Fragen Sie Ethan: Wie wird unser erstes direktes Foto eines erdähnlichen Exoplaneten aussehen?

Ein Foto der Erde, aufgenommen von der DSCOVR-EPIC-Kamera, und es wird auch auf eine Auflösung von 3x3 Pixel verschlechtert - ungefähr in dieser Form werden Forscher der Zukunft Exoplaneten sehen

In den letzten zehn Jahren ist unser Wissen über die Planeten anderer Sternensysteme vor allem dank der Kepler-Mission enorm gewachsen. Von nur wenigen Welten - meist massiv, mit schnellen inneren Umlaufbahnen, die Sterne mit einer kleinen Masse umkreisen - bis zu buchstäblich Tausenden von Planeten völlig unterschiedlicher Größe. Jetzt wissen wir, dass Welten von der Größe der Erde und etwas größer extrem häufig sind. Die Observatorien der nächsten Generation, die sowohl im Weltraum (z. B. das James Webb-Teleskop ) als auch am Boden ( GMT und ELT ) erscheinen werden, können die nächstgelegene dieser Welten direkt fotografieren. Wie werden sie aussehen? Dies ist, was unser Leser fragt:

Welche Auflösung kann von diesen Fotos erwartet werden? Ein paar Pixel oder sichtbare Details?

Die Fotos selbst werden nicht sehr beeindruckend sein. Von ihnen können wir jedoch alles lernen, wovon Sie träumen können (in angemessenen Grenzen).


Proxima B im Orbit um Proxima Centauri, wie vom Künstler präsentiert. Mit Hilfe zukünftiger 30-Meter-Teleskope können wir es direkt sehen, aber nicht so schön wie auf dem Bild.

Lassen Sie uns zunächst mit schlechten Nachrichten umgehen. Das nächstgelegene Sternensystem ist Alpha Centauri , es befindet sich nur 4 Lichtjahre von uns entfernt. Es besteht aus drei Sternen:

• Alpha Centauri A, ein Stern der Klasse G, wie die Sonne;
• Alpha Centauri B, ein kälterer und weniger massereicher Stern der Klasse K, dreht sich um Alpha Centauri A in einer Umlaufbahn, die mit den Umlaufbahnen unserer Gasriesen vergleichbar ist.
• Proxima Centauri, ein viel kälterer und weniger massereicher Stern der M-Klasse, der mindestens einen Planeten von der Größe der Erde hat.

Es kann viel mehr Planeten um dieses Dreifachsternsystem geben, aber sie werden klein sein und die Entfernung von ihnen zu den Sternen wird groß sein.


Neues optisches 5-Spiegel-System ELT. Vor dem Einstieg in wissenschaftliche Instrumente wird Licht von einem konkaven, 39 Meter langen, segmentierten Hauptspiegel (M1) und anschließend von zwei aufeinander folgenden 4-Meter-Spiegeln (konvex M2 und konkav M3) reflektiert. Die letzten beiden Spiegel M4 und M5 bilden ein adaptives optisches System, das es ermöglicht, extrem scharfe Bilder auf der letzten Brennebene zu erhalten. Die Lichtleistung und Winkelauflösung von 0,005 "dieses Teleskops ist besser als jedes andere in der Geschichte.

Das größte Teleskop von allen, das gebaut wird, ELT, hat einen Durchmesser von 39 m, was eine maximale Winkelauflösung von 0,005 Bogensekunden bedeutet. 60 Bogensekunden sind 1 Bogenminute und 60 Bogenminuten sind 1 Grad. Wenn Sie einen Planeten von der Größe der Erde neben Proxima Centauri platzieren, dem Stern, der unserer Sonne am nächsten liegt und sich in 4,24 Lichtjahren befindet, beträgt sein Winkeldurchmesser 67 Mikrosekunden (μas), was bedeutet, dass selbst mit unserem besten im Bau befindlichen Teleskop die Auflösung erreicht wird 74-mal schlimmer als nötig, um einen Planeten von der Größe der Erde zu sehen.

Wir können nur auf das einzige gesättigte Pixel hoffen, dessen Licht die ihn umgebenden benachbarten Pixel durchdringt, und dies gilt für die fortschrittlichsten Kameras mit maximaler Auflösung. Optisch wird dies eine ernsthafte Enttäuschung für alle sein, die gehofft haben, eine schöne Aussicht zu erhalten, wie sie in den Abbildungen der NASA zu sehen ist.


Der Exoplanet Kepler-186f, dessen Eigenschaften nach Ansicht des Künstlers vielleicht der Erde ähnlich sind. Solche Abbildungen sind jedoch spekulativ, und zukünftige Daten werden uns keine Arten geben, die dieser ähnlich sind.

Die schlechten Nachrichten enden jedoch hier. Mit einem Koronographen können wir das Licht des Muttersterns blockieren und das Licht direkt vom Planeten selbst beobachten. Natürlich erhalten wir das Licht pro Pixel, aber es wird kein festes und unveränderliches Pixel sein. Wir können das Licht auf drei verschiedene Arten verfolgen:

1. In verschiedenen Farben, photometrisch, von wo aus wir die allgemeinen optischen Eigenschaften jedes Bildes des Planeten lernen.
2. Spektroskopisch, wodurch wir das Licht in verschiedene Wellenlängen aufteilen und nach Anzeichen für das Vorhandensein bestimmter Moleküle und Atome auf der Oberfläche und in der Atmosphäre suchen können.
3. Wenn wir die Änderungen der beiden vorherigen Punkte mit der Drehung des Planeten um die Achse und in der Umlaufbahn messen, erhalten wir temporäre Eigenschaften.

Mit nur einem Lichtpixel können wir eine Vielzahl von Eigenschaften jeder untersuchten Welt bestimmen. Und hier sind einige davon.


Exoplanet mit Mond, der sich um ihn dreht

Indem wir die Reflexion des Lichtplaneten während seiner Umlaufbahn messen, erhalten wir Informationen über viele Phänomene, von denen wir einige auf der Erde beobachten. Wenn verschiedene Hemisphären der Welt eine unterschiedliche Albedo (Reflektivität) haben und sich die Welt in irgendeiner Weise dreht, außer dass sie im Verhältnis 1: 1 gezeitenmäßig mit einem Stern verbunden ist, können wir ein periodisches Signal sehen, das erscheint, wenn sich der Planet auf der anderen Seite seinem Stern zuwendet.

In einer Welt mit Kontinenten und Ozeanen steigt und fällt das Signal mit unterschiedlichen Frequenzen, entsprechend den Teilen, die direktes Licht auf unsere Teleskope reflektieren.


Hunderte von Planetenkandidaten wurden bereits in Daten entdeckt, die vom TESS-Weltraumteleskop gesammelt und freigegeben wurden, um die Exoplaneten durch die Transitmethode zu öffnen. Das Bild zeigt die drei interessantesten und viele weitere werden dahinter erscheinen.

Und wenn es Wolken und atmosphärische Phänomene auf dem Planeten gibt, die das Licht blockieren und reflektieren? Das sich ändernde Wetter ermöglicht es uns dann, dieses Signal zu extrahieren, wenn wir beobachten, wie sich die Wolkendecke im Laufe der Zeit ändert, und ihre Auswirkungen auf andere Effekte überlagern. Die Wolken weisen auch bestimmte molekulare Merkmale auf, die zeigen, ob sie aus Schwefelsäure, Wassertröpfchen, Methan oder anderem flüchtigen Material bestehen.

Dank direkter Beobachtungsmöglichkeiten können wir Wetteränderungen auf einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems direkt messen.


Zusammengesetzte Bilder des "Blauen Balls" von 2001-2002, erstellt mit dem MODIS-Spektroradiometer.

Das Leben wird schwieriger zu erkennen sein, aber wenn es einen Exoplaneten gibt, auf dem es ein irdisches Leben gibt, werden wir einige spezifische saisonale Veränderungen feststellen. Die Rotation der Erde um ihre Achse bedeutet, dass im Winter, wenn sich unsere Hemisphäre von der Sonne abwendet, die Polkappen zunehmen, das Reflexionsvermögen der mit Schnee bedeckten Kontinente in niedrigere Breiten zunimmt und die Welt weniger grün wird.

Im Sommer hingegen schaut unsere Hemisphäre auf die Sonne. Die Polkappen nehmen ab, die Kontinente bekommen eine grüne Farbe, die das Pflanzenleben unseres Planeten dominiert. Ähnliche saisonale Änderungen wirken sich auf das Licht jedes Exoplaneten aus, den wir fotografieren. Dadurch können wir nicht nur saisonale Änderungen, sondern auch prozentuale Änderungen der Farbverteilung und des Reflexionsvermögens beurteilen.


In dieser Titan-Aufnahme werden Methan-Nebel und Atmosphäre als durchscheinendes Blau dargestellt und Oberflächenmerkmale sind sichtbar. Zur Erzeugung des Bildes wurden Bilder im ultravioletten, optischen und infraroten Bereich verwendet.

Die Planeten- und Umlaufbahnmerkmale müssen ebenfalls auftreten. Wenn wir den Transit des Planeten nicht aus unserer Sicht beobachten, werden wir die Ausrichtung seiner Umlaufbahn nicht kennen, wenn der Planet genau zwischen uns und seinem Stern verläuft. Das heißt, wir erkennen seine Masse nicht; Wir werden nur die Kombination von Masse und Neigungswinkel der Umlaufbahn kennen.

Wenn wir jedoch die Änderung des Lichts im Laufe der Zeit messen, können wir berechnen, wie die Phasen aussehen sollen und wie sie sich ändern. Wir können diese Informationen verwenden, um die Masse und die Neigung der Umlaufbahn sowie das Vorhandensein oder Fehlen großer Monde zu bestimmen. Selbst von einem einzelnen Pixel können wir alle diese Informationen erhalten, indem wir die Änderungen des Lichts in Bezug auf Farbe, Wolkendecke, Rotation und saisonale Änderungen abziehen.


Die von der Erde aus sichtbaren Phasen der Venus ähneln den Phasen eines Exoplaneten, der seinen Stern umkreist. Wenn seine „Nachtseite“ bestimmte Temperatureigenschaften aufweist, für die das James Webb-Teleskop empfindlich ist, können wir feststellen, ob es eine Atmosphäre sowie seine Komponenten aufweist.

Schließlich sollten direkte Beobachtung und spektroskopische Analyse uns die Bestandteile der Atmosphäre zeigen, welche Moleküle und Atome sich darin befinden.

Dies ist aus vielen Gründen wichtig. Ja, die offensichtliche große Hoffnung besteht darin, eine sauerstoffreiche Atmosphäre zu finden, möglicherweise sogar mit einem inerten, aber weit verbreiteten Stickstoffmolekül, das eine wahrhaft terrestrische Atmosphäre schafft. Aber wir können noch weiter gehen, indem wir nach Wasser suchen. Andere Anzeichen für ein mögliches Leben können gesucht werden, wie Methan und Kohlendioxid. Eine weitere interessante Konsequenz, die heute unterschätzt wird, ist die Fähigkeit, Supererden direkt zu untersuchen. Welche haben riesige Wasserstoff- und Heliumabdeckungen und welche nicht?


Die Klassifizierung der Planeten ist felsig, neptunartig, Jupiterartig, Stern. Die Grenze zwischen dem erdähnlichen und dem neptunähnlichen Planeten ist verschwommen.

Wenn wir die Details eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems wirklich sehen wollen, brauchen wir ein Teleskop, das hunderte Male größer ist als das größte der geplanten: mehrere Kilometer Durchmesser. Und bis zu diesem Tag können wir auf Informationen über viele wichtige Dinge warten, die mit den nächsten erdähnlichen Welten in unserer Galaxie zusammenhängen. TESS findet bereits neue Planeten. James Webb wurde fertiggestellt und wartet auf den Start im Jahr 2021. Drei 30-Meter-Teleskope sind im Bau, und das erste (GMT) soll 2024 starten, und das größte (ELT) - um das erste Licht im Jahr 2025 zu sehen. In zehn Jahren werden wir direkt (optisch oder infrarot) haben. ) Daten über Dutzende von Welten, die Größe der Erde oder etwas größer sind und sich außerhalb unseres Sonnensystems befinden.

Ein einzelnes Pixel mag unbedeutend erscheinen, aber denken Sie darüber nach, wie viel wir lernen können - über Jahreszeiten, Wetter, Kontinente, Ozeane, Polkappen und sogar das Leben - und Sie werden begeistert sein.

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