In den letzten Jahrzehnten ist die Zahl der entdeckten und bestätigten extrasolaren Planeten exponentiell gestiegen. Bei gegenwärtig wurde die Existenz von 3.778 Exoplaneten in 2.818 Planetensystemen bestätigt, weitere 2.737 Kandidaten warten auf ihre Bestätigung. Mit dieser Menge an Planeten, die zur Untersuchung zur Verfügung stehen, hat sich der Fokus der Exoplanetenforschung von der Detektion hin zur Charakterisierung verlagert.
Wissenschaftler sind beispielsweise zunehmend daran interessiert, die Atmosphären von Exoplaneten zu charakterisieren, um mit Sicherheit sagen zu können, dass sie die richtigen Zutaten für das Leben haben (d. h. Stickstoff, Kohlendioxid usw.). Leider ist dies mit den derzeitigen Methoden sehr schwierig. Jedoch nach a neue Studie von einem internationalen Team von Astronomen werden Instrumente der nächsten Generation, die auf direkter Bildgebung beruhen, bahnbrechend sein.
Die Studium, ' Direkte Bildgebung im Auflicht: Charakterisierung älterer Exoplaneten gemäßigter Klimazonen mit 30-m-Teleskopen “, erschien vor kurzem online. Die Studie wurde von Michael Fitzgerald und Ben Mazin geleitet – einem außerordentlichen Professor für Astrophysik an der University of California Los Angeles (UCLA) bzw. dem Worster Chair in Experimental Physics an der University of California Santa Barbara (UCSB).
Der Exoplanet Beta Pictoris b, der durch direkten Nachweis beobachtet wurde. Bildnachweis: ESO
Sie wurden von Forschern der Universität Montreal unterstützt Institut für Exoplanetenforschung (iREX), das Jet Propulsion Laboratory der NASA, das Carnegie-Observatorien , das Steward-Observatorium , das Nationales Astronomisches Observatorium Japans , das Massachusetts Institute of Technology (MIT), the Kalifornisches Institut der Technologie (Caltech) und mehrere Universitäten.
Wie sie in ihrer Studie zeigen, sind unsere Fähigkeiten zur Charakterisierung von Exoplaneten derzeit begrenzt. Zum Beispiel unsere aktuellen Methoden – die am weitesten verbreitete ist die Transitmethode und Radialgeschwindigkeit Messungen – haben dazu geführt, dass Tausende von kurzperiodischen Planeten entdeckt wurden (Planeten, die mit einer Periode von etwa 10 Tagen nahe ihrer Sonne kreisen). Die Empfindlichkeit dieser Methoden nimmt jedoch erheblich ab, je weiter der Exoplanet von seiner Sonne entfernt ist.
Darüber hinaus sind langperiodische Planeten auch in ihren Spektren weitgehend unzugänglich. Bei dieser Art der Analyse wird das Licht gemessen, das die Atmosphäre eines Planeten beim Durchgang von seinem Stern durchdringt. Durch die 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 anzugehen, schlägt das Team vor, dass die direkte Detektion (auch bekannt als direkte Bildgebung) eine effektivere Methode zur Charakterisierung der Atmosphären von Exoplaneten sein wird. Wie Dr. Étienne Artigau, iREX-Forscher und Co-Autor der Studie, Universe Today per E-Mail erklärte (übersetzt aus dem Französischen)
„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 dieses Licht muss mit einem ausreichend starken Teleskop erfasst werden können. Das Flussverhältnis zwischen den Planeten und ihrem Stern ist enorm, in der Größenordnung von 1 Milliarde, verglichen mit den Planeten, die durch ihre thermische Emission entdeckt werden, oder dieses Verhältnis liegt eher in der Größenordnung von 1 Million.“
Künstlerische Illustration des Thirty-Meter-Teleskops an seinem bevorzugten Standort auf dem Mauna Kea, Hawaii. Bildnachweis: TMT International Observatory
Derzeit ist die direkte Bildgebung das einzige Mittel, um Spektren von nicht-transitierenden Exoplaneten zu erhalten, insbesondere von solchen, die sich in mittleren und großen Entfernungen von ihren Sonnen befinden. In diesem Fall erhalten Astronomen Spektren aus Licht, das von der Atmosphäre des Exoplaneten reflektiert wird, um seine Zusammensetzung zu bestimmen. Bisher wurden nur eine Handvoll Exoplaneten direkt abgebildet, die alle selbstleuchtende Superjupiter waren, die ihre Wirtssterne in einer Entfernung von Hunderten oder Tausenden von AE umkreisten.
Diese Planeten waren sehr jung und hatten Temperaturen von über 500 °C (932 °F), was sie zu einer eher seltenen Planetenklasse macht. Infolgedessen haben Astronomen keine Informationen über die Vielfalt der Atmosphären von Exoplaneten, insbesondere wenn es um kleinere Gesteinsplaneten geht, deren Temperaturen eher denen der Erde ähnlich sind – wo die Oberflächentemperaturen im Durchschnitt um 15 ° C (58,7 ° F) liegen.
Dies liegt daran, dass bestehende Teleskope einfach nicht die Empfindlichkeit haben, um kleinere Planeten, die näher um die Sterne kreisen, direkt abzubilden. Wie sie in ihrer Studie feststellten, würde die Charakterisierung der Atmosphären von Planeten, die sich innerhalb von 5 AE um ihre Sterne befinden (wo Radialgeschwindigkeitsmessungen viele Planeten ergeben haben), ein Teleskop mit einer 30-Meter-Öffnung in Kombination mit fortschrittlicher adaptiver Optik, einem Koronagraphen und erfordern Reihe von Spektrometern und Imagern.
„Kurz gesagt, kein aktuelles Teleskop kann diese Planeten erkennen, auch nicht um die uns am nächsten gelegenen Sterne, aber es gibt 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 Artiqua. 'Es ist nicht sicher, ob man zunächst Planeten wie die Erde entdecken kann, aber zumindest sollte man Planeten wie Uranus und Neptun nachweisen können, was schon ein hervorragendes Ergebnis wäre.'
Künstlerische Illustration der GMT in Chile. Der Siebensegmentspiegel ist das Herzstück des Teleskops. Bildnachweis: Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation
Zu diesen Einrichtungen der nächsten Generation und adaptiven optischen Instrumenten gehören der Planetary Systems Imager (PSI) auf der Dreißig-Meter-Teleskop (TMT), die für den Bau auf dem Mauna Kea, Hawaii, vorgeschlagen wird. Und da ist die GMagAO-X Instrument auf dem Riesen-Magellan-Teleskop (GMT), das sich derzeit im Bau befindet Las Campanas-Observatorium und soll 2025 fertiggestellt werden.
Wie Artigau angedeutet hat, werden mit diesen Instrumenten der nächsten Generation durchgeführte Vermessungen es Astronomen ermöglichen, eine größere Bandbreite von Planeten zu entdecken und zu charakterisieren sowie nach möglichen Lebenszeichen (auch bekannt als Biosignaturen) zu suchen, wie nie zuvor:
„Dies wird es uns ermöglichen, das Licht direkt zu untersuchen, das von Planeten kommt, die nur ein wenig größer als die Erde sind (und vielleicht wie die Erde, 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 (Durchgänge, Radialgeschwindigkeit), von denen wir aber nichts wissen… Die Bedeutung der direkten Bildgebung besteht darin, dass sie es ermöglicht, direkt zu untersuchen die Atmosphäre und sogar die Oberfläche dieser Planeten. Die Hinzufügung eines hochauflösenden Spektrographen liefert auch eine Vorstellung von Winden und der globalen Windzirkulation sowie die Untersuchung des Vorhandenseins verschiedener Moleküle.“
Natürlich wird es auch mit diesen Instrumenten und Teleskopen der nächsten Generation weiterhin Grenzen geben, was Wissenschaftler mit der Methode der direkten Bildgebung lernen können. Aber die Möglichkeiten und Implikationen für die Exoplanetenforschung sind geradezu immens. Für den Anfang könnten Astronomen eine bessere Vorstellung von der Demografie kleinerer, felsiger Planeten bekommen, die innerhalb der jeweiligen bewohnbaren Zonen ihrer Sterne kreisen.
Künstlerisches Konzept von erdähnlichen Exoplaneten, die (nach neuen Forschungen) viel Wasser aufweisen könnten. Bildnachweis: NASA
„Die Entdeckung von ‚potenziell bewohnbaren‘ Planeten ist hier sicherlich der spannendste 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 machen, sollte es nur wenige (wahrscheinlich weniger als 10) terrestrische Planeten geben, die zugänglich sind und eine Temperatur haben, die mit unserer vergleichbar ist.“
Innerhalb dieses Planetenspektrums können sich Artigau und seine Kollegen eine Reihe interessanter Szenarien vorstellen. Einige können zum Beispiel venusähnlich 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 Atmosphären der Planeten zerstört haben. Darüber hinaus kann es terrestrische Planeten geben, die wir uns nicht einmal vorstellen können.
„Kurz gesagt, die bewohnbaren Planeten könnten sehr wohl mehr Vorstellungskraft haben als wir“, schloss Dr. Artiqau. „Diese Vielfalt von 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 Erforschung von Exoplaneten vom Boden aus erreichen, aber es sind erhebliche Investitionen in die Technologie erforderlich, um diese Instrumente für 30-m-Teleskope zu bauen“, fügte Mazin hinzu.
Die Studie wurde ermöglicht durch die zusätzliche Unterstützung der Nationaler Forschungsrat von Kanada (NRC) und die Giant Magellan Telescope Organization (GMTO) Corporation.
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