Wie könnte ein 20-Zoll-Weltraumteleskop „erdgroße Planeten erkennen“, die Alpha Centauri umkreisen?

Der Artikel Telescope to Seek Earthlike Planet in Alpha Centauri System der NY Times beschreibt einen geplanten Versuch, ein Teleskop ziemlich schnell in die Umlaufbahn zu bringen, mit einem eng definierten Zweck – um nach Planeten im Alpha Centauri -System zu suchen, das etwa 4,37 Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Die recht schnelle Finanzierung, Gestaltung, Montage und Bereitstellung im Weltraum wird zum Teil durch den eng definierten Zweck und das zwingende öffentliche Interesse an dieser speziellen Frage ermöglicht.

Ich holte meine Schachtel mit Umschlagrückseiten heraus und tat Folgendes. Da keine Luft vorhanden ist, ist keine adaptive Optik erforderlich, sodass die Standardbeugungsgrenze gilt. Für eine Airy-Disk :

θ ≈ 1.22 λ d

Der Artikel beschreibt das Teleskop als waschmaschinengroß mit einer Öffnung von 20 Zoll oder etwa 50 cm. Wenn ich eine sichtbare Wellenlänge von 500 nm wähle, erhalte ich eine Auflösung von etwa 1,22 Mikrorad ( μ R). 4,37 Lichtjahre sind etwa 4,13 E + 13 km oder 2,76 E + 05 AE.

Das macht die luftige Scheibe bei Alpha Centauri zu etwa 0,34 AE. Die tatsächliche Punktstreufunktion eines Teleskops hängt nicht nur von der theoretischen Beugung der Apertur ab, sondern auch von der Beugung von Sekundärteilen und Stützen innerhalb der Apertur, von Aberrationen aufgrund unvollkommen geformter optischer Oberflächen und Streuung und Trübung aufgrund von Nanorauheit von Spiegeloberflächen. (siehe unten)

Könnte ein 20-Zoll-Teleskop und das zugehörige Experimentpaket schnell zusammengestellt werden, das tatsächlich einen erdähnlichen Planeten im Alpha-Centauri-System aus dem Weltraum auflösen (oder "ausmachen" könnte, wie der Artikel sagt)? Wenn ja, was genau könnte es tun, was von keinem existierenden Teleskop im Orbit oder auf der Erde getan werden kann?

Eine Darstellung des kompakten Exoplaneten-Bildteleskops Project Blue

oben: „Ein Rendering des kompakten abbildenden Exoplaneten-Teleskops Project Blue plant, in die Umlaufbahn zu starten und Alpha Centauri anzupeilen. Credit Project Blue“ von hier .

Es fällt auf, dass das Sekundärteil außeraxial montiert ist, was mechanische und optische Vorteile (z. B. Beugung) haben kann, aber wahrscheinlich die Bildqualität auf ein enges Sichtfeld einschränken würde, was für ein Einzelzielteleskop in Ordnung sein könnte, falls vorhanden geeignete Kalibrierziele in der Nähe.

Eine nette Diskussion über die Punktspreizfunktion des Hubble-Weltraumteleskops finden Sie hier: 20 Jahre optische Modellierung des Hubble-Weltraumteleskops mit Tiny Tim (Krist et al 2011, Proc. of SPIE Vol. 8127 81270J-1) und die Reduktion Streuung und Trübung durch Spiegel-Nanorauhigkeit durch die Verwendung von refraktiven Optiken (Linsen) wird durch das DRAGONFLY- Instrument angegangen. Siehe auch Was ist (eigentlich) der "deprojizierte Halblichtradius" dieser fast vollständig aus dunkler Materie bestehenden Galaxie?

Proxima Centauri b wurde über Radialgeschwindigkeiten entdeckt, Sie werden auf keinen Fall genug Kontrast bekommen, um es direkt zu sehen.
@AtmosphericPrisonEscape, wenn du das sagst, aber komm in ein oder zwei Tagen wieder - vielleicht gibt es eine oder zwei gegenteilige Antworten.
Ein Problem besteht darin, dass populäre Medienschreiber in den populären Medien „tatsächliche Bildgebung“ („ein Bild von“) völlig mit Erkennung unter Verwendung von Transition und so weiter verwechseln. Die NY Times ist so zutiefst ungenau, dass ich mir nicht sicher bin, ob es sich lohnt, sich so oder so mit dem Artikel zu beschäftigen!
@JoeBlow Wenn Sie den Wissenschaftsteil der NY Times mehrere Jahre lang verfolgen, werden Sie feststellen, dass es sich nicht gerade um gewöhnliche "populäre Medien" handelt. Sie leisten im Allgemeinen hervorragende Arbeit. Dies ist eine Weltklasse- Zeitung der Rekorde und es gibt sowohl hochkarätige wissenschaftliche Nachrichten als auch wissenschaftliche Debatten im redaktionellen Teil, die von führenden Wissenschaftlern verfasst wurden.
Hallo Uho; Ich denke, die Meinungen gehen auseinander, aber sicher; hier nicht der Platz für eine Diskussion. Nur als allgemeiner Punkt, es ist ein "ärgerliches Problem unserer Zeit!" die über Exoplaneten-Technologie berichten, verwechseln ständig Direct-Imaging mit Detektionsmethoden. Beifall!
@JoeBlow In diesem Fall bin ich mir ziemlich sicher, dass das Ziel dieses Teleskops tatsächlich darin besteht, ein Bild zu erzeugen, das den Planeten auflöst, und dass der Artikel in keiner Weise fehlerhaft oder irreführend ist. Aus diesem Grund stelle ich diese Frage. Sie scheinen tatsächlich zu planen, dies mit fortschrittlicher Coronograph-Technologie vor größeren (zukünftigen) Weltraumteleskopprojekten zu tun. Siehe diesen und diesen Kommentar.
@uhoh - großartig; und danke dafür. (Meine Warnung gilt als Warnung für zukünftige populärwissenschaftliche Leser! : )

Antworten (1)

Ich bin mit dem Design des ProjectBlue-Teleskops nicht vertraut, aber ich denke, Sie haben Ihre eigene Frage beantwortet.

Die bewohnbaren Zonen für Alpha Cen A und B sind ungefähr bei 1,25 au und 0,7 au zentriert. Beide sind 4,37 Lichtjahre entfernt.

1au bei 4,37 Lichtjahren, überspannt einen Winkel von 0,74 Bogensekunden. Wenn man bei blauen Wellenlängen arbeitet (das Ziel scheint zu sein, einen hellblauen Punkt zu finden, also sagen wir 400 nm), wird mit einem Teleskop mit einem Durchmesser von nur 13 cm eine Airy-Scheibe von 0,74 Bogensekunden erreicht. Um Planeten in der habitablen Zone aufzulösen, bräuchten Sie ein etwas größeres Teleskop.

Ein größeres Problem besteht jedoch darin, das Signal von Stern und Planeten zu trennen, wenn sie kaum aufgelöst werden. Die Airy-Scheibe ist nur das erste Minimum im Beugungsmuster. Wenn der Stern etwa 10 Milliarden Mal so hell ist wie der Planet (Ballparkzahl), dann würde er immer noch einen Planeten überschwemmen, der gerade aufgelöst wurde.

Daher müssen Sie ein größeres Teleskop bauen, um die Winkelauflösung zu erhöhen. Und Sie müssen hervorragende Optiken und einen Koronographen bauen, um zu verhindern, dass das Licht des Sterns Ihren Detektor überschwemmt. Aber das kostet mehr Geld, das Teleskop hat mehr Masse, braucht eine größere Trägerrakete usw. Ich schätze also, ein 50-cm-Teleskop ist ihr Kompromiss.

Ist es erreichbar? Ich weiß nicht. Die besten Teleskope der Erde erreichen mit adaptiver Optik eine nahezu beugungsbegrenzte Winkelauflösung. Der Kontrast, den sie für Exoplanetenaufnahmen erzielen können, wird jedoch bis zu einem gewissen Grad durch die Atmosphäre beeinträchtigt. Wenn Sie nach einem "blassblauen Punkt" suchen, dann ist dies vom Boden aus nicht möglich, da adaptive optische Systeme derzeit bei solchen Wellenlängen nicht funktionieren.

Gut möglich, dass erdähnliche Planeten in der habitablen Zone von Alpha Cen in den nächsten Jahren durch verbesserte Radialgeschwindigkeitsmessungen vom Boden aus entdeckt werden könnten, nicht aber durch Bildgebung.

Eine interessante Frage ist, warum dies jetzt nicht mit HST möglich ist. Das vorgeschlagene Teleskop wird dies zwei Jahre lang tun. Selbst wenn HST dies auf Monate verkürzen könnte, bin ich nicht davon überzeugt, dass die Entdeckung eines schwachen Flecks um den nächsten Stern die notwendige Wissenschaft auszahlt, um die Zeit zu bekommen, zumal die Wahrscheinlichkeit eines Fehlschlags durchaus besteht. Möglicherweise befinden sich keine Planeten in der bewohnbaren Zone oder es befindet sich möglicherweise genügend Tierkreisstaub im System, um die Messungen aufgrund von Streulicht unmöglich zu machen.

Weitere Untersuchungen deuten darauf hin, dass der Koronograph der HST-ACS-Kamera bei Winkelabständen von einer Bogensekunde nur einen Kontrast von etwa 7–8 Magnituden (Faktoren von Tausend) liefern würde. Also bei weitem nicht das, was benötigt wird. Dieses neue Teleskop muss eine radikal verbesserte Optik und einen fortschrittlicheren Koronographen haben.

Ich habe etwas über Project Blue gelesen (im Artikel der NY Times erwähnt), seit ich die Frage gestellt habe. Ich kam so weit wie projectblue.org/the-mission „Project Blue wird Koronographen- und Wellenfronttechnologien demonstrieren und testen, die denen ähneln, die auf viel größeren zukünftigen Weltraumteleskopen verwendet werden könnten, die derzeit von der NASA untersucht werden (z. B. HabEX, LUVOIR). .", aber ich bin mir nicht sicher, wie viel von dieser Technologie in diesem Fall getestet werden würde. Ich brauche etwas Hilfe, um das alles zu sortieren, bin mir nicht sicher, ob ich es der Frage hinzufügen soll.
Ich denke, die Apodisation verändert die Point-Spread-Funktion dramatisch, so dass es nicht mehr so ​​​​wie das einfache Airy-Disk-Modell ist?
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