Vraag:
Wanneer zullen we de technologie hebben om een ​​exoplaneet direct en met grote helderheid te observeren?
Fezter
2013-07-18 09:18:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zijn er momenteel projecten gaande om een ​​telescoop te ontwikkelen waarmee een exoplaneet direct en met enige helderheid kan worden waargenomen?

Ik bedoel niet wazige (maar indrukwekkende) afbeeldingen zoals deze:

enter image description here

Maar misschien is er iets waar we kunnen feitelijke kenmerken op het oppervlak of de atmosfeer zien.

Ik begrijp dat dit misschien niet mogelijk is met conventionele telescopen, maar ik vroeg me af welke technologieën nodig zouden zijn om oppervlakte- of atmosferische kenmerken op een exoplaneet te zien, zeg tussen 5-50 lichtjaar van de aarde.

Als er geen lopende projecten aan de gang zijn, wanneer zou dan een haalbaar tijdsbestek zijn om zo'n telescoop te zien?

Geen antwoord, maar ik dacht dat ik het toch zou posten. James Webb zal in 2018 worden gelanceerd, maar het zal niet veel in de weg van planeten zien. http://jwst.nasa.gov/faq.html#planets maar het zal enkele verre planeetatmosferen en water analyseren (scroll naar beneden naar punt 4) http://news.nationalgeographic.com/news/2014/02/140204- nasa-james-webb-space-telescope-top-science / en 2018 is niet te ver weg, als alles lukt.
This question has excellent answers already, but I'd like to add a short comment to put things into perspective: If you would aim the Hubble telescope at the moon (which is ~1 light second away), an Apollo landing site would look like [this](http://www.lpi.usra.edu/images/sapo/sapo_S24.gif). Now imagine what it would take to "see" anything of the surface of a planet that is several light *years* away...
fwiw, [dit artikel] (http://online.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/ast.2009.0371) behandelt de langetermijnvooruitzichten van directe waarnemingen van exoplaneet
@collapsar Dat artikel is het waard om als antwoord samengevat te worden!
Het artikel: [Detecting the Glint of Starlight on the Oceans of Distant Planets] (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103508000407) legt uit hoe we ze in detail kunnen karakteriseren door hun licht te observeren bochten terwijl ze ons verschillende fasen presenteren
Drie antwoorden:
#1
+24
SF.
2013-07-18 12:19:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ik ben bang dat het buitengewoon moeilijk zou zijn - simpelweg het aantal fotonen dat wordt weerkaatst door een planeetoppervlak en de aarde bereikt (en de telescooplens, hoe groot ook) binnen een tijdsbestek voor een solide foto, is te klein om een ​​zinvol beeld te creëren.

Planeten staan ​​niet stil; ze cirkelen rond hun sterren, en dat betekent dat een foto met een lange belichtingstijd ze als een spoor laat zien. Natuurlijk zou de telescoop de orbitale beweging kunnen volgen en uiteindelijk zouden we het planeetschijfbeeld kunnen krijgen. Helaas draaien ze ook om hun as, en dat betekent dat we geen foto's van hun oppervlak krijgen, alleen vage lijnen rond de schijf. Als we slim genoeg waren, zouden we meerdere keren op hetzelfde ‘uur’ van de ‘dag’ van de planeet meerdere keren korte foto's kunnen maken, en door ze te combineren zouden we kunnen krijgen wat we willen - op voorwaarde dat we op de een of andere manier weten hoe lang een bepaalde planeetdag is "is. Maar dat is alleen voor planeten zonder of met een dunne atmosfeer. Als de planeet weer heeft - dat is het einde, het is helemaal niet herhaalbaar.

Dus daar - we hebben al twee technieken om fatsoenlijke foto's van de exoplaneten te maken. De eerste - een sonde daarheen sturen, foto's laten maken en terugbrengen - zou duizenden jaren duren. De andere - een telescoop bouwen met een lens die enorm genoeg is om genoeg fotonen op te vangen die van een bepaalde planeet worden weerkaatst binnen een tijdsbestek dat het oppervlak niet onherkenbaar zal vervagen - zou honderden biljoenen dollars kosten. De James Webb Space Telescope ('s werelds grootste ruimtetelescoop) kost bijna 20 miljard dollar en zal exoplaneten niet kunnen' oplossen '.

EDIT: Dit zou eigenlijk binnen wat redelijker budget kunnen worden gedaan. Je hebt een zeer nauwkeurige (niet per se enorme lensgrootte = helderheid) telescoop nodig, met een sensor die in staat is om afzonderlijke fotonen te registreren, niet hun som in de tijd - 'een film opnemen' in plaats van alleen een foto te maken. De telescoop zou nog steeds de baan van de planeet moeten volgen, maar door de waarnemingen over een lange tijd te registreren en de autocorrelatiefunctie van de metingen te gebruiken, zou het de rotatieperiode (daglengte) van een bepaalde planeet kunnen bepalen - specifieke kenmerken van het terrein zouden regelmatig op specifieke plaatsen verschijnen. intervallen (een dag uit elkaar) die een cyclische functie creëren in de algemene ruis. Als u de 'daglengte' en de precieze tijd van elk foton kent, kunt u al uw gemeten punten opnieuw toewijzen aan de juiste locaties van de draaiende bol in de loop van de tijd, en op die manier het beeld van het hele oppervlak opnieuw creëren - op dezelfde manier hoe een moderne fotocamera zijn beweging gebruikt pad geregistreerd door versnellingsmeters om een ​​statisch beeld te creëren van een foto met een lange belichtingstijd die is gemaakt met een trillende hand.

Dit vereist natuurlijk nog steeds betere telescopen dan alles wat we hebben, maar het is goed binnen het bereik van onze hedendaagse technologie en niet met een buitensporig budget.

Je zou ook een soort berekening kunnen gebruiken die de ontbrekende stukjes kan invullen op basis van de informatie die het heeft gekregen ...
#2
+20
mins
2015-07-24 23:28:50 UTC
view on stackexchange narkive permalink

enter image description here

Het is momenteel niet mogelijk om de details van een planeet op afstand te krijgen, zoals een lichtjaar of meer. Verder zijn de onderstaande projecten niet bedoeld om goede afbeeldingen van het oppervlak te krijgen, maar alleen om exoplaneten detecteren en basismetingen uit te voeren. De reden is dat het verkrijgen van gedetailleerde foto's van het oppervlak de huidige technologische mogelijkheden en onderzoek te boven gaat.

Hubble, de ruimtetelescoop, presteert beter dan enig equivalent op de grond, dankzij tot de afwezigheid van atmosferische verstoringen. Ook een interferometer in de ruimte zou baat hebben bij deze luchtvrije omgeving. Dit leidde tot verschillende concepten:

enter image description here
Bron: Agence Science-Presse.

  • Darwin geannuleerd in 2007
  • Space Interferometry Mission ( SIM), geannuleerd in 2010.
  • Terrestrial Planet Finder ( TPF), geannuleerd in 2011.
  • Labeyrie's Hypertelescope, niet gefinancierd.

Darwin-artikel op Wikipedia vat de technologische moeilijkheid samen :

Om een ​​beeld te produceren, zouden de telescopen in formatie moeten werken met afstanden tussen de telescopen binnen enkele micrometers en de afstand tussen de telescopen en de ontvanger binnen ongeveer één micrometer. nanometer. Er zouden verschillende meer gedetailleerde studies nodig zijn geweest om te bepalen of technologie die in staat is tot een dergelijke precisie ook daadwerkelijk haalbaar is.

Objecten met een kleine schijnbare grootte kunnen beter worden waargenomen met behulp van astronomische interferometrie, maar de huidige technologie maakt dit mogelijk krijg alleen een globaal beeld van een paar grote en ultraheldere objecten.

Aarde-achtige planeet op een afstand van één lichtjaar heeft een schijnbare grootte die vergelijkbaar is met ε Aurigae, maar de zwakte van exoplaneten verhindert momenteel om details op hun oppervlak te zien: door de blootstelling te vergroten, kunnen we de omstandigheden met weinig licht overwinnen, maar beeld vanwege de schijnbare beweging.

Het alternatief om sondes te verzenden en foto's te maken is momenteel ook niet mogelijk, Voyager 1 en 2, gelanceerd in 1977, bevinden zich net aan de grens van ons eigen zonnestelsel, 10.000 ste de afstand om te reizen naar de dichtstbijzijnde exoplaneet.


enter image description here

De meeste van de duizenden reeds ontdekte exoplaneten zijn gedetecteerd met behulp van indirecte methoden, zoals de helderheidsdip van de centrale ster tijdens de doorgang van de ronddraaiende planeet. De vraag verwijst naar een uitzonderlijk geval, een directe waarneming van een enorme planeet in het IR-spectrum.

Er zijn twee bepalende elementen bij het observeren van een object:

  • De schijnbare grootte van het object, of hoekgrootte .
  • De schijnbare helderheid van het object

Schijnbare grootte

In deze afbeelding hebben de drie objecten dezelfde hoekgrootte , en zal op dezelfde manier worden gezien:

enter image description here

Volgens deze formule:

  θ = 2 • arctan (½ • d / D )  

de hoekgrootte van een planeet met de diameter d van de aarde, op een afstand D van 1 ly, is 0,3 milliarcseconde (mas)

Om deze planeet te zien als één pixel, het slechtst mogelijke detailniveau, moet de telescoop 0,3 mas oplossen.

Hoekresolutie met een enkele telescoop

Volgens de limiet van Rayleigh is de hoekmaat θ die een telescoop met een diameter d spiegel kan oplossen bij λ golflengte:

  θ ° = 70 * (λ / d)  

Om 0,3 mas in het midden van het zichtbare spectrum op te lossen, moet de telescoopspiegel een diameter hebben van 500 m.

Het resultaat zou als volgt zijn:

  • enter image description here
    Bron. De bleekblauwe stip op deze afbeelding is eigenlijk de aarde gezien vanaf Voyager 1, "slechts" 5 lichturen verwijderd, met een imager die is gekoppeld aan een spiegel met een diameter van 18 cm. Maar het resultaat zou hetzelfde zijn met een telescoop van 500 m die zich op een afstand van 1 ly bevindt

Als de telescoop een diameter van 2 km had, dan zou het aantal pixels voor de planeet nog steeds alleen 4x4 zijn. Dit betekent dat wetenschappers nog lang niet in staat zijn om een ​​telescoop te bouwen om de details van een planeet op enkele lichtjaren te laten zien. Ook deze afstand van één lichtjaar is puur ter discussie, aangezien de dichtstbijzijnde ster al 4,2 ly ver is

Hoekresolutie met behulp van synthese-apertuur en interferometrie

Als twee instrumenten met een diameter van 1 m 10 m worden verplaatst en hun beelden worden gecombineerd zodat ze kunnen interfereren, is het resulterende resolutievermogen dat van een instrument van 10 m. De afstand tussen de instrumenten wordt de baseline genoemd. Wat het resolutievermogen betreft, gedraagt ​​het systeem zich als een enkel instrument ter grootte van de basislijn.

De eerste interferometer werd in 1920 gebruikt voor astronomische doeleinden.

Interferenties worden veroorzaakt door faseverschillen tussen de beelden en de vereiste precisie voor de basislijnwaarde is een fractie van een golflengte. Lange basislijnen zijn gemakkelijker te bouwen voor radiotelescopen dan voor optische telescopen. Optische interferometrie was sinds kort niet meer effectief.

Vergelijk de grootte van VLA (radiotelescoop) en VLTI (optische telescoop):

enter image description here enter image description here

Op de ene wordt de beste resolutie in optische astronomie verkregen met de MIRC -interferometer op de CHARA -array op Mount Wilson Observatory.

Zie afbeelding van ε Aurigae in het korte antwoord -gedeelte en meer over astronomische interferometrie.

Interferometrie in de ruimte

Hubble, de ruimtetelescoop, presteert beter dan enig equivalent op de grond, vanwege de afwezigheid van atmosferische verstoringen. Ook een interferometer in de ruimte zou baat hebben bij deze luchtvrije omgeving. ESA heeft het Darwin -project bestudeerd in het perspectief van het zoeken naar exoplaneten:

enter image description here
Bron: Agence Science-Presse.

Maar het project is in 2007 gestopt. Van Wikipedia.

Om een ​​beeld te produceren, zouden de telescopen in formatie moeten werken met afstanden tussen de telescopen gecontroleerd tot op enkele micrometers, en de afstand tussen de telescopen en ontvanger gecontroleerd tot op ongeveer een nanometer. Er zouden verschillende meer gedetailleerde studies nodig zijn geweest om te bepalen of technologie die in staat is tot een dergelijke precisie ook daadwerkelijk haalbaar is.

Vergelijkbare projecten:

  • Terrestrial Planet Finder ( TPF), geannuleerd in 2011.
  • Space Interferometry Mission ( SIM), geannuleerd in 2010.
  • Labeyrie's hypertelescope, niet gefinancierd.

Schijnbare helderheid

Een planeet creëert geen licht, hij reflecteert alleen het licht van zijn zon, tot op zekere hoogte.

De hoeveelheid licht gereflecteerd door de planeet is evenredig met de helderheid van zijn zon, zijn albedo (reflectievermogen) en zijn straal.

enter image description here enter image description here
Bron

Zoals te zien is op de foto's hierboven, bepalen de helling van de baan en de fase ook de hoeveelheid gereflecteerd licht.

Eigenlijk is de helderheid van een exoplaneet is slechts duizendsten van zijn zon, en ver onder het niveau van gevoeligheid van de beste sensoren. Alleen zeer lange belichtingstijden kunnen de zwakke lichtstraal na accumulatie detecteren, maar de details zijn wazig vanwege de relatieve beweging van de planeet.

Alleen de helderste sterren sturen genoeg fotonen om enkele details zichtbaar te maken. Details van een exoplaneet met dezelfde hoekgrootte zijn niet te zien.

Hoewel het resolutievermogen wordt verbeterd door interferometrische technieken, is deze verbetering niet van toepassing op de hoeveelheid verzamelde fotonen. De werkelijke opening van de afzonderlijke telescopen is de enige die de hoeveelheid opgevangen licht bepaalt.

De moeilijkheid voor directe beeldvorming van exoplaneten omvat ook het hoge contrast tussen de ster en de planeet. Om de detectie te verbeteren, gebruiken sommige telescopen een coronagraaf die de ster voor de imager verbergt.

De telescoop hoeft echter geen schijf met een diameter van 500 meter te zijn. Volgens mijn (weliswaar beperkte) begrip van optica zouden het tenminste twee (of meer) spiegels kunnen zijn die over een grote afstand van elkaar zijn gescheiden, met behulp van bundelcombinaties & c. Dus misschien twee Hubble-equivalenten geplaatst op de Aarde / Zon L4 & L5 punten?
@jamesqf Ja, dit is het principe van de [VLT] (https://en.wikipedia.org/wiki/Very_Large_Telescope), of een andere interferometer. Maar je moet de lichtstralen die door alle individuele spiegels worden ontvangen, samenvoegen, dit kan niet op grote afstanden worden gedaan, en waarschijnlijk niet in de ruimte, vanwege de enorme nauwkeurigheid die vereist is. Ook interferometers hebben een groot probleem met de helderheid, aangezien de hoeveelheid opgevangen fotonen afhankelijk is van het * werkelijke * oppervlak van de spiegels.
Ik aarzel om te zeggen dat alles met betrekking tot nauwkeurigheid onmogelijk is. Wat betreft het verzamelen van voldoende fotonen, ik denk dat bovenstaande afbeelding bewijst dat dit binnen het bereik van de huidige technologie ligt.
Om er een paar harde cijfers op te zetten, wordt [Gilese 674b] (https://en.wikipedia.org/wiki/Gliese_674) (15 ly verwijderd met een diameter van 1,1x Jupiter) opgelost als 10 pixels breed (ongeveer genoeg om Jupiter-achtige atmosferische banden) vereist een spiegel van ongeveer 11.000 meter breed.
@jamesqf: Toekomstige ontdekkingen kunnen interferometrie op lange basislijn in het zichtbare spectrum mogelijk maken, overeengekomen. Het beeld van de aarde is gemaakt door Voyager 1 op een afstand van 40 AU, maar de dichtstbijzijnde exoplaneet bevindt zich op 300.000 AU.
@Mark het hoeft echter niet één solide spiegel te zijn. Iets als ALMA als een constellatie van satellieten kan het. Over 20-30 jaar zal de technologie van het combineren van de signalen hier zijn. Maar nog niet.
@mins bedankt dat u de tijd heeft genomen om dit allemaal samen te stellen. Wederom is er weer een perfect goede dag voorbijgegaan door het lezen van goodies in SX SE!
@uhoh: Het spijt me echt ... Ik waardeer het dat je de tijd hebt genomen om de vriendelijke opmerking te plaatsen! Desalniettemin is er enige hoop met de bewerking aan het einde van [SF's antwoord] (http://space.stackexchange.com/a/361/7017): accumulatie van fotonen in de tijd.
@mins Ik wilde je eigenlijk alleen maar op een indirecte manier een compliment geven. Ik verwees naar het zeer populaire radioprogramma "Car Talk" - het zou altijd eindigen met de zin "je hebt weer een * perfect goed uur * verspild aan het luisteren naar Car Talk." Je antwoord is geweldig en ik waardeer het echt om het te lezen en er over na te denken. Bedankt!
@uhoh: Ik kende de verwijzing naar Car Talk niet, maar ik was tot de conclusie gekomen dat het alleen maar humor kon zijn, en antwoordde ook op de tweede graad! Nogmaals bedankt!
#3
  0
Herman
2018-06-20 16:38:12 UTC
view on stackexchange narkive permalink

In 2020.

De Starshade (ook bekend als New Worlds Mission) is een ruimtetelescoop met een grote occulter die weg kan vliegen en het licht van een ster kan blokkeren, zodat zijn telescoop een beeld kan vormen van de omringende exoplaneten:

De vorm van de occulter is zodanig dat de lichtgolven die langs de randen bloeden elkaar opheffen.

Artist depiction

Er zijn verschillende missies in de zoektocht naar een exoplaneet in de lijn van de Starshade. Eerst keek de Kepler-missie naar een deel van de lucht om te zien of exoplaneten veel voorkomen (ze zijn). Ten tweede zal TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de hele nachtelijke hemel scannen om een ​​catalogus te maken van alle nabije exoplaneten; om de meest interessante te selecteren. Ten derde zal de James Webb-telescoop betere foto's maken van de gaststerren van de exoplaneten die van belang zijn; zodat we de samenstelling van hun atmosfeer kunnen zien door middel van lichtinterferometrie. En alleen dan zullen ze de New Worlds Mission lanceren om exoplaneten in beeld te brengen.

Exoplanet missions

Het project is in ontwikkeling sinds 2005 en volgens sommige schattingen is de lanceringsdatum 2020.

De De hoeveelheid detail die we verwachten te zien, hangt af van de gebruikte telescoop. Voor 750 miljoen dollar krijg je gewoon de occulter, gebruikt in combinatie met de James Webb-telescoop. Door de missie een eigen telescoop te geven, zouden de foto's moeten verbeteren, maar de prijskaart wordt op 3 miljard dollar gezet. Hoe dan ook, de resulterende foto's zullen waarschijnlijk teleurstellend zijn voor niet-astronomen; of het directe lichtbeeld van deze twee exoplaneten een indicatie is. Voor veel detail heb je een verzamelgebied van vierkante kilometers nodig. Hoewel ik ooit heb gelezen dat met meerdere occulters en telescopen echte exoplanetaire beeldvorming zou kunnen worden bereikt, weet ik niet hoe dat zou werken; en ik kan de bron van deze bewering niet meer vinden.

European Southern Observatory infrared image of 2M1207 (bluish) and companion planet 2M1207b (reddish), taken in 2004. Infraroodfoto van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht van 2M1207 (blauwachtig) en begeleidende planeet 2M1207b (roodachtig), gemaakt in 2004.

De starshade helpt ons een planeet te zien zonder dat de telescoop wordt gehinderd door het licht van de ster van de planeet. Het helpt ons niet om details over die planeten te zien.
Het is geweldig als iemand een oude vraag nieuw leven inblaast met een nieuw, interessant antwoord! Kunt u zeggen "... iets waar we de werkelijke kenmerken aan de oppervlakte of in de atmosfeer kunnen zien." direct? Zouden deze projecten * het mogelijk maken om objecten op exoplaneten * in beeld te brengen, of zouden ze het gewoon gemakkelijker maken om ze te identificeren en licht te verzamelen voor spectroscopie?
Geen van deze projecten zal kenmerken op welke planeet dan ook kunnen onderscheiden. 1.) Technologisch gezien hebben we nog steeds orden van grootte te gaan. 2.) Die direct in beeld gebrachte planeten zijn gasreuzen die in een baan om de aarde draaien, die in ieder geval vlekken of banden kunnen hebben, maar geen oppervlakken.


Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 3.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...