets bana kring 2M1207. Vissa har emellertid förblivit skeptiska över att detta var det första fallet med "Direct Imaging", eftersom den låga ljusstyrkan hos den bruna dvärgen var det som gjorde detekteringen av planeten möjlig. Dessutom, eftersom den kretsar runt en brun dvärg har fått vissa att hävda att gasjätten inte är en riktig planet.

I september 2008 avbildades ett föremål med en avskiljning på 330 AU kring värdstjärnan, 1RXS J160929.1? 210524 - som ligger 470 ljusår bort i Skorpiuskonstellationen. Det var emellertid först 2010 som det bekräftades att det var en planet och en följeslagare till stjärnan.

Den 13 november 2008 meddelade ett team av astronomer att de fångade bilder av en exoplanet som kretsar runt stjärnan Fomalhaut med hjälp av Hubble Space Telescope. Upptäckten möjliggjordes tack vare den tjocka skivan med gas och damm som omger Fomalhaut och den vassa inre kanten som antyder att en planet hade rensat skräp från sin väg.

Uppföljningsobservationer med Hubble producerade bilder av disken, som gjorde det möjligt för astronomer att lokalisera planeten. En annan bidragande faktor är det faktum att denna planet, som är dubbelt så stor som Jupiters massa, är omgiven av ett ringsystem som är flera gånger tjockare än Saturns ringar, vilket fick planeten att lysa ganska ljust i visuellt ljus.

Samma dag tillkännagav astronomer som använde teleskop från både Keck-observatoriet och Gemini-observatoriet att de hade avbildat tre planeter som kretsade kring HR 8799. Dessa planeter, som har massorna 10, 10 och 7 gånger Jupiter, upptäcktes alla i infraröd våglängder. Detta tillskrivs det faktum att HR 8799 är en ung stjärna och planeterna kring den tros fortfarande behålla en del av värmen från deras bildning.

2009 avslöjade analysen av bilder från 2003, förekomsten av en planet som kretsar kring Beta Pictoris. 2012 tillkännagav astronomer som använde Subaru-teleskopet vid Mauna Kea-observatoriet avbildningen av en "Super-Jupiter" (med 12,8 Jupiter-massor) som kretsar runt stjärnan Kappa Andromedae på ett avstånd av cirka 55 AU (nästan två gånger avståndet från Neptunus från Sol).

Andra kandidater har hittats under åren, men hittills förblir de okontrollerade som planeter och kan vara bruna dvärgar. Totalt har 100 exoplaneter bekräftats med hjälp av Direct Imaging-metoden (ungefär 0,3% av alla bekräftade exoplaneter), och de allra flesta var gasjättar som kretsade i stora avstånd från sina stjärnor.

Detta förväntas dock förändras inom en snar framtid när nästa generations teleskop och annan teknik blir tillgängliga. Dessa inkluderar markbaserade teleskop utrustade med adaptiv optik, såsom Thirty Meter Telescope (TMT) och Magellan Telescope (GMT). De inkluderar också teleskop som förlitar sig på koronografi (som James Webb Space Telescope (JWST)), där en enhet inuti teleskopet används för att blockera ljus från en stjärna.

En annan metod som utvecklas är känd som en "starshade", en enhet som är placerad för att blockera ljus från en stjärna innan den ens går in i ett teleskop. För ett rymdbaserat teleskop som letar efter exoplaneter skulle en stjärnskärm vara ett separat rymdskepp, utformat för att placera sig på precis rätt avstånd och vinkel för att blockera stjärnljus från stjärnastronomerna observerade.

Vi har många intressanta artiklar om exoplanet-jakt här på Space Magazine. Här är What is the Transit Method ?, What is the Radial Speed Speed Method ?, What is the Gravitational Microlensing Method?, Och Keplers universum: Fler planeter i vår galax än stjärnor.

Astronomy Cast har också några intressanta avsnitt om ämnet. Här är avsnitt 367: Spitzer gör Exoplanets och avsnitt 512: Direct Imaging of Exoplanets.

För mer information, se till att besöka NASA: s sida om Exoplanet Exploration, Planet Society's sida om Extrasolar Planet och NASA / Caltech Exoplanet Archive.

källor: