Злева, выява Зямлі з камеры DSCOVR-EPIC. Справа, тое ж малюнак прыніжаецца да дазволу 3 х 3 пікселя, аналагічна таму, што ўбачаць даследчыкі ў будучых назіраннях за экзапланетай. (NOAA / NASA / STEPHEN KANE)

Спытайце ў Ітана: як будзе выглядаць наша першая прамая выява экзапланеты, падобнай на зямлю?

Вы былі б здзіўлены тым, што вы можаце даведацца нават з аднаго пікселя.

За апошняе дзесяцігоддзе, у значнай ступені дзякуючы місіі НАСА "Кеплер", нашы веды аб планетах вакол зорных сістэм за межамі нашай уласнай значна павялічыліся. Ад некалькіх светаў - у асноўным, масіўных, з хуткімі, унутранымі арбітамі і вакол зорак меншай масы - да літаральна тысяч, якія адрозніваюцца памерамі шырокага памеру, цяпер мы ведаем, што светы памеру Зямлі і крыху вялікія памеры надзвычай распаўсюджаныя. З наступным пакаленнем бліжэйшых абсерваторый як з космасу (напрыклад, з касмічнага тэлескопа Джэймса Уэбба), так і з месца (з такімі абсерваторыямі, як GMTand ELT), самыя блізкія такія светы змогуць непасрэдна выявіць. Як гэта будзе выглядаць? Вось што хоча ведаць прыхільнік Patreon Цім Грэм, пытаючы:

[Ш] які дазвол мы можам чакаць? [А] толькі некалькі пікселяў ці некаторыя функцыі бачныя?

Малюнак сам па сабе не будзе ўражлівы. Але чаму ён будзе вучыць нас, гэта ўсё, пра што можна разумна марыць.

Прадстаўленне мастака Proxima b на арбіце Proxima Centauri. З тэлескопамі 30-метровага ўзроўню, як GMT і ELT, мы зможам непасрэдна выявіць яго, а таксама любыя знешнія, яшчэ не выяўленыя светы. Тым не менш, гэта не будзе выглядаць нічога падобнага праз нашы тэлескопы. (ESO / M. KORNMESSER)

Давайце спачатку пазбягаем дрэнных навін. Самая блізкая для нас зорная сістэма - гэта сістэма Альфа Кентаўра, якая размяшчаецца крыху больш за 4 светлавыя гады. Складаецца з трох зорак:

  • Альфа Кентаўр А - зорка, падобная на Сонца (клас G),
  • Альфа Кентаўр B, які крыху круцейшы і менш масіўны (K-клас), але арбіты Альфа Цэнтаўра А на адлегласці газавых гігантаў нашай Сонечнай сістэмы, і
  • Проксіма Кентаўр, які значна круцей і менш масіўны (М-клас), і, як вядома, мае па меншай меры адну планету памеру Зямля.

Нягледзячы на ​​тое, што вакол гэтай трыназорнай сістэмы можа паўстаць яшчэ шмат планет, факт заключаецца ў тым, што планеты маленькія, а адлегласці да іх, асабліва за межамі нашай Сонечнай сістэмы, велізарныя.

На гэтым дыяграме паказана новая 5-люстраная аптычная сістэма надзвычай вялікага тэлескопа ESO (ELT). Перш чым дасягнуць навуковых прыбораў, святло спачатку адлюстроўваецца ад гіганцкага ўвагнутага 39-метровага першаснага люстэрка тэлескопа (М1), пасля чаго адскоквае ад дзвюх яшчэ 4-метровых люстэркаў, адно выпуклае (М2) і адно ўвагнутае (М3). Апошнія дзве люстэркі (M4 і M5) ўтвараюць убудаваную адаптыўную аптычную сістэму, якая дазваляе фармаваць надзвычай рэзкія выявы ў канчатковай фокуснай плоскасці. Гэты тэлескоп будзе мець больш магутнасці збору святла і лепшае кутняе дазвол, да 0,005

Самы вялікі тэлескоп, які будуецца з усіх часоў - ELT, будзе дыяметрам 39 метраў, гэта значыць, ён мае максімальнае кутняе дазвол 0,005 дуговых секунд, дзе 60 дугавых секунд складаюць 1 хвіліну дугі, а 60 хвілін дугі складаюць 1 градус. Калі вы пакладзеце планету памерам Зямлі на адлегласць Проксімы Центаўры, бліжэйшай зоркі за межамі нашага Сонца ў 4,24 светлавых гадоў, яна мела б вуглавы дыяметр 67 мікрадуговых секунд (мкАс), гэта азначае, што нават наш самы магутны будучы тэлескоп было б прыблізна каэфіцыент 74, каб цалкам вырашыць планету памеру Зямля.

Лепшае, на што можна было спадзявацца, - гэта адзін насычаны піксель, у якім святло пападала ў навакольныя суседнія пікселі на нашых самых перадавых камерах самага высокага дазволу. Візуальна гэта вялікае расчараванне для тых, хто спадзяецца атрымаць захапляльны выгляд, падобны на ілюстрацыі, якія НАСА раскрывае.

Канцэпцыя мастака аб экзапланеце Kepler-186f, якая можа праяўляць ўласцівасці, падобныя на Зямлю (альбо раннія, безжыццёвыя зямлі). Як іскрынкі ўяўлення, як ілюстрацыі, як гэта, яны простыя здагадкі, і якія ўваходзяць дадзеныя наогул не дадуць ніякіх поглядаў, падобных на гэта. (Інстытут НАСА AMES / SETI / JPL-CALTECH)

Але на гэтым заканчэнне заканчваецца. Выкарыстоўваючы тэхналогію каранаграфа, мы зможам выключыць святло ад матчынай зоркі, праглядаючы святло з планеты непасрэдна. Вядома, мы атрымаем толькі святло пікселя, але ўвогуле гэта не будзе адзін пастаянны ўстойлівы піксель. Замест гэтага мы зможам сачыць за гэтым святлом трыма рознымі спосабамі:

  1. Фатаметрычна ў розных колерах вучыць нас агульным аптычным уласцівасцям любой планеты.
  2. Спектраскапічна, а значыць, мы можам разбіць гэтае святло на яго асобныя даўжыні хваль і шукаць подпісы пэўных малекул і атамаў на яго паверхні і ў атмасферы.
  3. З цягам часу, гэта азначае, што мы можам вымераць, як змяняюцца абодва вышэйзгаданых, як планета адначасова круціцца на сваёй восі і сезонна круціцца вакол сваёй бацькоўскай зоркі.

Зыходзячы з усяго толькі аднаго пікселя, мы можам вызначыць цэлы шэраг уласцівасцей любога свету. Вось некаторыя асноўныя моманты.

Ілюстрацыя экзапланетарнай сістэмы, магчыма, вакол яе круціцца экзомон. (NASA / DAVID HARDY, VIA ASTROART.ORG)

Вымяраючы святло, якое адлюстроўвае планету на працягу яе арбіты, мы будзем адчувальныя да розных з'яў, некаторыя з якіх мы ўжо бачым на Зямлі. Калі ў свеце ёсць розніца альбеда (адбівальная здольнасць) ад аднаго паўшар'я да іншага і круціцца любым спосабам, акрамя таго, які прышпілены да сваёй зоркі ў рэзанансе 1 на 1, мы зможам убачыць перыядычны сігнал узнікаючы, як з часам мяняецца зорная бок.

Напрыклад, свет з кантынентамі і акіянамі падаваў бы сігнал, які ўзыходзіў і ўпаў у розныя даўжыні хваль, што адпавядае той частцы, якая знаходзілася пад прамым сонечным святлом, адлюстроўваючы гэтае святло назад, да нашых тэлескопаў у Сонечнай сістэме.

Дагэтуль сотні планет-кандыдатаў былі знойдзены ў дадзеных, сабраных і апублікаваных транзітным спадарожнікам экзапланетных даследаванняў NASA (TESS), прычым восем з іх былі пацверджаны да гэтага часу наступнымі вымярэннямі. Тут праілюстраваны тры самыя унікальныя, цікавыя экзапланеты, якія чакаюць яшчэ шмат. Некаторыя з бліжэйшых светаў, якія будуць выяўлены TESS, будуць кандыдатамі ў тое, што яны падобныя на Зямлю і знаходзяцца ў межах дасяжнасці прамога малюнка. (NASA / MIT / TESS)

Дзякуючы магчымасці прамой візуалізацыі мы маглі непасрэдна вымераць змены надвор'я на планеце за межамі нашай Сонечнай сістэмы.

Кампазітныя выявы

Жыццё можа быць больш цяжкім сігналам для дражніць, але калі б на ім была экзапланета, падобная на Зямлю, мы маглі б убачыць некаторыя вельмі канкрэтныя сезонні змены. На Зямлі той факт, што наша планета круціцца на сваёй восі, азначае, што ўзімку, калі наша паўшар'е звернута ад Сонца, ледавікі павялічваюцца, кантыненты становяцца больш адбівальнымі, а снег пашыраецца да ніжніх шырот, і свет становіцца менш зялёным у сваім агульным колеры.

І наадварот, летам наша паўшар'е звернута да Сонца. Ледавікі скарачаюцца, калі кантыненты становяцца зялёнымі: дамінуючы колер расліннай жыцця на нашай планеце. Падобныя сезонныя змены будуць уплываць на святло, якое паступае з любой выявы экзапланет, што дазваляе нам дражніць не толькі сезонныя змены, але і пэўныя працэнтныя змены ў размеркаванні колеру і святлоадбівальнасці.

На гэтым вобразе Тытана імгла і атмасфера метану адлюстроўваюцца ў амаль празрыстым сінім колеры, а пад аблокамі адлюстроўваюцца асаблівасці паверхні. Для пабудовы гэтага выгляду быў выкарыстаны ўльтрафіялетавы, аптычны і інфрачырвоны святло. Камбінуючы падобныя наборы дадзеных з цягам часу для экзапланет з непасрэднай выявай, нават пры дапамозе ўсяго аднаго пікселя, мы маглі б аднавіць велізарную колькасць атмасферных, павярхоўных і сезонных уласцівасцей. (НАСА / JPL / ІНСТЫТУТ НАВУКІ ПРАСОСА)

Таксама павінны з'явіцца агульныя планетарныя і арбітальныя характарыстыкі. Калі мы не назіралі планетарнага транзіту з нашага пункту гледжання - там, дзе разгляданая планета праходзіць паміж намі і зорачкай, яна арбіты - мы не можам даведацца арыентацыю яе арбіты. Гэта азначае, што мы не можам ведаць, якая маса планеты; мы можам ведаць толькі нейкае спалучэнне яго масы і кута нахілу арбіты.

Але калі мы можам вымераць, як святло ад яго змяняецца з часам, мы можам зрабіць выснову пра тое, як павінны выглядаць яго фазы і як яны змяняюцца з цягам часу. Мы можам выкарыстоўваць гэтую інфармацыю, каб зламаць гэтае выраджэнне і вызначыць яго масу і арбітальны нахіл, а таксама наяўнасць або адсутнасць якіх-небудзь вялікіх лун вакол гэтай планеты. З усяго аднаго пікселя тое, як яркасць мяняецца пасля таго, як колер, воблака, кручэнне і змены сезона павінны дазволіць нам даведацца пра ўсё гэта.

Фазы Венеры, калі глядзець з Зямлі, аналагічныя фазам экзапланет, калі яна круціцца на зорцы. Калі бок

Гэта будзе важна па велізарнай колькасці прычын. Так, вялікая відавочная надзея складаецца ў тым, што мы знойдзем атмасферу, багатую кіслародам, магчыма нават у спалучэнні з інертнай, але распаўсюджанай малекулай, падобнай на азотны газ, ствараючы сапраўды падобную на Зямлю атмасферу. Але мы можам выйсці за рамкі гэтага і пашукаць наяўнасць вады. Таксама можна шукаць іншыя подпісы патэнцыйнага жыцця, такія як метан і вуглякіслы газ. І яшчэ адно пацешнае авансаванне, якое сёння значна недаацэнена, прыйдзе непасрэдна ў здымкі светаў Зямлі. У якіх з гіганцкіх абалонак вадароду і гелія ёсць, а ў якіх няма? Наўпрост, мы, нарэшце, зможам зрабіць пераканаўчую лінію.

Класіфікацыйная схема планет як камяністая, падобная да Нептуна, падобная да Юпітэра альбо зорная. Мяжа паміж падобнымі на Зямлю і Нептунам каламутнымі, але прамыя здымкі светаў-кандыдатаў супер-Зямлі павінны дазволіць нам вызначыць, ці існуе газавая абалонка вакол кожнай планеты. (CHEN AND KIPPING, 2016, VIA ARXIV.ORG/PDF/1603.08614V2.PDF)

Калі б мы сапраўды хацелі выявіць асаблівасці планеты за межамі нашай Сонечнай сістэмы, нам спатрэбіцца тэлескоп у сотні разоў большы, чым самы буйны, які плануецца ў цяперашні час: дыяметр некалькіх кіламетраў. Да таго часу, пакуль не прыйдзе гэты дзень, мы можам з нецярпеннем чакаць, што мы даведаемся так шмат важных рэчаў пра бліжэйшыя светы, якія нагадваюць Зямлю ў нашай галактыцы. TESS там, знаходзячы гэтыя планеты зараз. Джэймс Уэбб завершаны, чакаючы даты яго запуску 2021 года. Працуюць тры тэлескопы 30-метровага класа, прычым першы (GMT) намечаны ў 2024 годзе, а самы вялікі (ELT), які ўбачыць першае святло ў 2025 годзе. Да гэтага часу мы пачнем дзесяцігоддзе. дадзеныя прамога малюнка (аптычныя і інфрачырвоныя) на дзясятках памераў Зямлі і крыху большых светах за межамі нашай Сонечнай сістэмы.

Адзін піксель можа здацца не вельмі падобным, але калі задумацца пра тое, колькі мы можам даведацца - пра сезоны, надвор'е, кантыненты, акіяны, ледзяныя шапкі і нават жыццё - дастаткова, каб аддыхаць.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".