Wie werden außerirdische Planeten durchsucht?

Wenn wir über Flüge zu anderen Sternen sprechen, sollte klar sein, dass wir nicht wirklich zu den Sternen gehen müssen - wir müssen zu anderen Planeten gehen, vorzugsweise erdähnlich und lebenswert. Und woher weißt du, ob die Nachbarsterne des Planeten? Es scheint einfach: Nehmen Sie ein größeres Teleskop, aber schauen Sie. Wenn entfernte Galaxien berücksichtigt werden können, sollten Planeten und Satelliten auch Sterne in der Nähe sehen. Aber es gibt eine „kleine“ Komplexität: Im Gegensatz zu Sternen und Galaxien leuchten Planeten praktisch nicht selbst, sondern reflektieren nur das Licht ihrer Sterne. Ein Stern beleuchtet seine Umgebung, daher wurde trotz der Entwicklung der astronomischen Technologie im 20. Jahrhundert der erste Exoplanet - der Planet eines anderen Sterns - vor weniger als dreißig Jahren gefunden.

Heute wurden verschiedene Methoden entwickelt und beherrscht, um nach Exoplaneten zu suchen.

Direkte Beobachtung

Ein ausreichend großes Teleskop kann einen ausreichend großen und entfernten Planeten von seinem Stern aus betrachten. Dafür muss man aber versuchen, spezielle Ausrüstung zu verwenden. Um das helle Licht eines Sterns loszuwerden, wird mit einem Koronographen nach Planeten gesucht - einer undurchsichtigen Scheibe im optischen Schema des Teleskops, mit der Sie das Licht einer hellen Quelle blockieren können. In Kombination mit der adaptiven Optik können Sie mit diesem System große und entfernte Planeten benachbarter Sterne betrachten. Es ist am besten, "junge Jupiter" im Infrarot zu finden, weil Sie behalten ab dem Zeitpunkt der Bildung eine hohe Wärmestrahlung.



An den 8-Meter-Teleskopen der Gemini- und VLT-Observatorien wurden mehrere Koronographen installiert, die eine hohe Auflösung bieten. Und heute konnten nur wenige außerirdische Systeme bereits berücksichtigen. Manchmal stellt sich heraus, dass das System so jung ist, dass die Planeten noch nicht sichtbar sind, aber die protoplanetare Scheibe ist deutlich zu unterscheiden, wie zum Beispiel in HR 4796, in einer Entfernung von 230 St. Jahre von uns entfernt.



Der Stern des Beta-Malers konnte sogar zwei Jahre lang die Umlaufbahn des Planeten verfolgen.



Das Hubble-Weltraumteleskop gelang es auch, den Planeten als Ergebnis langjähriger Beobachtungen der Staubscheibe um den Stern Fomalhaut zu untersuchen.



In den kommenden Jahren wird die Zahl der mit direkten Methoden gefundenen und untersuchten Exoplaneten nur noch zunehmen. Bisher werden jedoch einzelne Körper entdeckt und untersucht. Die NASA leitet ein WeltraumobservatoriumsprojektExo-S , das aus einem separat abgeleiteten Teleskop und einem Koronographen besteht. Der voraussichtliche Starttermin wurde jedoch noch nicht bekannt gegeben.



Die Transitmethode Mit

dieser indirekten Methode können Sie die Anzahl der Planeten, ihre Größe, Umlaufzeit und Umlaufbahnparameter bestimmen. In einigen Fällen ist es sogar möglich, grobe Vorstellungen über die Zusammensetzung der Atmosphäre zu bekommen. Derzeit ist diese Methode ein Rekordhalter für die Anzahl der entdeckten Planeten, vor allem, weil damit Teleskope flächenübergreifend arbeiten können, anstatt sich auf ein Ziel zu konzentrieren.

Das Funktionsprinzip der Transitmethode ist die Photometrie. Während der Beobachtung wird die Leuchtkraft des Sterns aufgezeichnet. Wenn ein Planet zwischen uns und dem Stern vorbeizieht, nimmt die Helligkeit des Sterns ab, und dieser Moment wird in der Helligkeitskurve aufgezeichnet.



Wenn Helligkeitseinbrüche regelmäßig auftreten und immer gleich sind, kann davon ausgegangen werden, dass ein solcher Effekt vom Planeten verursacht wird.

Nicht nur ein Planet kann Schwankungen in der Helligkeit eines Sterns verursachen, sondern auch interne Zyklen oder ein Begleitstern. Daher erfordert die Transitmethode eine Bestätigung durch eine unabhängige Methode. Jetzt gibt es mehrere tausend Transitkandidaten, die nach und nach bestätigen oder ablehnen.

Trotz des Erfolgs dieser Methode liegen die Nachteile auf der Hand:

Erstens sollte der Planet Glück haben, wenn eine Umlaufbahn auf der Linie unseres Blicks von der Erde liegt. Zum Beispiel fliegt die Venus alle 7,5 Monate um die Sonne und fliegt zwischen uns und ihm, aber der nächste Transit wird 2117 sein. Quecksilber fliegt öfter, wir warten auf den nächsten Transit am 9. Mai .
Zweitens funktioniert die Transitmethode, wie Sie sehen, besser für Planeten in der Nähe des Sterns, insbesondere für große Planeten. Es war die Transitmethode, die viele Entdeckungen des sogenannten machte "Heiße Jupiter" - Riesenplaneten in der Nähe ihrer Sterne. Es ist merkwürdig, dass diese Entdeckungen die bisher existierende Theorie der Bildung von Planetensystemen widerlegten, die die Verteilung von Stein- und Gasplaneten im Sonnensystem erklärte.
Drittens erfordert die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten eine lange Beobachtungszeit, da es nicht ausreicht, einen einzelnen Transit zu erkennen. Sie müssen Statistiken abrufen: mindestens drei Transite. Das heißt, Um beispielsweise die Erde durch eine Transitmethode zu erkennen, müssen Außerirdische drei Jahre lang „ohne zu blinken“ auf die Sonne schauen.

Mit der Entwicklung der Astronautik und dem Start des Kepler-Weltraumteleskops wurden kontinuierliche Langzeitbeobachtungen einer großen Anzahl von Sternen möglich. Um seine Wirksamkeit zu erhöhen, wurde er zu einem Sternhaufen im Sternbild Cygnus geschickt. Dies erlaubte uns viele Entdeckungen zu machen, aber leider sind alle diese Planeten in einer Entfernung von 2-3 Tausend St. Jahre, also physisch zu ihnen kommen oder zumindest überlegen, wir können nur träumen.



Kepler arbeitete 4 Jahre lang stabil, bis zwei der vier Schwungradmotoren ausfielen, wodurch er die Orientierung beibehalten konnte. Und Sie benötigen mindestens drei, um auf drei Achsen zu zielen. Daher funktioniert es jetzt in einem sehr begrenzten Modus mit zwei Schwungrädern und Sonnenlichtdruck als drittem. Die Leistung ist um 95% gesunken, aber es wurden so viele Statistiken gesammelt, dass wir immer noch von Entdeckungen hören werden, die mit seiner Hilfe gemacht wurden.

Die NASA unterstützte das nächste Teleskopprojekt des MIT-Instituts für die Transitsuche von Planeten innerhalb von 100 sv. Jahre um die Sonne. TESS Flug wird für 2017 erwartet. Es scheint, dass seine Ergebnisse viel mehr öffentliche Aufmerksamkeit erregen werden, wie Planeten werden "sehr nah" entdeckt.

Die Radialgeschwindigkeitsmethode (Doppler-Verschiebung)

Meine Lieblingsmethode wegen der phänomenalen Genauigkeit, die sie bietet, und der eleganten Einfachheit des physikalischen Prinzips, das ihre Grundlage bildete.

Aber zuerst ein wenig zur Theorie der Spektroskopie. Ich hoffe, jeder weiß, was ein Regenbogen ist und wie er sich bildet. Ein Regenbogen ist ein natürliches Spektrum der Sonne. Die chemische Zusammensetzung des Sterns ist im Strahlungsspektrum verborgen, da jedes chemische Element beim Erhitzen mit seiner eigenen Farbe leuchtet.



Das Leuchten wird mit einem Spektrometer aufgezeichnet und durch Bestimmen der verschiedenen Linien des Spektrums ist es möglich, die Zusammensetzung des emittierenden Objekts zu bestimmen. Wenn Licht durch die Atmosphäre des Planeten fällt oder von der Oberfläche reflektiert wird, wird ein Teil des Lichts absorbiert und es bilden sich Einbrüche im Spektrum, was auf chemische Elemente hinweist, die das Licht absorbieren.

Ein weiteres physikalisches Phänomen, das zum Verständnis der Radialgeschwindigkeitsmethode erforderlich ist, ist die Rotverschiebung und die Blauverschiebung.



Wenn sich der zu untersuchende Stern von uns entfernt, wird die Wellenlänge des emittierten Lichts gestreckt, wodurch sich das gesamte Spektrum zur roten Seite verschiebt. Wenn das Element entfernt wird und rotes Licht aussendet, registrieren wir es bereits im Infrarotbereich, wenn grün, dann in gelb, wenn blau, dann in grün usw.

Blauverschiebung ist der umgekehrte Vorgang. Wenn der Stern auf uns zueilt, wird sein Spektrum "blau" - er verschiebt sich zur blauen und ultravioletten Seite.

In welcher Beziehung steht dies zur Anwesenheit von Planeten in fernen Sternen? Geduld. Eine weitere Eigenschaft muss berücksichtigt werden - die Bewegung zweier Körper an einem Schwerpunkt.

Wir alle wissen, dass sich die Erde um die Sonne dreht. Dies scheint wahr zu sein, aber nicht ganz. Tatsächlich drehen sich Sonne und Erde um denselben Massenschwerpunkt, der nicht dem Sonnenmittelpunkt entspricht. Die Erde und der Mond haben einen solchen Effekt, während Pluto und Charon einen Schwerpunkt außerhalb von Pluto haben, weshalb sie sich beide um einen bedingten Punkt zwischen ihnen drehen.



Natürlich führt die unbedeutend kleine Masse der Erde zu einer völlig unbedeutenden Schwankung der Sonne - innerhalb von 50 km, aber Jupiter entwurstet die Sonne bereits leicht und zwingt sie, 750.000 km abzuweichen. Das heißt, Jupiter und die Sonne sowie Pluto und Charon drehen sich um einen Punkt im Raum.

Und jetzt reduzieren wir alles auf eine Suchmethode: Der Exoplanet, der sich um seinen Stern dreht, zwingt ihn, sich mit einer Abweichung von seinem Schwerpunkt zu drehen. Dementsprechend bewegt sich der Stern in Bezug auf den externen Beobachter entweder weg und nähert sich dann, was entweder zur Rot- oder zur Blauverschiebung des Spektrums führt. Wir können ein ziemlich empfindliches Spektrometer nehmen und sehen, wie das Spektrum des Sterns periodisch rot und blau wird, in voller Übereinstimmung mit der Orbitaldynamik des Planeten.



Und schließlich zur Genauigkeit der Methode: Mit dem HARPS-Spektrographen am 3,6-Meter-La-Silla-Teleskop des European Southern Observatory können Sie die Bewegung eines Sterns mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 Meter (!) Pro Sekunde verfolgen. Eine ähnliche Methode ermöglicht es uns, erdähnliche Planeten in einer Entfernung von bis zu 150 Lichtjahren und „Jupiter“ bis zu mehreren tausend Lichtjahren zu finden. In der Regel wird die Doppler-Verschiebungsmethode verwendet, um die durch die Transitmethode erhaltenen Planetenkandidaten erneut zu überprüfen.

Leider funktioniert die Methode präzise und erfordert mehrere Beobachtungen jedes Objekts, sodass sie keine Zeit hat, mit Kepler Schritt zu halten, und keine Zeit hat, die umgebenden Sterne zu untersuchen. Vor kurzem hat HARPS jedoch daran gearbeitet, einen erdähnlichen Planeten in der Nähe unseres nächsten Sterns, Proxima Centauri, zu finden., als Teil des Pale Red Dot-Projekts. Die Ergebnisse wurden noch nicht veröffentlicht, aber die Erwartungen sind sehr ermutigend.

Im Allgemeinen bilden diese beiden Methoden: Transit und Doppler-Verschiebung fast die Grundlage aller Suchvorgänge:



Lassen Sie uns einige weitere originelle Methoden durchgehen, die mit einigen Vorbehalten funktionieren.

Ändern der Orbitalphase des reflektierten Lichts

Die Methode ähnelt dem Transit, registriert jedoch keine Abnahme der Helligkeit, sondern eine Zunahme. Der Effekt tritt auf, wenn sich der Planet des Sterns in einer Viertelphase befindet und ein Teil des einfallenden Lichts in unsere Richtung reflektiert wird. Es ist wie die Brillanz der Venus am Abend / Morgen und die Helligkeit der Sonne. Der Effekt hängt von der Größe des Exoplaneten, seiner Nähe zum Stern und der Helligkeit des reflektierten Lichts ab. Die Methode ist grob, erfordert jedoch nicht, die Umlaufbahn des Planeten in der Sichtlinie zu finden.

Astrometrische Methode

Ähnlich wie bei der Doppler-Shift-Methode sind Langzeitbeobachtungen erforderlich, jedoch keine Spektrometer. Während der Beobachtung wird die Position des Sterns relativ zu benachbarten Objekten sorgfältig aufgezeichnet. Wenn wellenförmige Abweichungen beobachtet werden, deutet dies auf einen ziemlich massiven Begleiter hin, der den Stern zwingt, sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt zu drehen. Es ist klar, dass der Stern klein und sein Planet massiv sein sollte, so dass Doppelsterne und braune Begleitzwerge häufiger gefunden werden können.

Am Pulkovo-Observatorium in der Nähe von St. Petersburg wurden einzigartige astrometrische Daten für jahrzehntelange Beobachtungen gesammelt. Wer ist Observatorium geht durch schwierige Zeiten wegen der wachsenden Metropole und dem beleuchteten Himmel.

Schwerkraft-Mikrolinsenmethode

Eine originelle Methode, die auf den Auswirkungen der Ablenkung eines Lichtstrahls durch das Gravitationsfeld massereicher Objekte basiert. Die Wirkung einer Gravitationslinse tritt auf, wenn sich genau auf der Sichtlinie zwei helle und ziemlich massive Körper befinden. Zum Beispiel bewegt sich der Stern unserer Galaxie zwischen uns und einem anderen entfernten Stern oder einer anderen Galaxie. Die Schwerkraft eines nahen Sterns beeinflusst das Licht eines entfernten Objekts, lenkt es ab und bildet den Effekt einer "Linse". Wenn das Gravitationsfeld eines Sterns durch die Schwerkraft der Exoplaneten in seinem System deformiert wird, stellt sich heraus, dass die „Linse“ „defekt“ ist - mit Verstößen.



Die Entwicklung dieser Methode ist die Suche nach Linseneffekten, die von unsichtbaren Planeten verursacht werden, bis hin zum Durchstreifen der Galaxie ohne eigene Sterne.



Eine ähnliche Suche wurde kürzlich von Kepler Retargeting im Zentrum der Milchstraße gestartet. Während dieses Manövers wurde die Verbindung zum Teleskop unterbrochen, aber jetzt wurde sie bereits wiederhergestellt, und jetzt warten wir auf neue Daten des Teleskops über die Aussichten der Methode.



In naher Zukunft werden die Erdbewohner viel mehr über ihre Umgebung erfahren. Der Start des James Webb Space Observatory und der Bau des European Extreme Telescope, die Entstehung empfindlicherer Spektrographen als Ersatz für HARPS und die Ergebnisse der astrometrischen „Zählung der Galaxie“ durch das Gaia-Observatorium werden es ermöglichen, die Struktur und den Ursprung nahe und ferner Sternensysteme besser zu verstehen und herauszufinden, ob wir eine Chance haben Finde eine "freie Erde", ein fremdes Leben oder sogar die intelligenten Bewohner von Exoplaneten.

Source: https://habr.com/ru/post/de393417/