Under de senaste decennierna har antalet extra-solplaneter som har upptäckts och bekräftats ökat exponentiellt. För närvarande har förekomsten av 3 778 exoplaneter bekräftats i 2 818 planetsystem, med ytterligare 2 737 kandidater som väntar på bekräftelse. Med denna volym planeter tillgängliga för studier har fokus för exoplanetforskning börjat flytta från detektion till karakterisering.
Till exempel är forskare alltmer intresserade av att karakterisera atmosfärerna av exoplaneter så att de med säkerhet kan säga att de har rätt ingredienser för livet (dvs. kväve, koldioxid, etc.). Tyvärr är detta mycket svårt med hjälp av nuvarande metoder. Enligt en ny studie från ett internationellt team av astronomer kommer nästa generations instrument som förlitar sig på direktavbildning emellertid att vara en spelväxlare.
Studien, "Direkt avbildning i reflekterat ljus: karaktärisering av äldre, tempererade exoplaneter med 30 m-teleskop", dykte nyligen upp online. Studien leddes av Michael Fitzgerald och Ben Mazin - lektor i astrofysik vid University of California Los Angeles (UCLA) respektive Worster Chair in Experimental Physics vid University of California Santa Barbara (UCSB).
De förenades av forskare från University of Montreals Institute for Exoplanets Research (iREX), NASAs Jet Propulsion Laboratory, Carnegie Observatories, Steward Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Kalifornien Institute of Technology (Caltech) och flera universitet.
Som de indikerar i sin studie är våra förmågor att karakterisera exoplaneter för närvarande begränsade. Till exempel har våra nuvarande metoder - de mest använda är överföringsmetoden och radialhastighetsmätningar - lett till att tusentals korta planeter har upptäckts (planeter som går i närheten av deras solar med en period på cirka 10 dagar). Emellertid börjar känsligheten för dessa metoder sjunka väsentligt ju längre exoplaneten är från dess sol.
Dessutom är planeter över lång tid också till stor del otillgängliga när det gäller deras spektra. Denna typ av analys handlar om att mäta ljuset som passerar genom en planetens atmosfär när det passerar in från sin stjärna. Genom att mäta sina spektra för att bestämma dess sammansättning kan forskare karakterisera exoplanetens atmosfär och bestämma om en planet i själva verket kan vara beboelig.
För att ta itu med detta föreslår teamet att direkt detektion (aka direktavbildning) kommer att vara en mer effektiv metod för att karakterisera atmosfären på exoplaneter. Som Dr. Étienne Artigau, en forskare iREX och en medförfattare till studien, förklarade Space Magazine via e-post (översatt från franska)
"Ingen planet som hittats hittills har hittats i" reflekterat ljus ". När vi ser planeterna i vårt solsystem är det för att de är upplysta av solen att vi kan se dem. På samma sätt reflekterar de andra stjärnornas planeter ljus och det måste vara möjligt att upptäcka detta ljus med ett tillräckligt kraftfullt teleskop. Flödesförhållandet mellan planeterna och deras stjärna är enormt, i storleksordningen 1 miljard, jämfört med planeterna som upptäcks av deras termiska utsläpp, eller detta förhållande är snarare i storleksordningen 1 miljon. "
För närvarande är direktavbildning det enda sättet att få spektra av icke-transiterande exoplaneter, särskilt de som är på mellanliggande och stora avstånd från deras solar. I detta fall erhåller astronomer spektra från ljus reflekterat från exoplanetens atmosfär för att bestämma dess sammansättning. Endast en handfull exoplaneter har hittills direkt avbildats, som alla var självlysande superjupiter som kretsade runt sina värdstjärnor på ett avstånd av hundratals eller tusentals AU.
Dessa planeter var mycket unga och hade temperaturer över 500 ° C (932 ° F), vilket gör dem till en ganska sällsynt klass av planeter. Som ett resultat har astronomer ingen information om mångfalden i exoplanetatmosfärer, särskilt när det gäller mindre, steniga planeter som har temperaturer som är mer besläktade med jorden - där yttemperaturerna i genomsnitt är cirka 15 ° C (58,7 ° F).
Detta beror på att befintliga teleskop helt enkelt inte har känsligheten för att direkt avbilda mindre planeter som går i närheten av stjärnorna. Som de bestämde i sin studie, skulle karaktärisera atmosfärerna av planeter som ligger inom 5 AU för sina stjärnor (där undersökningar av radiell hastighet har avslöjat många planeter) krävde ett teleskop med en 30-metersöppning i kombination med avancerad adaptiv optik, en kronavsnitt och svit med spektrometrar och bildtagare.
"Kort sagt, inget aktuellt teleskop kan upptäcka dessa planeter, även runt de stjärnor som är närmast oss, men det finns all anledning att tro att nästa generation teleskop med en diameter på 30 m och mer kommer att kunna göra det," sade Artiqua. "Det är inte säkert att man först kan upptäcka planeter som jorden, men åtminstone borde man kunna upptäcka planeter som är jämförbara med Uranus och Neptun, vilket redan skulle vara ett fantastiskt resultat."
Sådana nästa generations anläggningar och anpassningsbara optiska instrument inkluderar Planetary Systems Imager (PSI) på Thirty Meter Telescope (TMT), som föreslås för konstruktion på Mauna Kea, Hawaii. Och det finns GMagAO-X-instrumentet på Giant Magellan Telescope (GMT), som för närvarande håller på att byggas vid Las Campanas observatorium och planeras vara klar 2025.
Som Artigau antydde kommer undersökningar genomförda med dessa nästa generations instrument att göra det möjligt för astronomer att upptäcka och karakterisera ett bredare spektrum av planeter, såväl som för att kunna leta efter möjliga tecken på liv (alias biosignaturer), som aldrig tidigare:
”Detta gör att vi direkt kan studera ljuset som kommer från planeter som är lite större än jorden (och kanske som jorden om vi är optimistiska). Detta är en av våra bästa chanser att leta efter livssignaturer i dessa atmosfärer. Även om vi inte hittar en livssignatur kommer det att göra det möjligt att förstå hela klasser av planeten som vi ser indirekt (transiter, radiell hastighet) men som vi inte vet någonting ... Betydelsen av direkt avbildning är att den gör det möjligt att direkt undersöka atmosfären och till och med ytan på dessa planeter. Tillägget av en högupplösta spektrograf ger också en uppfattning om vindar och global vindcirkulation, samt undersöker närvaron av olika molekyler. ”
Naturligtvis kommer det fortfarande att finnas gränser för vad forskare kan lära sig med den direkta bildbehandlingsmetoden, även med dessa nästa generations instrument och teleskop till sitt förfogande. Men möjligheterna och konsekvenserna för exoplanetforskning är inget annat än enorma. Till att börja med skulle astronomer kunna få en bättre uppfattning om demografin för mindre, steniga planeter som går i deras stjärners respektive bebyggda zoner.
"Upptäckten av" potentiellt bebodda "planeter är säkert det mest spännande fallet här, men det är viktigt att komma ihåg att det kommer att förbli ganska svårt även med 30m-teleskopet," sade Artigua. "När vi gör en statistisk förutsägelse bör det bara finnas några (förmodligen mindre än 10) markplaneter som kommer att vara tillgängliga och har en temperatur som kan jämföras med vår."
Inom planeten kan Artigau och hans kollegor föreställa sig ett antal intressanta scenarier. Till exempel kan vissa vara Venusliknande, där täta atmosfärer och en relativt nära omloppsbana resulterar i en språngväxthuseffekt. Andra kan vara som Mars, där solvind eller utbrott har tagit bort planetens atmosfärer. Utöver det kan det finnas markplaneter som vi inte ens kan börja föreställa oss.
”Kort sagt, de bebodda planeterna kan mycket väl ha mer fantasi än oss,” avslutade Dr. Artiqau. "Denna mångfald av exoplaneter innebär också att vi måste vara försiktiga när vi förutspår att det kommer att vara bebott."
"[Den] kärnpunkten är att vi kan göra fantastiska saker i studien av exoplaneter från marken med 30 m-teleskop, men betydande investeringar i teknik krävs för att göra dig redo att bygga dessa instrument för 30-m-teleskop," tillade Mazin.
Studien möjliggjordes tack vare ytterligare hjälp från National Research Council of Canada (NRC) och Giant Magellan Telescope Organization (GMTO) Corporation.
