Links ein Bild der Erde von der DSCOVR-EPIC-Kamera. Richtig, dasselbe Bild wurde auf eine Auflösung von 3 x 3 Pixel verschlechtert, ähnlich wie es Forscher in 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 hinausgehen, enorm zugenommen, vor allem aufgrund der Kepler-Mission der NASA. Von nur wenigen Welten - meist massereich, mit schnellen inneren Umlaufbahnen und um Sterne mit geringerer Masse - bis zu buchstäblich Tausenden von unterschiedlichsten Größen wissen wir jetzt, dass erdgroße und etwas größere Welten extrem häufig sind. Mit der nächsten Generation kommender Observatorien aus dem Weltraum (wie dem James Webb-Weltraumteleskop) und dem Boden (mit Observatorien wie GMT und ELT) können die nächstgelegenen Welten direkt abgebildet werden. Wie wird das aussehen? Das möchte Patreon-Anhänger Tim Graham wissen und fragt:

[W] Welche Art von Auflösung können wir erwarten? [A] nur wenige Pixel oder einige sichtbare Merkmale?

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

Eine künstlerische Darstellung von Proxima b, die Proxima Centauri umkreist. Mit Teleskopen der 30-Meter-Klasse wie GMT und ELT können wir sie sowie alle äußeren, noch unentdeckten Welten direkt abbilden. 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 gelegene Sternensystem ist das Alpha-Centauri-System, das sich etwas mehr als 4 Lichtjahre entfernt befindet. Es besteht aus drei Sternen:

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

Während es um dieses trinäre Sternensystem viel mehr Planeten geben könnte, ist die Tatsache, dass Planeten klein sind und die Entfernungen zu ihnen, insbesondere jenseits unseres eigenen Sonnensystems, enorm sind.

Dieses Diagramm zeigt das neuartige optische 5-Spiegel-System des Extrem Large Telescope (ELT) von ESO. Vor Erreichen der wissenschaftlichen Instrumente wird das Licht zunächst vom riesigen konkaven 39-Meter-Segment-Primärspiegel (M1) des Teleskops reflektiert und anschließend von zwei weiteren Spiegeln der 4-Meter-Klasse, einem konvexen (M2) und einem konkaven (M3), reflektiert. Die letzten beiden Spiegel (M4 und M5) bilden ein eingebautes adaptives Optiksystem, mit dem extrem scharfe Bilder in der endgültigen Brennebene erzeugt werden können. Dieses Teleskop hat mehr Lichtsammelkraft und eine bessere Winkelauflösung von bis zu 0,005 Zoll als jedes andere Teleskop in der Geschichte. (ESO)

Das größte von allen gebaute Teleskop, das ELT, hat einen Durchmesser von 39 Metern, was bedeutet, dass es eine maximale Winkelauflösung von 0,005 Bogensekunden hat, wobei 60 Bogensekunden 1 Bogenminute und 60 Bogenminuten 1 Grad ausmachen. 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 bevorstehendes Teleskop wäre etwa ein Faktor von 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 blutete. Optisch ist es eine enorme Enttäuschung für jeden, der auf eine spektakuläre Aussicht hofft, wie die Illustrationen, die die NASA veröffentlicht hat.

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

Aber hier endet die Enttäuschung. Mithilfe der Coronagraph-Technologie können wir das Licht des Muttersterns blockieren und das Licht vom Planeten direkt betrachten. Sicher, wir bekommen 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. Photometrisch in einer Vielzahl von Farben, die uns die gesamten optischen Eigenschaften eines abgebildeten Planeten lehren.
  2. Spektroskopisch bedeutet dies, dass wir dieses Licht in seine einzelnen Wellenlängen aufteilen und nach Signaturen bestimmter Moleküle und Atome auf seiner Oberfläche und in seiner Atmosphäre suchen können.
  3. Im Laufe der Zeit können wir also messen, wie sich beide oben genannten Faktoren ändern, wenn sich der Planet um seine Achse dreht und sich saisonal um seinen Mutterstern dreht.

Aus dem Lichtwert eines einzelnen 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, ÜBER ASTROART.ORG)

Indem wir das Licht messen, das von einem Planeten im Verlauf seiner Umlaufbahn reflektiert wird, reagieren wir empfindlich auf eine Vielzahl von Phänomenen, von denen einige bereits auf der Erde zu sehen sind. 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: 1-Resonanz gezeitengebunden an ihren Stern gebunden ist, können wir ein periodisches Signal sehen Das Auftauchen der sternseitigen Seite ändert sich mit der Zeit.

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

In den vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA gesammelten und veröffentlichten Daten wurden bisher Hunderte von Kandidatenplaneten entdeckt, von denen acht bisher durch Folgemessungen bestätigt wurden. Drei der einzigartigsten und interessantesten Exoplaneten werden hier abgebildet, viele weitere werden folgen. Einige der nächsten Welten, die von TESS entdeckt werden müssen, sind Kandidaten für die Erdähnlichkeit und für die direkte Bildgebung. (NASA / MIT / TESS)

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

Die zusammengesetzten Bilder des Blauen Marmors von 2001–2002, die mit den MODIS-Daten (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) der NASA erstellt wurden. Wenn sich ein Exoplanet dreht und sich sein Wetter ändert, können wir Variationen in den Verhältnissen Planetenkontinent / Ozean / Eiskappe sowie das Signal der Wolkendecke herausarbeiten oder rekonstruieren. (NASA)

Das Leben mag ein schwierigeres Signal sein, aber wenn es einen Exoplaneten mit Leben auf der Erde gäbe, würden wir einige sehr spezifische saisonale Veränderungen sehen. Auf der Erde bedeutet die Tatsache, dass sich unser Planet um seine Achse dreht, dass im Winter, wenn unsere Hemisphäre von der Sonne abgewandt ist, die Eiskappen größer werden, die Kontinente reflektierender werden und der Schnee sich in niedrigere Breiten erstreckt, und die Welt weniger grün wird in seiner Gesamtfarbe.

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

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

Es sollten auch allgemeine Planeten- und Umlaufbahnmerkmale auftreten. Wenn wir aus unserer Sicht keinen Planetentransit beobachtet haben - wo 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 kennen.

Wenn wir jedoch messen können, wie sich das Licht von ihm im Laufe der Zeit ändert, können wir daraus schließen, wie seine Phasen aussehen müssen und wie sich diese im Laufe der Zeit ändern. Wir können diese Informationen verwenden, um diese Entartung zu überwinden und ihre Masse und Orbitalneigung sowie das Vorhandensein oder Fehlen großer Monde um diesen Planeten herum zu bestimmen. Die Art und Weise, wie sich die Helligkeit ändert, wenn Farbe, Wolkendecke, Rotation und saisonale Änderungen abgezogen werden, sollte es uns ermöglichen, all dies zu lernen.

Die Phasen der Venus sind von der Erde aus gesehen analog zu den Phasen eines Exoplaneten, wenn dieser seinen Stern umkreist. Wenn die

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 wirklich erdähnliche Atmosphäre schafft. Aber wir können darüber hinausgehen und nach Wasser suchen. Andere Signaturen potenziellen Lebens wie Methan und Kohlendioxid können ebenfalls gesucht werden. Ein weiterer lustiger Fortschritt, der heute stark unterschätzt wird, wird die direkte Abbildung von Super-Erde-Welten sein. Welche haben riesige Wasserstoff- und Heliumgashüllen und welche nicht? Auf direkte Weise können wir endlich eine schlüssige Linie ziehen.

Das Klassifizierungsschema von Planeten als felsig, neptunartig, jupiterartig oder stellarartig. Die Grenze zwischen erdähnlich und neptunartig ist trübe, aber die direkte Abbildung von Kandidaten-Super-Erdwelten 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 ist: 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 den Starttermin 2021. Drei Teleskope der 30-Meter-Klasse sind in Arbeit, von denen das erste (GMT) 2024 online gehen soll und das größte (ELT) 2025 das erste Licht sehen soll. In einem Jahrzehnt werden wir dies tun direkte Bilddaten (optisch und infrarot) auf Dutzenden von erdgroßen und etwas größeren Welten, alle jenseits unseres Sonnensystems.

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 -, reicht es aus, um Ihnen den Atem zu rauben.

Senden Sie Ihre Fragen an Ethan an Startwithabang bei gmail dot com!

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