Links ein Bild der Erde von der DSCOVR-EPIC-Kamera. Richtig, dasselbe Bild hat sich auf eine Auflösung von 3 x 3 Pixeln verschlechtert, ähnlich wie es Forscher bei zukünftigen Exoplanetenbeobachtungen sehen werden. (NOAA / NASA / STEPHEN KANE)

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

Sie werden erstaunt sein, was Sie aus einem einzigen Pixel lernen können.

In den letzten zehn Jahren hat unser Wissen über Planeten um Sternensysteme, die über unsere eigenen Systeme hinausgehen, erheblich zugenommen. Von einigen wenigen Welten - größtenteils massereich, mit schnellen inneren Umlaufbahnen und um Sterne mit geringerer Masse - bis hin zu buchstäblich Tausenden von sehr unterschiedlichen Größen - wissen wir jetzt, dass erdgroße und etwas größere Welten extrem häufig sind. Mit der nächsten Generation von kommenden Observatorien aus dem Weltraum (wie dem James Webb Space Telescope) und vom Boden (mit Observatorien wie GMT und ELT) können solche Welten direkt abgebildet werden. Wie wird das aussehen? Das möchte Patreon-Anhänger Tim Graham wissen und fragt:

[W] Mit welcher Auflösung können wir rechnen? [A] nur wenige Pixel oder einige Features sichtbar?

Das Bild selbst wird nicht beeindruckend sein. Aber was es uns lehrt, ist alles, wovon wir vernünftigerweise träumen können.

Eine künstlerische Darstellung von Proxima b orbiting Proxima Centauri. Mit Teleskopen der 30-Meter-Klasse wie GMT und ELT können wir es direkt abbilden sowie alle äußeren, noch unentdeckten Welten. Mit unseren Teleskopen sieht es jedoch nicht so aus. (ESO / M. KORNMESSER)

Lassen Sie uns zuerst die schlechten Nachrichten aus dem Weg räumen. Das uns am nächsten liegende Sternensystem ist das Alpha-Centauri-System, das sich in etwas mehr als 4 Lichtjahren Entfernung befindet. Es besteht aus drei Sternen:

  • Alpha Centauri A, ein sonnenähnlicher Stern (G-Klasse),
  • Alpha Centauri B, das etwas kühler und weniger massig ist (K-Klasse), aber Alpha Centauri A in einiger Entfernung von den Gasriesen in unserem Sonnensystem umkreist, und
  • Proxima Centauri, die viel kühler und weniger massereich ist (M-Klasse) und von der bekannt ist, dass sie mindestens einen erdgroßen Planeten hat.

Es gibt zwar viel mehr Planeten um dieses trinäre Sternensystem, aber die Tatsache ist, dass die Planeten klein sind und die Entfernungen zu ihnen, insbesondere außerhalb unseres eigenen Sonnensystems, enorm sind.

Dieses Diagramm zeigt das neuartige optische 5-Spiegel-System des Extrem Large Telescope (ELT) von ESO. Bevor das Licht die wissenschaftlichen Instrumente erreicht, wird es zuerst vom riesigen, konkaven, 39 Meter langen, segmentierten Primärspiegel (M1) des Teleskops reflektiert und dann von zwei weiteren Spiegeln der 4-Meter-Klasse reflektiert, einem konvexen (M2) und einem konkaven (M3). Die letzten beiden Spiegel (M4 und M5) bilden ein integriertes adaptives Optiksystem, mit dem extrem scharfe Bilder in der endgültigen Fokusebene erzeugt werden können. Dieses Teleskop verfügt über mehr Lichtsammelvermögen und eine bessere Winkelauflösung von bis zu 0,005 Zoll als jedes andere Teleskop in der Geschichte. (ESO)

Das größte gebaute Teleskop, das ELT, wird einen Durchmesser von 39 Metern haben, was bedeutet, dass es eine maximale Winkelauflösung von 0,005 Bogensekunden hat, wobei 60 Bogensekunden 1 Bogenminute und 60 Bogenminuten 1 Grad entsprechen. Wenn Sie einen erdgroßen Planeten in die Entfernung von Proxima Centauri bringen, dem nächsten Stern hinter unserer Sonne in 4,24 Lichtjahren, hätte er einen Winkeldurchmesser von 67 Mikrobogensekunden (μas), was bedeutet, dass sogar unser stärkstes aufstrebendes Teleskop wäre um den Faktor 74 zu klein, um einen erdgroßen Planeten vollständig aufzulösen.

Das Beste, auf das wir hoffen konnten, war ein einzelnes, gesättigtes Pixel, bei dem das Licht in die umgebenden, benachbarten Pixel unserer fortschrittlichsten Kameras mit der höchsten Auflösung einfiel. Optisch ist es eine enorme Enttäuschung für jeden, der eine spektakuläre Aussicht haben möchte, wie die Illustrationen, die die NASA veröffentlicht hat.

Künstlerische Konzeption des Exoplaneten Kepler-186f, der erdähnliche (oder frühe, lebensfreie erdähnliche) Eigenschaften aufweisen kann. So einfallsreich Illustrationen wie diese auch sind, sie sind bloße Spekulationen und die eingehenden Daten liefern überhaupt keine vergleichbaren Ansichten. (NASA AMES / SETI INSTITUT / JPL-CALTECH)

Aber hier endet die Enttäuschung. Durch die Verwendung der Coronagraph-Technologie können wir das Licht des übergeordneten Sterns ausblenden und direkt auf das Licht des Planeten blicken. Sicher, wir erhalten nur Licht im Wert von einem Pixel, aber es wird überhaupt kein kontinuierliches, stetiges Pixel sein. Stattdessen können wir dieses Licht auf drei verschiedene Arten überwachen:

  1. In einer Vielzahl von Farben, photometrisch, die uns lehren, wie die optischen Gesamteigenschaften eines abgebildeten Planeten sind.
  2. Spektroskopisch bedeutet dies, dass wir das Licht in seine einzelnen Wellenlängen aufteilen und nach Signaturen bestimmter Moleküle und Atome auf seiner Oberfläche und in seiner Atmosphäre suchen können.
  3. Mit der Zeit können wir messen, wie sich beide oben genannten Faktoren ändern, wenn sich der Planet um seine Achse dreht und sich saisonal um seinen übergeordneten Stern dreht.

Aus dem Licht eines einzigen Pixels können wir eine ganze Reihe von Eigenschaften für jede fragliche Welt bestimmen. Hier sind einige der Highlights.

Illustration eines exoplanetaren Systems, möglicherweise mit einem Exomoon, der es umkreist. (NASA / DAVID HARDY, VIA ASTROART.ORG)

Indem wir das Licht messen, das von einem Planeten im Verlauf seiner Umlaufbahn reflektiert wird, reagieren wir auf eine Vielzahl von Phänomenen, von denen wir einige bereits auf der Erde sehen. Wenn die Welt einen Unterschied in der Albedo (Reflektivität) von einer Hemisphäre zur anderen hat und sich auf eine andere Weise dreht als eine, die in einer 1-zu-1-Resonanz tidal an ihren Stern gebunden ist, können wir ein periodisches Signal sehen entsteht, wenn sich die sternwärts gerichtete Seite mit der Zeit ändert.

Eine Welt mit Kontinenten und Ozeanen würde zum Beispiel ein Signal anzeigen, das in einer Vielzahl von Wellenlängen auf- und abfällt, entsprechend dem Teil, der im direkten Sonnenlicht war und dieses Licht zurück zu unseren Teleskopen hier im Sonnensystem reflektierte.

Hunderte von Kandidatenplaneten wurden bisher in den Daten entdeckt, die vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA gesammelt und veröffentlicht wurden. Acht davon wurden bisher durch Folgemessungen bestätigt. Drei der einzigartigsten und interessantesten Exoplaneten sind hier abgebildet, weitere werden folgen. Einige der nächsten Welten, die von TESS entdeckt werden, sind Kandidaten dafür, erdähnlich und für die direkte Bildgebung zugänglich zu sein. (NASA / MIT / TESS)

Dank der Fähigkeit der direkten Bildgebung können wir Wetteränderungen auf einem Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems direkt messen.

Die zusammengesetzten Bilder von 2001–2002 des blauen Marmors, die mit MODIS-Daten (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) der NASA erstellt wurden. Während sich ein Exoplanet dreht und sich sein Wetter ändert, können wir Schwankungen im Verhältnis von Planetenkontinent / Ozean / Eiskappe sowie das Signal der Wolkendecke ausloten oder rekonstruieren. (NASA)

Das Leben mag ein schwierigeres Signal sein, aber wenn es einen Exoplaneten mit Leben geben würde, ähnlich wie auf der Erde, würden wir einige sehr spezifische jahreszeitliche Veränderungen feststellen. Auf der Erde bedeutet die Tatsache, dass sich unser Planet um die eigene Achse dreht, dass im Winter, wenn unsere Hemisphäre von der Sonne abgewandt ist, die Eiskappen größer werden, die Kontinente stärker reflektieren und der Schnee bis in tiefere Breiten reicht und die Welt weniger grün wird in seiner Gesamtfarbe.

Umgekehrt ist unsere Hemisphäre im Sommer der Sonne zugewandt. Die Eiskappen schrumpfen, während die Kontinente grün werden: die dominierende Farbe des Pflanzenlebens auf unserem Planeten. Ähnliche jahreszeitliche Änderungen wirken sich auf das Licht aus, das von jedem von uns abgebildeten Exoplaneten ausgeht, und ermöglichen es uns, nicht nur jahreszeitliche Schwankungen, sondern auch die spezifischen prozentualen Änderungen der Farbverteilung und des Reflexionsvermögens herauszufiltern.

In diesem Bild von Titan sind der Methandunst und die Atmosphäre in einem nahezu transparenten Blau dargestellt, wobei Oberflächenmerkmale unter den Wolken angezeigt werden. Ein Komposit aus ultraviolettem, optischem und infrarotem Licht wurde verwendet, um diese Ansicht zu konstruieren. Durch die Kombination ähnlicher Datensätze über die Zeit für einen direkt abgebildeten Exoplaneten, selbst mit nur einem Pixel, konnten wir eine enorme Menge seiner atmosphärischen, Oberflächen- und jahreszeitlichen Eigenschaften rekonstruieren. (NASA / JPL / SPACE SCIENCE INSTITUT)

Es sollten auch allgemeine Planeten- und Umlaufbahnmerkmale auftreten. Wenn wir aus unserer Sicht keinen Planetentransit beobachten, bei dem der betreffende Planet zwischen uns und dem Stern, den er umkreist, verläuft, können wir die Ausrichtung seiner Umlaufbahn nicht kennen. Dies bedeutet, dass wir nicht wissen können, wie groß die Masse des Planeten ist. Wir können nur eine Kombination seiner Masse und des Neigungswinkels seiner Umlaufbahn erkennen.

Wenn wir jedoch messen können, wie sich das Licht im Laufe der Zeit ändert, können wir ableiten, wie seine Phasen aussehen müssen und wie sich diese im Laufe der Zeit ändern. Wir können diese Informationen verwenden, um diese Entartung zu brechen und ihre Masse und Umlaufbahnneigung sowie die Anwesenheit oder Abwesenheit großer Monde auf diesem Planeten zu bestimmen. Die Art und Weise, wie sich die Helligkeit ändert, sobald Farbe, Wolkendecke, Rotation und saisonale Änderungen herausgerechnet werden, sollte es uns ermöglichen, all dies von nur einem einzigen Pixel zu lernen.

Die Phasen der Venus, von der Erde aus gesehen, sind analog zu den Phasen eines Exoplaneten, wenn er seinen Stern umkreist. Wenn die „Nachtseite“ bestimmte Temperatur- / Infraroteigenschaften aufweist, genau die, auf die James Webb empfindlich reagiert, können wir feststellen, ob sie atmosphärisch sind, und spektroskopisch den atmosphärischen Inhalt bestimmen. Dies gilt auch dann, wenn diese nicht direkt über einen Transit gemessen werden. (WIKIMEDIA COMMONS BENUTZER NICHALP UND SAGREDO)

Dies wird aus einer Vielzahl von Gründen wichtig sein. Ja, die große, offensichtliche Hoffnung ist, dass wir eine sauerstoffreiche Atmosphäre finden, die vielleicht sogar mit einem inerten, aber gemeinsamen Molekül wie Stickstoffgas gekoppelt ist und eine wahrhaft erdähnliche Atmosphäre schafft. Aber wir können darüber hinaus nach dem Vorhandensein von Wasser suchen. Andere mögliche Lebenszeichen wie Methan und Kohlendioxid können ebenfalls aufgesucht werden. Ein weiterer unterhaltsamer Fortschritt, der heute stark unterschätzt wird, wird die direkte Abbildung von Super-Erd-Welten sein. Welche haben riesige Wasserstoff- und Heliumgashüllen und welche nicht? Auf direkte Weise werden wir endlich in der Lage sein, eine abschließende Linie zu ziehen.

Das Klassifizierungsschema der Planeten als felsig, neptunartig, jupiterartig oder stellarartig. Die Grenze zwischen erdähnlich und neptunähnlich ist trüb, aber die direkte Abbildung von Supererden-Kandidatenwelten sollte es uns ermöglichen, festzustellen, ob sich um jeden fraglichen Planeten eine Gashülle befindet oder nicht. (CHEN AND KIPPING, 2016, VIA ARXIV.ORG/PDF/1603.08614V2.PDF)

Wenn wir wirklich Merkmale auf einem Planeten jenseits unseres Sonnensystems abbilden wollen, brauchen wir ein Teleskop, das hundertmal so groß ist wie das größte, das derzeit geplant wird: mehrere Kilometer im Durchmesser. Bis zu diesem Tag können wir uns jedoch darauf freuen, so viele wichtige Dinge über die nächsten erdähnlichen Welten in unserer Galaxie zu lernen. TESS ist da draußen und findet gerade diese Planeten. James Webb ist fertig und wartet auf das Startdatum 2021. Drei Teleskope der 30-Meter-Klasse sind in Arbeit, von denen das erste (GMT) 2024 in Betrieb genommen werden soll und das größte (ELT) 2025 das erste Licht erblicken soll. In zehn Jahren ist es soweit direkte Bilddaten (optisch und infrarot) von Dutzenden erdgroßen und etwas größeren Welten, die sich alle außerhalb unseres Sonnensystems befinden.

Ein einzelnes Pixel scheint nicht viel zu sein, aber wenn Sie darüber nachdenken, wie viel wir lernen können - über Jahreszeiten, Wetter, Kontinente, Ozeane, Eiskappen und sogar das Leben -, ist es genug, um Ihnen den Atem zu rauben.

Senden Sie Ihre Ask Ethan-Fragen an startswithabang at gmail dot com!

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.