Man könnte sagen, dass sich die Erforschung extrasolarer Planeten in letzter Zeit in einer Übergangsphase befindet. Miteinander ausgehen, 4.525 Exoplaneten wurden in 3.357 Systemen bestätigt, weitere 7.761 Kandidaten warten auf ihre Bestätigung. Infolgedessen haben sich Exoplanetenstudien weg vom Entdeckungsprozess hin zur Charakterisierung entwickelt, bei der Folgebeobachtungen von Exoplaneten durchgeführt werden, um mehr über ihre Atmosphären und Umgebungen zu erfahren.
Dabei hoffen die Exoplanetenforscher herauszufinden, ob einer dieser Planeten die notwendigen Zutaten für das Leben, wie wir es kennen, besitzt. Vor kurzem haben zwei Forscher der Northern Arizona University mit Unterstützung der Virtuelles Planetenlabor des NASA Astrobiology Institute (VPL), entwickelte eine Technik für Ozeane auf Exoplaneten finden . Die Fähigkeit, Wasser auf anderen Planeten zu finden, ein wichtiger Bestandteil des Lebens auf der Erde, wird einen großen Beitrag dazu leisten, außerirdisches Leben zu finden.
Die Forschung wurde von dem Postdoktoranden Dominick J. Ryan, einem Postdoktoranden an der Northern Arizona University (NAU), und Tyler D. Robinson – einem Assistenzprofessor für Astronomie und Planetenwissenschaften an der NAU und dem NASA Astrobiology Institute – durchgeführt. Die Studie, die ihre Ergebnisse beschrieb, mit dem Titel „ Detektion von Ozeanen auf Exoplaneten mit phasenabhängiger spektraler Hauptkomponentenanalyse “ ist kürzlich online erschienen und wird zur Veröffentlichung von . in Betracht gezogenDas Planetary Science Journal.
Künstlerische Illustration des Exoplaneten HR8799e. Das GRAVITY-Instrument der ESO auf ihrem Very Large Telescope Interferometer machte die erste direkte optische Beobachtung dieses Planeten und seiner Atmosphäre. Bildnachweis: ESO/L. Calçada
Wenn es um die Charakterisierung von Exoplaneten geht, ist die vielversprechendste Technik die Transitmethode (auch bekannt als Transit-Photometrie). Dies besteht darin, Sterne auf periodische Helligkeitsabfälle zu überwachen, die darauf hindeuten, dass Planeten (relativ zum Beobachter) vor ihren Elternsternen vorbeiziehen. Manchmal sind Astronomen auch in der Lage, Spektren zu erhalten, wenn Licht durch die Atmosphäre des Transitplaneten dringt, was Aufschluss über seine chemische Zusammensetzung gibt. Aber wie Prof. Robinson Universe Today per E-Mail mitteilte, erlaubt diese Methode keine Oberflächenbeobachtungen:
„Im Moment sagen uns unsere besten Techniken zur Charakterisierung von felsigen Exoplaneten nicht viel über die Oberflächenumgebung dieser Welten (einschließlich der Anwesenheit von flüssigem Wasser). Für Hubble (und das demnächst startende JWST) verwenden wir Transitspektroskopie, um die Atmosphären von Exoplaneten zu charakterisieren – und suchen nach sehr geringen Helligkeits- und Farbänderungen eines Wirtssterns, wenn ein Planet seine Scheibe durchquert. In dieser Geometrie/Aufstellung bedeuten die sehr langen Wege, die das Licht durch die Atmosphäre nimmt (am ähnlichsten, wie die Sonne bei Sonnenuntergang auf der Erde betrachtet wird), dass die tiefe Atmosphäre (und die Oberfläche) verdeckt ist.“
In naher Zukunft wird sich diese Situation voraussichtlich erheblich ändern, dank Instrumente der nächsten Generation wie James Webb Weltraumteleskop (JWST) und bodengestützte Observatorien wie die Extrem großes Teleskop (ELT). Dank ihrer ausgeklügelten Optik, Koronographen und Spektrometer werden diese Teleskope in der Lage sein, direkt Bild kleinere Exoplaneten, die näher um ihre Sterne kreisen (dort sind potenziell bewohnbare Gesteinsplaneten wahrscheinlicher).
Diese Künstleransicht zeigt den „Hot Jupiter“ 51 Pegasi b (Bellerophon), den ersten Exoplaneten um einen normalen Stern und den ersten direkt abgebildeten Exoplaneten. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)
Diese Methode besteht darin, das Licht zu beobachten, das direkt von der Atmosphäre oder Oberfläche eines Exoplaneten reflektiert wird, was wertvolle Einblicke in das Klima und die Oberflächenumgebung des Planeten liefern kann. Neben JWST und ELT werden zahlreiche Missionen vorgeschlagen, die die erforderliche Auflösung und Empfindlichkeit aufweisen, um Oberflächenmerkmale zu erkennen basierend auf atmosphärischer Zusammensetzung , Vegetation identifizieren , Beweise für Photosynthese , und vielleicht sogar die Anwesenheit von künstliches Licht !
Im Rahmen ihrer Studie überlegten Ryan und Dr. Robinson, wie mit Instrumenten der nächsten Generation direkte Bildgebungsstudien von Exoplaneten durchgeführt werden könnten, die das Vorhandensein von Oberflächenwasser aufdecken würden. Der Schlüssel dazu, sagte Dr. Robinson, sei, nach „roten Halbmonden“ zu suchen:
„Derzeit werden Missionskonzepte geprüft, die diese Art von Daten liefern würden – HabEx und LUVOIR sind die Paradebeispiele. Auf die gleiche Weise, wie das Sonnenlicht, das vom Ozean glitzert, wenn man einen Sonnenuntergang von einem Strand auf der Erde aus betrachtet, ziemlich rot aussieht, haben wir vorgeschlagen, dass glitzernde Ozeane auf Exoplaneten dazu führen könnten, dass der gesamte Planet in Halbmondphasen sehr rot erscheint.
„Wenn das berühmte Pale Blue Dot-Foto von der Erde aufgenommen worden wäre, als sie eine schmale Sichel war, wäre sie überhaupt nicht blau gewesen – sie wäre rot gewesen! Wenn wir also nach Anzeichen dafür suchen, dass ein potenziell erdähnlicher Exoplanet in Halbmondphasen sehr reflektierend und rot wird, könnten wir möglicherweise einen Ozean auf dieser Welt entdecken.“
TOI 1338 b ist ein zirkumbinärer Planet, der seine beiden Sterne umkreist. Es wurde von TESS entdeckt. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/Chris Smith
Da es keine Beobachtungen der Erde mit Raumfahrzeugen für die Halbmondphasen und Wellenlängen gibt, die zum Testen dieser Methode erforderlich waren, verließen sich Ryan und Dr. Robinson auf eine Reihe von Simulationen der Helligkeit der Erde. Diese Simulationen berücksichtigten alle realistischen Effekte, die durch die Reflexion von Sonnenlicht durch Oberflächenwasser verursacht werden – von Ozeanglitzern und Wolken bis hin zu atmosphärischen und Oberflächenreflexionen.
„Diese Simulationen haben gezeigt, dass die Erde, wenn sie in eher sichelähnlichen Phasen betrachtet wird, tatsächlich rot und reflektierend wird“, sagte Dr. Robinson. „Mit Hilfe von Werkzeugen, die nachahmten, wie eine entfernte Erde einer HabEx- oder LUVOIR-ähnlichen Mission erscheinen würde, haben wir gezeigt, dass nur wenige Beobachtungen einer erdähnlichen Welt einige verschiedene Phasen (von der nahezu vollen Phase bis hin zu sichelförmigen Phasen) umfassten. würde eine sichelförmige Rötung zeigen, die auf Ozeane hindeutet.“
Wie Dr. Robinson erklärte, gilt diese Technik nicht für dieJWSTwird aber mit zukünftigen Missionen möglich sein. Dazu gehören die oben genannten Bewohnbares Exoplaneten-Observatorium (HabEx), ein Weltraumteleskop, das für direkte Bildstudien von erdähnlichen Planeten um sonnenähnliche Sterne entwickelt wurde; und der Großes UV/optisches/IR-Vermessungsgerät (LUVOIR), ein Observatorium mit großer Öffnung und mehreren Wellenlängen, das eine Vielzahl von wissenschaftlichen Zielen erreichen wird.
Letztendlich, so Dr. Robinson, bietet diese Studie einen „gut definierten Weg“ für zukünftige direkte Bildgebungsstudien, die auf die Charakterisierung von Exoplaneten abzielen. „Ein Teil der Jagd nach außerirdischem Leben besteht darin, zu verstehen, wie üblich es ist, dass felsige Welten bewohnbare Bedingungen haben (oberflächliche Ozeane, zumindest für Exoplaneten) – da bewohnbare Welten auch unsere besten Ziele für die Jagd nach Biosignaturen sind“, sagte Dr. Robinson. „Wir haben also geholfen, ein Puzzleteil zu lösen, um Welten zu entdecken, in denen wir glauben, dass Leben entstehen könnte!“
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