Kuinka seuraavan sukupolven maanpäälliset superteleskoopit tarkkailevat suoraan eksoplaneettoja
Muutaman viime vuosikymmenen aikana havaittujen ja vahvistettujen Auringon ulkopuolisten planeettojen määrä on kasvanut eksponentiaalisesti. klo esittää , 3 778 eksoplaneetan olemassaolo on vahvistettu 2 818 planeettajärjestelmässä, ja lisäksi 2 737 ehdokasta odottaa vahvistusta. Kun tämä määrä planeettoja on saatavilla tutkittavaksi, eksoplaneettojen tutkimuksen painopiste on alkanut siirtyä havaitsemisesta karakterisointiin.
Esimerkiksi tutkijat ovat yhä kiinnostuneempia luonnehtimaan eksoplaneettojen ilmakehää, jotta he voivat varmuudella sanoa, että niissä on oikeat ainesosat elämälle (ts. typpi, hiilidioksidi jne.). Valitettavasti tämä on erittäin vaikeaa nykyisillä menetelmillä. Kuitenkin mukaan a uusi tutkimus Kansainvälisen tähtitieteilijöiden ryhmän tekemä seuraavan sukupolven instrumentit, jotka perustuvat suoraan kuvantamiseen, muuttavat pelin.
Tutkimus, ' Suora kuvantaminen heijastuneessa valossa: Vanhojen lauhkeiden eksoplaneettojen karakterisointi 30 metrin kaukoputkilla ', ilmestyi äskettäin verkossa. Tutkimusta johti Michael Fitzgerald ja Ben Mazin – Kalifornian yliopiston Los Angelesin (UCLA) astrofysiikan apulaisprofessori ja Kalifornian yliopiston Santa Barbaran (UCSB) kokeellisen fysiikan Worster-oppituoli.
Eksoplaneetta Beta Pictoris b, joka havaittiin suoralla havainnolla. Luotto: ESO
Heihin liittyi tutkijoita Montrealin yliopistosta Eksoplaneettojen tutkimuslaitos (iREX), NASAn Jet Propulsion Laboratory, Carnegien observatoriot , Stewardin observatorio , Japanin kansallinen tähtitieteellinen observatorio , Massachusettsin Teknologian Instituutti (MIT), California Institute of Technology (Caltech) ja useat yliopistot.
Kuten he osoittavat tutkimuksessaan, kykymme karakterisoida eksoplaneettoja ovat tällä hetkellä rajalliset. Esimerkiksi nykyiset menetelmämme – yleisimmin käytetty on Kuljetusmenetelmä ja Radiaalinen nopeus mittaukset – ovat johtaneet tuhansien lyhytaikaisten planeettojen löytämiseen (planeetat, jotka kiertävät lähellä aurinkoa noin 10 päivän jaksolla). Näiden menetelmien herkkyys alkaa kuitenkin laskea huomattavasti mitä kauempana eksoplaneetta on auringosta.
Lisäksi pitkän ajanjakson planeetat ovat suurelta osin saavuttamattomissa spektrien osalta. Tämän tyyppiseen analyysiin kuuluu valon mittaaminen, joka kulkee planeetan ilmakehän läpi, kun se kulkee tähdestä sisään. Mittaamalla sen spektrit sen koostumuksen määrittämiseksi, tutkijat voivat luonnehtia eksoplaneetan ilmakehää ja määrittää, voisiko planeetta todella olla asumiskelpoinen.
Tämän ratkaisemiseksi ryhmä ehdottaa, että suora havaitseminen (alias suora kuvantaminen) on tehokkaampi menetelmä eksoplaneettojen ilmakehän karakterisoinnissa. Kuten tohtori Étienne Artigau, tutkija iREX ja tutkimuksen toinen kirjoittaja, selitti Universe Todaylle sähköpostitse (käännetty ranskasta)
'Toistaiseksi havaittua planeettaa ei ole löydetty 'heijastuneesta valosta'. Kun näemme aurinkokuntamme planeetat, voimme nähdä ne siksi, että aurinko valaisee niitä. Samalla tavalla muiden tähtien planeetat heijastavat valoa ja tämä valo on voitava havaita riittävän tehokkaalla kaukoputkella. Planeettojen ja niiden tähden välinen virtaussuhde on valtava, luokkaa 1 miljardi verrattuna planeetoihin, jotka havaitaan niiden lämpöemissiolla, tai tämä suhde on pikemminkin miljoonan luokkaa.
Taiteilijan esitys 30 metrin teleskoopista sen ensisijaisessa paikassa Mauna Keassa Havaijilla. Luotto: TMT International Observatory
Tällä hetkellä suora kuvantaminen on ainoa tapa saada spektrit ei-siirtyviltä eksoplaneetoilta, erityisesti niiden, jotka ovat keski- ja suurilla etäisyyksillä auringoistaan. Tässä tapauksessa tähtitieteilijät saavat spektrit eksoplaneetan ilmakehästä heijastuvasta valosta määrittääkseen sen koostumuksen. Tähän mennessä on kuvattu suoraan vain kourallinen eksoplaneettoja, jotka kaikki olivat itsestään valoisia superjupitereita, jotka kiertävät isäntätähtiään satojen tai tuhansien AU:n etäisyydellä.
Nämä planeetat olivat hyvin nuoria ja niiden lämpötila oli yli 500 °C (932 °F), mikä tekee niistä melko harvinaisen planeettaluokan. Tämän seurauksena tähtitieteilijöillä ei ole tietoa eksoplaneettojen ilmakehän monimuotoisuudesta, varsinkin kun on kyse pienempistä kiviplaneetoista, joiden lämpötilat ovat lähempänä Maan lämpötiloja – joiden pintalämpötila on keskimäärin noin 15 °C (58,7 °F).
Tämä johtuu siitä, että olemassa olevilla kaukoputkilla ei yksinkertaisesti ole herkkyyttä kuvata suoraan pienempiä planeettoja, jotka kiertävät tähtiä. Kuten he selvittivät tutkimuksessaan, niiden planeettojen ilmakehän karakterisoiminen, jotka ovat 5 AU:n sisällä niiden tähdistä (jossa radiaalinopeustutkimukset ovat paljastaneet monia planeettoja), vaatisi kaukoputken, jossa on 30 metrin aukko yhdistettynä edistyneeseen adaptiiviseen optiikkaan, koronagrafin ja sarja spektrometrejä ja kuvantajia.
'Lyhyesti sanottuna mikään nykyinen teleskooppi ei pysty havaitsemaan näitä planeettoja edes lähimpien tähtien ympäriltä, mutta on täysi syy uskoa, että seuraavan sukupolven kaukoputket, joiden halkaisija on vähintään 30 metriä, pystyvät siihen', sanoi Artiqua. 'Ei ole varmaa, pystytäänkö aluksi havaitsemaan Maan kaltaisia planeettoja, mutta ainakin Uranukseen ja Neptunukseen verrattavia planeettoja pitäisi pystyä havaitsemaan, mikä olisi jo loistava tulos.'
Taiteilijan kuva GMT:stä Chilessä. Seitsensegmenttinen peili on teleskoopin sydän. Luotto: Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation
Tällaisia seuraavan sukupolven laitteita ja mukautuvia optisia instrumentteja ovat planeettajärjestelmäkamera (PSI) Kolmenkymmenen metrin teleskooppi (TMT), jota ehdotetaan rakennettavaksi Mauna Keaan Havaijilla. Ja siellä on GMagAO-X instrumentti päällä Jättiläinen Magellan-teleskooppi (GMT), joka on parhaillaan rakenteilla osoitteessa Las Campanasin observatorio ja sen on määrä valmistua vuonna 2025.
Kuten Artigau totesi, näillä seuraavan sukupolven instrumenteilla tehdyt tutkimukset antavat tähtitieteilijöille mahdollisuuden havaita ja karakterisoida laajempi valikoima planeettoja sekä etsiä mahdollisia elämän merkkejä (alias biosignatuureja), kuten ei koskaan ennen:
'Tämän avulla voimme suoraan tutkia valoa, joka tulee planeetoilta, jotka ovat vain hieman Maata suuremmat (ja ehkä kuten Maan kaltaiset, jos olemme optimistisia). Tämä on yksi parhaista mahdollisuuksistamme etsiä elämän merkkejä näissä tunnelmissa. Vaikka emme löytäisikään elämän tunnusmerkkiä, se mahdollistaa kokonaisten planeetan luokkien ymmärtämisen, jotka näemme epäsuorasti (transitit, säteittäinen nopeus), mutta joista emme tiedä mitään... Suoran kuvantamisen merkitys on, että sen avulla voidaan tutkia suoraan näiden planeettojen ilmakehään ja jopa pintaan. Korkearesoluutioisen spektrografin lisäys antaa myös käsityksen tuulista ja globaalista tuulen kierrosta sekä erilaisten molekyylien olemassaolosta.'
Tietysti on edelleen rajoituksia sille, mitä tiedemiehet voivat oppia käyttämällä suoraa kuvantamismenetelmää, vaikka nämä seuraavan sukupolven instrumentit ja teleskoopit olisivat käytettävissään. Mutta mahdollisuudet ja vaikutukset eksoplaneettojen tutkimukseen ovat valtavia. Ensinnäkin tähtitieteilijät voisivat saada paremman käsityksen pienten, kivisten planeettojen väestötiedoista, jotka kiertävät tähtiensä vastaavilla asumisvyöhykkeillä.
Taiteilijan käsitys Maan kaltaisista eksoplaneetoista, joissa (uuden tutkimuksen mukaan) voisi olla runsaasti vettä. Kiitos: NASA
''Mahdollisesti asuttavien' planeettojen havaitseminen on varmasti jännittävin tapaus, mutta on tärkeää pitää mielessä, että se tulee pysymään melko vaikeana jopa 30 metrin kaukoputkella', sanoi Artigua. 'Kun teemme tilastollisen ennusteen, pitäisi olla vain muutamia (luultavasti alle 10) maanpäällisiä planeettoja, jotka ovat saavutettavissa ja joiden lämpötila on verrattavissa meidän omaamme.'
Tällä planeettaalueella Artigau ja hänen kollegansa voivat kuvitella useita mielenkiintoisia skenaarioita. Jotkut voivat esimerkiksi olla Venuksen kaltaisia, jolloin tiheät ilmakehät ja suhteellisen lähellä oleva kiertorata johtavat karkaamaan kasvihuoneilmiöön. Toiset voivat olla kuin Mars, jossa aurinkotuuli tai purkaukset ovat poistaneet planeettojen ilmakehän. Sen lisäksi voi olla maanpäällisiä planeettoja, joita emme voi edes kuvitella.
'Lyhyesti sanottuna asumiskelpoisilla planeetoilla voisi hyvinkin olla enemmän mielikuvitusta kuin meillä', tohtori Artiqau päätti. 'Tämä eksoplaneettojen monimuotoisuus merkitsee myös sitä, että meidän on oltava varovaisia, kun ennustamme sen olevan asuttava.'
'[Toiminta] on, että voimme tehdä uskomattomia asioita tutkiessamme eksoplaneettoja maasta 30 metrin kaukoputkella, mutta tarvitaan merkittäviä investointeja teknologiaan, jotta voimme valmistaa nämä instrumentit 30 metrin kaukoputkeen', lisäsi Mazin.
Tutkimus tehtiin mahdolliseksi lisäavun ansiosta Kanadan kansallinen tutkimusneuvosto (NRC) ja Jättiläinen Magellan Telescope Organisation (GMTO) Corporation.
Lisälukemista: arXiv