Wann werden wir die Technologie haben, um einen Exoplaneten direkt mit signifikanter Klarheit zu beobachten?

Ich fürchte, es wäre extrem schwierig - einfach die Anzahl der Photonen, die von einer Planetenoberfläche reflektiert werden und die Erde (und die Teleskoplinse, wie groß sie auch sein mag) innerhalb des Zeitrahmens für ein solides Foto erreichen, ist zu klein, um ein aussagekräftiges Bild zu erstellen.

Planeten sind nicht stationär; Sie umkreisen ihre Sterne, und das bedeutet, dass Langzeitbelichtungsfotos sie als Spuren zeigen. Natürlich könnte das Teleskop dazu gebracht werden, der Umlaufbahn zu folgen, und wir könnten schließlich das Bild der Planetenscheibe tatsächlich erreichen. Leider drehen sie sich auch um ihre Achse, und das bedeutet, dass wir nicht ihre Oberflächenfotos erhalten, sondern nur verschwommene Linien um die Scheibe herum. Wenn wir schlau genug wären, könnten wir mehrmals kurzzeitige Fotos in derselben "Stunde" des "Tages" des Planeten machen und sie kombinieren, um das zu bekommen, was wir wollen - vorausgesetzt, wir können irgendwie herausfinden, wie lange der "Tag" des Planeten ist " ist. Aber das gilt nur für Planeten ohne oder mit dünner Atmosphäre. Wenn der Planet Wetter hat - das ist das Ende, es ist überhaupt nicht wiederholbar.

Also, da – wir haben bereits zwei Techniken, um anständige Fotos von Exoplaneten zu machen. Die erste - eine Sonde dorthin schicken, Fotos machen lassen und zurückkommen - würde Tausende von Jahren dauern, bis sie fertig ist. Die andere – Konstruktion eines Teleskops mit einer Linse, die groß genug ist, um genügend Photonen einzufangen, die von einem bestimmten Planeten innerhalb eines Zeitrahmens reflektiert werden, der die Oberfläche nicht bis zur Unkenntlichkeit verwischt – würde Hunderte von Billionen Dollar kosten. Das James-Webb-Weltraumteleskop (das größte Weltraumteleskop der Welt) kostet fast 20 Milliarden Dollar und wird keine Exoplaneten „auflösen“ können.

EDIT: Dies könnte tatsächlich mit einem etwas vernünftigeren Budget durchgeführt werden. Sie benötigen ein hochpräzises Teleskop (nicht unbedingt enorme Linsengröße = Helligkeit) mit einem Sensor, der einzelne Photonen registrieren kann, nicht ihre Summe über die Zeit - "einen Film aufnehmen", anstatt nur ein Standbild aufzunehmen. Das Teleskop müsste immer noch der Umlaufbahn des Planeten folgen, aber durch die Registrierung der Beobachtungen über einen langen Zeitraum und die Verwendung der Autokorrelationsfunktion der Messungen könnte es die Rotationsperiode (Tageslänge) eines bestimmten Planeten bestimmen - spezifische Merkmale des Geländes würden an bestimmten Orten regelmäßig wieder auftauchen Intervalle (im Abstand von einem Tag), die eine zyklische Funktion im allgemeinen Rauschen erzeugen. Wenn Sie die "Tageslänge" und die genaue Zeit jedes Photons kennen, können Sie alle Ihre gemessenen Punkte im Laufe der Zeit auf die richtigen Positionen der rotierenden Kugel neu abbilden.

Natürlich erfordert dies immer noch Teleskope, die besser sind als alles, was wir haben, aber es ist mit unserer modernen Technologie gut erreichbar und nicht mit einem übermäßigen Budget verbunden.

Es ist derzeit nicht möglich, die Details eines Planeten aus einer Entfernung von einem Lichtjahr oder mehr zu erhalten. Darüber hinaus zielen die unten genannten Projekte nicht darauf ab, gute Bilder der Oberfläche zu erhalten, sondern nur Exoplaneten zu erkennen und grundlegende Messungen durchzuführen. Der Grund dafür ist, dass das Erhalten detaillierter Bilder der Oberfläche die Möglichkeiten der derzeitigen Technologie und Forschung übersteigt.

Hubble, das Weltraumteleskop, hat aufgrund des Fehlens atmosphärischer Störungen eine bessere Leistung als jedes Äquivalent am Boden. Auch ein Interferometer im Weltraum würde von dieser luftfreien Umgebung profitieren. Dies führte zu mehreren Konzepten:

Quelle: Agentur Science-Presse .

• Darwin hat 2007 abgesagt
• Space Interferometry Mission ( SIM ), 2010 abgebrochen.
• Terrestrial Planet Finder ( TPF ), eingestellt im Jahr 2011.
• Labeyries Hypertelescope , nicht finanziert.

Der Darwin-Artikel auf Wikipedia fasst die technologische Schwierigkeit zusammen:

Um ein Bild zu erzeugen, hätten die Teleskope in Formation arbeiten müssen, wobei die Abstände zwischen den Teleskopen auf wenige Mikrometer genau und die Distanz zwischen den Teleskopen und dem Empfänger auf etwa einen Nanometer genau geregelt werden müssten. Es wären mehrere detailliertere Studien erforderlich gewesen, um festzustellen, ob eine Technologie, die zu einer solchen Präzision fähig ist, tatsächlich machbar ist.

Objekte mit kleiner scheinbarer Größe lassen sich besser mit astronomischer Interferometrie beobachten, aber die aktuelle Technologie erlaubt nur ein grobes Bild von wenigen großen und ultrahellen Objekten.

• Beispiel eines aufgelösten Objekts: ε Aurigae , ein Überriesenstern mit einer seltsamen umlaufenden dunklen Scheibe. Instrument: MIRC - Interferometer auf dem CHARA -Array ( Mount Wilson ): (Quelle: NSF )
  
  

Ein erdähnlicher Planet in einer Entfernung von einem Lichtjahr hat eine scheinbare Größe ähnlich wie ε Aurigae, aber die Lichtschwäche von Exoplaneten verhindert derzeit, Details auf ihrer Oberfläche zu sehen: Eine Erhöhung der Belichtung ermöglicht es, die schlechten Lichtverhältnisse zu überwinden, verwischt jedoch das Bild aufgrund von die scheinbare Bewegung.

Die Alternative, Sonden zu schicken und Fotos zu machen, ist derzeit ebenfalls nicht möglich, Voyager 1 und 2, die 1977 gestartet wurden, befinden sich gerade an der Grenze unseres eigenen Sonnensystems, 10.000stel der Entfernung zum nächsten Exoplaneten.

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Die meisten der Tausend bereits entdeckten Exoplaneten wurden mit indirekten Methoden entdeckt, wie dem Helligkeitsabfall des Zentralsterns während des Durchgangs des umkreisenden Planeten. Die Frage bezieht sich auf einen Ausnahmefall, eine direkte Beobachtung eines massereichen Planeten im IR-Spektrum.

Bei der Beobachtung eines Objekts gibt es zwei entscheidende Elemente:

• Die scheinbare Größe oder Winkelgröße des Objekts .
• Die scheinbare Helligkeit des Objekts

Scheinbare Größe

In diesem Bild haben die drei Objekte die gleiche Winkelgröße und werden ähnlich gesehen:

Nach dieser Formel:

θ = 2 • arctan (½ • d / D)

die Winkelgröße eines Planeten mit dem Durchmesser d der Erde im Abstand D von 1 Lj beträgt 0,3 Millibogensekunde (mas)

Um diesen Planeten als ein Pixel zu sehen, die schlechtestmögliche Detailgenauigkeit, muss das Teleskop 0,3 mas auflösen.

Winkelauflösung mit einem einzigen Teleskop

Gemäß der Rayleigh-Grenze beträgt die Winkelgröße θ, die ein Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser d bei einer Wellenlänge von λ auflösen kann:

θ° = 70 * (λ / d)

Um 0,3 mas in der Mitte des sichtbaren Spektrums aufzulösen, muss der Teleskopspiegel einen Durchmesser von 500 m haben.

Das Ergebnis würde so aussehen:

• 
  Quelle . Der blassblaue Punkt auf diesem Bild ist eigentlich die Erde, die von Voyager 1 aus gesehen wird, „nur“ 5 Lichtstunden entfernt, mit einem Imager, der mit einem Spiegel mit 18 cm Durchmesser verbunden ist . Aber das Ergebnis wäre dasselbe mit einem 500-m-Teleskop, das sich in einer Entfernung von 1 Lj befindet

Wenn das Teleskop einen Durchmesser von 2 km hätte, wäre die Anzahl der Pixel für den Planeten immer noch nur 4x4. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler weit davon entfernt sind, ein Teleskop zu bauen, um die Details eines Planeten in wenigen Lichtjahren zu zeigen. Auch diese Entfernung von einem Lichtjahr ist rein diskussionswürdig, da der nächste Stern bereits 4,2 Lj entfernt ist

Winkelauflösung mit Syntheseapertur und Interferometrie

Wenn zwei Instrumente mit einem Durchmesser von 1 m um 10 m entfernt werden und ihre Bilder so kombiniert werden, dass sie interferieren können, entspricht das resultierende Auflösungsvermögen dem eines 10-m-Instruments. Der Abstand zwischen den Instrumenten wird als Grundlinie bezeichnet . Hinsichtlich des Auflösungsvermögens verhält sich das System wie ein einzelnes Instrument in der Größe der Basislinie.

Das erste Interferometer wurde 1920 für astronomische Zwecke verwendet.

Interferenzen werden durch Phasenunterschiede zwischen den Bildern erzeugt, und die für den Basislinienwert erforderliche Genauigkeit beträgt einen Bruchteil einer Wellenlänge. Lange Basislinien sind für Radioteleskope einfacher zu bauen als für optische Teleskope. Die optische Interferometrie war seit kurzem nicht mehr effektiv.

Vergleichen Sie die Größe von VLA (Radioteleskop) und VLTI (optisches Teleskop):

Zum einen wird die beste Auflösung in der optischen Astronomie mit dem MIRC - Interferometer auf dem CHARA -Array am Mount-Wilson-Observatorium erzielt .

Siehe Bild von ε Aurigae im Abschnitt mit den kurzen Antworten und mehr zur astronomischen Interferometrie .

Interferometrie im Weltraum

Hubble, das Weltraumteleskop, hat aufgrund des Fehlens atmosphärischer Störungen eine bessere Leistung als jedes Äquivalent am Boden. Auch ein Interferometer im Weltraum würde von dieser luftfreien Umgebung profitieren. Die ESA untersuchte das Darwin -Projekt im Hinblick auf die Suche nach Exoplaneten:

Quelle: Agentur Science-Presse .

Aber das Projekt wurde 2007 gestoppt. Aus Wikipedia .

Um ein Bild zu erzeugen, hätten die Teleskope in Formation arbeiten müssen, wobei die Abstände zwischen den Teleskopen auf wenige Mikrometer genau und die Distanz zwischen den Teleskopen und dem Empfänger auf etwa einen Nanometer genau geregelt werden müssten. Es wären mehrere detailliertere Studien erforderlich gewesen, um festzustellen, ob eine Technologie, die zu einer solchen Präzision fähig ist, tatsächlich machbar ist.

Ähnliche Projekte:

• Terrestrial Planet Finder ( TPF ), eingestellt im Jahr 2011.
• Space Interferometry Mission ( SIM ), 2010 abgebrochen.
• Labeyries Hyperteleskop , nicht finanziert.

Scheinbare Helligkeit

Ein Planet erzeugt kein Licht, er reflektiert nur bis zu einem gewissen Grad das Licht seiner Sonne.

Die vom Planeten reflektierte Lichtmenge ist proportional zur Leuchtkraft seiner Sonne, seiner Albedo (Reflexionsvermögen) und seinem Radius.

Quelle

Wie auf den obigen Bildern zu sehen ist, bestimmen Bahnneigung und Phase auch die reflektierte Lichtmenge.

Tatsächlich beträgt die Helligkeit eines Exoplaneten nur ein Tausendstel seiner Sonne und liegt weit unter dem Empfindlichkeitsniveau der besten Sensoren. Nur sehr lange Belichtungszeiten können den schwachen Lichtstrahl nach Akkumulation erkennen, allerdings sind die Details aufgrund der Relativbewegung des Planeten unscharf.

Nur die hellsten Sterne senden genügend Photonen, um einige Details sichtbar zu machen. Details eines Exoplaneten mit der gleichen Winkelgröße sind nicht zu sehen.

Während das Auflösungsvermögen durch Interferometrietechniken verbessert wird, gilt diese Verbesserung nicht für die Menge der gesammelten Photonen. Die tatsächliche Öffnung der einzelnen Teleskope ist die einzige, die die gesammelte Lichtmenge bestimmt.

Zu den Schwierigkeiten bei der direkten Abbildung von Exoplaneten gehört auch der hohe Kontrast zwischen Stern und Planet. Um die Erkennung zu verbessern, verwenden einige Teleskope einen Koronographen , der den Stern vor dem Imager verbirgt.

Ja, mit der New Worlds Mission (auch bekannt als The Starshade). Dies ist ein Weltraumteleskop mit einem großen Okkultator, der wegfliegen und das Licht eines Sterns blockieren kann, damit sein Teleskop die umgebenden Exoplaneten abbilden kann:

Die Form des Okkultators ist so, dass sich die Lichtwellen, die an den Rändern verlaufen, gegenseitig aufheben.

Es gibt mehrere Missionen bei der Suche nach Exoplaneten in der Reihe der Starshade. Zuerst untersuchte die Kepler-Mission einen Teil des Himmels, um herauszufinden, ob Exoplaneten häufig sind (sie sind). Zweitens wird TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) den gesamten Nachthimmel scannen, um einen Katalog aller nahegelegenen Exoplaneten zu erstellen; um die interessantesten auszuwählen. Drittens wird das James-Webb-Teleskop bessere Bilder von den Wirtssternen der interessierenden Exoplaneten machen; so können wir die Zusammensetzung ihrer Atmosphären durch Lichtinterferometrie sehen. Und nur dann werden sie die New Worlds Mission starten, um Exoplaneten zu fotografieren.

Das Projekt befindet sich seit 2005 in der Entwicklung und einige Schätzungen gehen von einem Starttermin für 2020 aus.

Die Menge an Details, die wir erwarten, hängt vom verwendeten Teleskop ab. Denn für 750 Millionen US-Dollar bekommt man gerade den Okkultismus, der in Kombination mit dem James-Webb-Teleskop verwendet wird. Die Mission mit einem eigenen Teleskop zu versehen, sollte die Bilder verbessern, aber die Preiskarte beläuft sich auf 3 Milliarden USD. So oder so werden die resultierenden Bilder für Nicht-Astronomen wahrscheinlich enttäuschend sein; ob das direkte Lichtbild dieser beiden Exoplaneten irgendein Hinweis ist. Für signifikante Details benötigen Sie eine Erfassungsfläche von Quadratkilometern. Obwohl ich einmal gelesen habe, dass mit mehreren Okkulten und Teleskopen eine echte exoplanetare Abbildung erreicht werden könnte, ist mir jedoch schleierhaft, wie das funktionieren würde. und ich kann die Quelle dieser Behauptung nicht mehr finden.

Infrarotbild der Europäischen Südsternwarte von 2M1207 (bläulich) und dem Begleitplaneten 2M1207b (rötlich), aufgenommen im Jahr 2004.