Tanya Ethan: seperti apa foto langsung pertama planet ekstrasurya kita yang seperti bumi?

Foto bumi yang diambil oleh kamera DSCOVR-EPIC, dan juga terdegradasi ke resolusi 3x3 piksel - kira-kira dalam bentuk ini, peneliti masa depan akan melihat exoplanet

Selama dekade terakhir, terutama berkat misi Kepler , pengetahuan kita tentang planet-planet sistem bintang lainnya telah berkembang pesat. Dari hanya beberapa dunia - kebanyakan masif, dengan orbit yang cepat dan dalam yang mengorbit bintang dengan massa kecil - hingga ribuan planet dengan ukuran yang sangat berbeda. Sekarang kita tahu bahwa dunia seukuran Bumi dan sedikit lebih besar adalah sangat umum. Observatorium generasi berikutnya, yang akan muncul baik di ruang angkasa (misalnya, teleskop James Webb ) dan di darat ( GMT dan ELT ), akan dapat memotret langsung yang terdekat dari dunia-dunia ini. Akan seperti apa mereka? Inilah yang diminta pembaca kami:

Resolusi apa yang bisa diharapkan dari foto-foto ini? Beberapa piksel, atau detail yang terlihat?

Foto-foto itu sendiri tidak akan terlalu mengesankan. Namun, dari mereka, kita dapat mempelajari segala sesuatu yang dapat Anda impikan (dalam batas yang wajar).


Proxima B di orbit sekitar Proxima Centauri, seperti yang disampaikan oleh sang seniman. Dengan bantuan teleskop 30 meter di masa depan, kita dapat melihatnya secara langsung, tetapi tidak secantik dalam gambar.

Untuk mulai dengan, mari kita berurusan dengan berita buruk. Sistem bintang terdekat adalah Alpha Centauri , terletak hanya 4 tahun cahaya dari kami. Terdiri dari tiga bintang:

• Alpha Centauri A, bintang kelas G, seperti Matahari;
• Alpha Centauri B, bintang Kelas K yang lebih dingin dan kurang masif, berputar di sekitar Alpha Centauri A dalam orbit yang sebanding dengan orbit raksasa gas kita;
• Proxima Centauri, bintang kelas M yang jauh lebih dingin dan kurang masif yang memiliki setidaknya satu planet seukuran Bumi.

Mungkin ada lebih banyak planet di sekitar sistem bintang tiga ini, tetapi mereka akan kecil, dan jarak dari mereka ke bintang-bintang akan sangat besar.


Sistem optik 5-cermin baru ELT. Sebelum masuk ke instrumen ilmiah, cahaya dipantulkan dari cermin utama tersegmen setinggi 39 meter (M1), dan kemudian dipantulkan dari dua cermin 4 meter berikutnya, cembung M2 dan cekung M3. Dua cermin terakhir, M4 dan M5, membentuk sistem optik adaptif, yang memungkinkan untuk memperoleh gambar yang sangat tajam pada bidang fokus terakhir. Kekuatan cahaya dan resolusi sudut 0,005 "dari teleskop ini akan lebih baik daripada yang lainnya dalam sejarah.

Teleskop terbesar dari semua yang sedang dibangun, ELT, akan memiliki diameter 39 m, yang berarti resolusi sudut maksimum 0,005 detik busur; 60 busur detik adalah 1 menit busur, dan 60 menit busur adalah 1 derajat. Jika Anda menempatkan sebuah planet seukuran Bumi di sebelah Proxima Centauri, bintang terdekat dengan Matahari kita, yang terletak dalam 4,24 tahun cahaya, diameter sudutnya akan menjadi 67 mikrodetik sudut (μas), yang berarti bahwa bahkan dengan teleskop terbaik kami yang sedang dibangun, resolusi akan menjadi 74 kali lebih buruk dari yang dibutuhkan untuk melihat planet seukuran Bumi.

Yang bisa kita harapkan adalah satu-satunya piksel jenuh yang cahayanya menembus piksel di sekitarnya, dan ini ada pada kamera paling canggih dengan resolusi maksimum. Secara visual, ini akan menjadi kekecewaan serius bagi semua orang yang berharap mendapatkan pemandangan indah seperti apa yang ada dalam ilustrasi dari NASA.


Exoplanet Kepler-186f, sifat-sifatnya, mungkin, mirip dengan Bumi, dalam pandangan sang seniman. Namun, ilustrasi semacam itu spekulatif, dan data di masa depan tidak akan memberi kita spesies yang mirip dengan yang ini.

Namun, kabar buruk berakhir di sini. Dengan menggunakan coronograf , kita dapat memblokir cahaya dari bintang induk dan mengamati cahaya langsung dari planet itu sendiri. Tentu saja, kami mendapatkan cahaya per piksel, tetapi itu tidak akan menjadi piksel yang tetap dan tidak berubah. Kami dapat melacak cahaya dalam tiga cara berbeda:

1. Dalam berbagai warna, secara fotometrik, dari sinilah kita mempelajari sifat optik umum dari gambar apa pun di planet ini.
2. Secara spektroskopi, yang akan memungkinkan kita memecah cahaya menjadi panjang gelombang yang berbeda dan mencari tanda-tanda keberadaan molekul dan atom tertentu di permukaan dan di atmosfer.
3. Mengukur perubahan dari dua titik sebelumnya dengan rotasi planet di sekitar poros dan di orbit, kita memperoleh karakteristik sementara.

Dari hanya satu piksel cahaya, kita dapat menentukan sejumlah besar properti dari setiap dunia yang dipelajari. Dan inilah beberapa di antaranya.


Planet ekstrasurya dengan bulan berputar di sekitarnya

Dengan mengukur pantulan dari planet cahaya selama gerakan orbitnya, kita memperoleh informasi tentang banyak fenomena, yang beberapa di antaranya kita amati di Bumi. Jika belahan bumi yang berbeda memiliki albedo (reflektifitas) yang berbeda dan dunia berputar dengan cara apa pun, kecuali ketika terhubung secara tidal dengan bintang dalam rasio 1: 1, kita dapat melihat sinyal periodik yang muncul ketika planet beralih ke bintangnya di sisi lain.

Di dunia dengan benua dan lautan, sinyal akan naik dan turun pada frekuensi yang berbeda, sesuai dengan bagian-bagian yang akan memantulkan cahaya langsung ke arah teleskop kita.


Ratusan kandidat planet telah ditemukan dalam data yang dikumpulkan dan dirilis oleh teleskop luar angkasa TESS, yang dirancang untuk membuka exoplanet dengan metode transit. Gambar menunjukkan tiga yang paling menarik, dan banyak lagi akan muncul di belakang mereka.

Dan jika ada awan dan fenomena atmosfer di planet ini yang menghalangi dan memantulkan cahaya? Kemudian perubahan cuaca akan memungkinkan kita untuk mengekstrak sinyal ini ketika kita mengamati bagaimana awan berubah dari waktu ke waktu, melapiskan efeknya pada efek lain. Awan juga akan memiliki fitur molekuler tertentu yang menunjukkan apakah mereka terdiri dari asam sulfat, tetesan air, metana atau bahan volatil lainnya.

Berkat kemampuan pengamatan langsung, kita akan dapat secara langsung mengukur perubahan cuaca di sebuah planet di luar tata surya kita.


Gambar komposit "Bola Biru" tahun 2001-2002, dibuat oleh spektroradiometer MODIS.

Kehidupan akan lebih sulit untuk dideteksi, tetapi jika ada planet ekstrasurya di mana ada kehidupan yang mirip dengan duniawi, kita akan melihat beberapa perubahan musim tertentu di atasnya. Rotasi Bumi di sekitar porosnya berarti bahwa di musim dingin, ketika belahan bumi kita berpaling dari Matahari, tutup kutub meningkat, reflektifitas benua yang tertutup salju untuk meningkatkan garis lintang, dan dunia menjadi kurang hijau.

Di musim panas, sebaliknya, belahan bumi kita memandang Matahari. Tutup kutub berkurang, benua memperoleh warna hijau yang mendominasi kehidupan tanaman planet kita. Perubahan musiman yang serupa akan memengaruhi cahaya dari setiap planet ekstrasurya yang kita foto, yang akan memungkinkan kita menilai tidak hanya perubahan musim, tetapi juga persen perubahan dalam distribusi warna dan reflektifitas.


Dalam bidikan Titan ini, kabut metana dan atmosfer ditampilkan sebagai biru tembus, dan fitur permukaan terlihat. Untuk membuat gambar, gambar dalam rentang ultraviolet, optik dan inframerah digunakan.

Karakteristik planet dan orbital juga harus muncul. Kecuali jika kita mengamati transit planet ini dari sudut pandang kita, ketika planet itu melewati persis di antara kita dan bintangnya, kita tidak akan tahu orientasi orbitnya. Artinya, kita tidak mengenali massanya; kita hanya akan tahu kombinasi massa dan sudut kemiringan orbit.

Tetapi jika kita mengukur perubahan dari waktu ke waktu, kita dapat menghitung bagaimana fase-fase itu akan terlihat dan bagaimana mereka berubah. Kami dapat menggunakan informasi ini untuk menentukan massa dan kecenderungan orbitalnya, serta ada atau tidak adanya bulan besar. Bahkan dari satu piksel, dengan mengurangkan perubahan cahaya terkait warna, tutupan awan, rotasi dan perubahan musim, kita bisa mendapatkan semua informasi ini.


Fase-fase Venus yang terlihat dari bumi mirip dengan fase-fase sebuah planet ekstrasurya yang mengorbit bintangnya. Jika sisi "malam" akan memiliki sifat suhu tertentu, yang mana teleskop James Webb sensitif, kita dapat menentukan apakah ia memiliki atmosfer, serta komponennya.

Akhirnya, pengamatan langsung dan analisis spektroskopi harus menunjukkan kepada kita komponen-komponen atmosfer, di mana molekul dan atom berada di dalamnya.

Ini penting karena banyak alasan. Ya, harapan besar yang jelas adalah menemukan atmosfer yang kaya akan oksigen, bahkan mungkin dengan molekul nitrogen yang inert tapi tersebar luas, yang akan memberikan atmosfer yang benar-benar terestrial. Tapi kita bisa melangkah lebih jauh dengan mencari air. Tanda-tanda lain dari kehidupan potensial dapat dicari, seperti metana dan karbon dioksida. Konsekuensi lain yang menarik yang diremehkan saat ini adalah kemampuan untuk secara langsung memeriksa bumi super. Yang memiliki tutup raksasa hidrogen dan helium, dan yang tidak?


Klasifikasi planet adalah berbatu, seperti neptune, seperti Jupiter, bintang. Batas antara planet-planet yang mirip bumi dan neptune-seperti kabur.

Jika kita ingin benar-benar melihat detail di sebuah planet yang terletak di luar tata surya kita, kita akan membutuhkan teleskop ratusan kali lebih besar daripada yang terbesar dari yang direncanakan: diameter beberapa kilometer. Dan sampai hari itu, kita dapat menunggu informasi tentang banyak hal penting yang berkaitan dengan dunia mirip bumi terdekat di galaksi kita. TESS sudah menemukan planet baru. James Webb telah selesai dan menunggu untuk diluncurkan pada tahun 2021. Tiga teleskop 30 meter sedang dibangun, dan yang pertama (GMT) harus dimulai pada tahun 2024, dan yang terbesar (ELT) - untuk melihat cahaya pertama pada tahun 2025. Dalam sepuluh tahun kita akan memiliki langsung (optik atau inframerah) ) data pada lusinan dunia, ukuran Bumi atau sedikit lebih besar, yang terletak di luar tata surya kita.

Satu piksel mungkin tampak tidak signifikan, tetapi pikirkan tentang seberapa banyak yang dapat kita pelajari - tentang musim, cuaca, benua, lautan, topi kutub, bahkan kehidupan - dan Anda akan kagum.

Anda dapat menemukan lebih banyak artikel tentang topik sains populer di situs web Golovanov.net. Lihat juga: mengapa kita tidak merasakan bagaimana Bumi terbang di luar angkasa?; bagaimana alam membantah matematika ; argumen baru untuk Planet Kesembilan; bagaimana menjadi nomad digital ; pernyataan paling kontroversial yang dibuat oleh bapak DNA; dan artikel lainnya, termasuk Tanyakan seri Ethan .

Proyek ini ada hanya berkat dukungan pembaca (kartu bank, Yandex.Money, WebMoney, Bitcoin, dll.). Terima kasih kepada semua orang yang telah memberikan dukungan!

Sekarang Anda dapat mendukung proyek melalui layanan berlangganan otomatis Patreon !