In den letzten Jahrzehnten ist die Anzahl der entdeckten und bestätigten außersolaren Planeten exponentiell gestiegen. Gegenwärtig wurde die Existenz von 3.778 Exoplaneten in 2.818 Planetensystemen bestätigt, weitere 2.737 Kandidaten warten auf ihre Bestätigung. Mit diesem Volumen an Planeten, die für Studien zur Verfügung stehen, hat sich der Schwerpunkt der Exoplanetenforschung von der Entdeckung zur Charakterisierung verlagert.
Zum Beispiel sind Wissenschaftler zunehmend daran interessiert, die Atmosphäre von Exoplaneten zu charakterisieren, damit sie mit Sicherheit sagen können, dass sie die richtigen Zutaten für das Leben haben (d. H. Stickstoff, Kohlendioxid usw.). Leider ist dies mit aktuellen Methoden sehr schwierig. Laut einer neuen Studie eines internationalen Astronomenteams werden Instrumente der nächsten Generation, die auf direkter Bildgebung beruhen, jedoch eine entscheidende Rolle spielen.
Die Studie „Direkte Bildgebung in reflektiertem Licht: Charakterisierung älterer, gemäßigter Exoplaneten mit 30-m-Teleskopen“ wurde kürzlich online veröffentlicht. Die Studie wurde von Michael Fitzgerald und Ben Mazin geleitet - einem außerordentlichen Professor für Astrophysik an der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) und dem Worster-Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara (UCSB).
Zu ihnen gesellten sich Forscher des Instituts für Exoplanetenforschung der Universität Montreal (iREX), des Jet Propulsion Laboratory der NASA, der Carnegie Observatories, des Steward Observatory, des National Astronomical Observatory of Japan und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Kalifornien Institut für Technologie (Caltech) und mehrere Universitäten.
Wie sie in ihrer Studie zeigen, sind unsere Fähigkeiten zur Charakterisierung von Exoplaneten derzeit begrenzt. Zum Beispiel haben unsere derzeitigen Methoden - die am weitesten verbreitete Methode ist die Transitmethode und die Radialgeschwindigkeitsmessung - dazu geführt, dass Tausende von kurzperiodischen Planeten entdeckt wurden (Planeten, die mit einem Zeitraum von etwa 10 Tagen nahe an ihren Sonnen umkreisen). Die Empfindlichkeit dieser Methoden nimmt jedoch wesentlich ab, je weiter der Exoplanet von seiner Sonne entfernt ist.
Darüber hinaus sind langperiodische Planeten in Bezug auf ihre Spektren weitgehend unzugänglich. Bei dieser Art der Analyse wird das Licht gemessen, das durch die Atmosphäre eines Planeten fällt, wenn es von seinem Stern eintritt. Durch Messung seiner Spektren zur Bestimmung seiner Zusammensetzung können Wissenschaftler die Atmosphäre des Exoplaneten charakterisieren und feststellen, ob ein Planet tatsächlich bewohnbar sein könnte.
Um dies zu beheben, schlägt das Team vor, dass die direkte Erkennung (auch bekannt als direkte Bildgebung) eine effektivere Methode zur Charakterisierung der Atmosphäre von Exoplaneten darstellt. Wie Dr. Étienne Artigau, eine Forscherin von iREX und Mitautorin der Studie, dem Space Magazine per E-Mail erklärte (aus dem Französischen übersetzt)
„Im„ reflektierten Licht “wurde bisher kein Planet gefunden. Wenn wir die Planeten unseres Sonnensystems sehen, können wir sie sehen, weil sie von der Sonne beleuchtet werden. Ebenso reflektieren die Planeten der anderen Sterne Licht und es muss möglich sein, dieses Licht mit einem ausreichend starken Teleskop zu erfassen. Das Flussverhältnis zwischen den Planeten und ihrem Stern ist enorm und liegt in der Größenordnung von 1 Milliarde im Vergleich zu den Planeten, die durch ihre Wärmeabgabe erfasst werden, oder dieses Verhältnis liegt eher in der Größenordnung von 1 Million. “
Gegenwärtig ist die direkte Bildgebung das einzige Mittel, um Spektren von nicht transitierenden Exoplaneten zu erhalten, insbesondere solchen, die sich in mittleren und weiten Entfernungen von ihren Sonnen befinden. In diesem Fall erhalten Astronomen Spektren von Licht, das von der Atmosphäre des Exoplaneten reflektiert wird, um dessen Zusammensetzung zu bestimmen. Bisher wurden nur eine Handvoll Exoplaneten direkt abgebildet. All dies waren selbstleuchtende Super-Jupiter, die ihre Wirtssterne in einer Entfernung von Hunderten oder Tausenden von AU umkreisten.
Diese Planeten waren sehr jung und hatten Temperaturen über 500 ° C (932 ° F), was sie zu einer eher seltenen Klasse von Planeten macht. Infolgedessen haben Astronomen keine Informationen über die Vielfalt der Exoplanetenatmosphären, insbesondere bei kleineren, felsigen Planeten mit Temperaturen, die denen der Erde ähnlicher sind - wo die Oberflächentemperaturen im Durchschnitt bei 15 ° C liegen (58,7 ° F).
Dies liegt an der Tatsache, dass vorhandene Teleskope einfach nicht die Empfindlichkeit haben, kleinere Planeten, die näher an den Sternen kreisen, direkt abzubilden. Wie sie in ihrer Studie festgestellt haben, würde die Charakterisierung der Atmosphären von Planeten, die sich innerhalb von 5 AE von ihren Sternen befinden (wo Radialgeschwindigkeitsmessungen viele Planeten ergeben haben), ein Teleskop mit einer Apertur von 30 Metern in Kombination mit fortschrittlicher adaptiver Optik, einem Koronagraph und Reihe von Spektrometern und Bildgebern.
"Kurz gesagt, kein aktuelles Teleskop kann diese Planeten erkennen, auch nicht um die Sterne, die uns am nächsten liegen. Es gibt jedoch allen Grund zu der Annahme, dass die nächste Generation von Teleskopen mit einem Durchmesser von 30 m und mehr dazu in der Lage sein wird", sagte er Artiqua. "Es ist nicht sicher, ob man zunächst Planeten wie die Erde entdecken kann, aber zumindest sollte man Planeten erkennen können, die mit Uranus und Neptun vergleichbar sind, was bereits ein hervorragendes Ergebnis wäre."
Zu diesen Einrichtungen der nächsten Generation und adaptiven optischen Instrumenten gehört der Planetary Systems Imager (PSI) des 30-Meter-Teleskops (TMT), der für den Bau auf Mauna Kea, Hawaii, vorgeschlagen wird. Und es gibt das GMagAO-X-Instrument am Giant Magellan Telescope (GMT), das derzeit am Las Campanas Observatory gebaut wird und 2025 fertiggestellt werden soll.
Wie Artigau angedeutet hat, werden mit diesen Instrumenten der nächsten Generation durchgeführte Untersuchungen es Astronomen ermöglichen, ein breiteres Spektrum von Planeten zu erkennen und zu charakterisieren sowie nach möglichen Lebenszeichen (auch bekannt als Biosignaturen) zu suchen, wie nie zuvor:
„Auf diese Weise können wir das Licht von Planeten, die etwas größer als die Erde sind, direkt untersuchen (und vielleicht die Erde mögen, wenn wir optimistisch sind). Dies ist eine unserer besten Chancen, in diesen Atmosphären nach Lebenssignaturen zu suchen. Selbst wenn wir keine Lebenssignatur finden, wird es möglich sein, ganze Klassen von Planeten zu verstehen, die wir indirekt sehen (Transite, Radialgeschwindigkeit), von denen wir aber nichts wissen ... Die Bedeutung der direkten Bildgebung besteht darin, dass sie die direkte Untersuchung ermöglicht die Atmosphäre und sogar die Oberfläche dieser Planeten. Die Hinzufügung eines hochauflösenden Spektrographen liefert auch eine Vorstellung von Wind und globaler Windzirkulation sowie die Untersuchung des Vorhandenseins verschiedener Moleküle. “
Natürlich wird es immer noch Grenzen geben, was Wissenschaftler mit der direkten Bildgebungsmethode lernen können, selbst wenn diese Instrumente und Teleskope der nächsten Generation zur Verfügung stehen. Aber die Möglichkeiten und Implikationen für die Exoplanetenforschung sind geradezu immens. Für den Anfang könnten Astronomen eine bessere Vorstellung von der Demographie kleinerer, felsiger Planeten bekommen, die in den jeweiligen bewohnbaren Zonen ihrer Sterne kreisen.
"Die Entdeckung von" potenziell bewohnbaren "Planeten ist hier sicherlich der aufregendste Fall, aber es ist wichtig zu bedenken, dass es selbst mit dem 30-Meter-Teleskop ziemlich schwierig bleiben wird", sagte Artigua. "Wenn wir eine statistische Vorhersage treffen, sollte es nur wenige (wahrscheinlich weniger als 10) terrestrische Planeten geben, die zugänglich sind und eine Temperatur haben, die mit unserer vergleichbar ist."
Innerhalb dieser Reihe von Planeten können sich Artigau und seine Kollegen eine Reihe interessanter Szenarien vorstellen. Zum Beispiel können einige Venus-ähnlich sein, wo dichte Atmosphären und eine relativ enge Umlaufbahn zu einem außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt führen. Andere mögen wie der Mars sein, wo Sonnenwind oder Eruptionen die Atmosphäre der Planeten zerstört haben. Darüber hinaus kann es terrestrische Planeten geben, die wir uns gar nicht vorstellen können.
"Kurz gesagt, die bewohnbaren Planeten könnten sehr viel mehr Vorstellungskraft haben als wir", schloss Dr. Artiqau. "Diese Vielfalt an Exoplaneten impliziert auch, dass wir vorsichtig sein müssen, wenn wir vorhersagen, dass es bewohnbar sein wird."
"Unter dem Strich können wir mit 30-m-Teleskopen erstaunliche Dinge bei der Untersuchung von Exoplaneten vom Boden aus tun, aber es sind erhebliche Investitionen in Technologie erforderlich, um sich auf den Bau dieser Instrumente für 30-m-Teleskope vorzubereiten", fügte Mazin hinzu.
Die Studie wurde dank zusätzlicher Unterstützung durch den National Research Council of Canada (NRC) und die Giant Magellan Telescope Organization (GMTO) Corporation ermöglicht.
