Frage:
Wann werden wir die Technologie haben, um einen Exoplaneten direkt mit signifikanter Klarheit zu beobachten?
Fezter
2013-07-18 09:18:46 UTC
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Gibt es derzeit Projekte zur Entwicklung eines Teleskops, mit dem ein Exoplanet direkt und klar beobachtet werden kann?

Ich meine nicht verschwommene (und dennoch beeindruckende) Bilder wie dieses:

enter image description here

Aber vielleicht etwas wo Wir können tatsächliche Merkmale auf der Oberfläche oder in der Atmosphäre sehen.

Ich verstehe, dass dies mit herkömmlichen Teleskopen möglicherweise nicht möglich ist, aber ich habe mich gefragt, welche Technologien erforderlich sind, um Oberflächen- oder atmosphärische Merkmale auf einem Exoplaneten zu erkennen 5-50 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Wenn keine aktuellen Projekte im Gange sind, wann wäre ein realisierbarer Zeitrahmen, um ein solches Teleskop zu sehen?

Keine Antwort, aber ich dachte, ich würde es trotzdem posten. James Webb soll 2018 gestartet werden, aber es wird nicht viel auf dem Weg der Planeten sehen. http://jwst.nasa.gov/faq.html#planets, aber es werden einige entfernte Planetenatmosphären und Wasser analysiert (scrollen Sie nach unten zu Punkt 4). http://news.nationalgeographic.com/news/2014/02/140204- nasa-james-webb-space-telescope-top-science / und 2018 ist nicht allzu weit weg, wenn alles klappt.
Diese Frage hat bereits ausgezeichnete Antworten, aber ich möchte einen kurzen Kommentar hinzufügen, um die Dinge ins rechte Licht zu rücken: Wenn Sie das Hubble-Teleskop auf den Mond richten würden (der ca. 1 Lichtsekunde entfernt ist), würde ein Apollo-Landeplatz aussehen [this] (http://www.lpi.usra.edu/images/sapo/sapo_S24.gif). Stellen Sie sich nun vor, was nötig wäre, um etwas von der Oberfläche eines Planeten zu "sehen", das mehrere Lichtjahre * Jahre * entfernt ist ...
fwiw, [dieses Papier] (http://online.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/ast.2009.0371) behandelt die langfristigen Aussichten direkter Beobachtungen von Exoplaneten
@collapsar Dieses Papier verdient es, als Antwort zusammengefasst zu werden!
Das Papier: [Den Glanz des Sternenlichts auf den Ozeanen entfernter Planeten erkennen] (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103508000407) erklärt, wie wir sie möglicherweise detailliert charakterisieren können, indem wir ihr Licht beobachten Kurven, wie sie uns verschiedene Phasen präsentieren
Drei antworten:
#1
+24
SF.
2013-07-18 12:19:27 UTC
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Ich fürchte, es wäre äußerst schwierig - einfach die Anzahl der Photonen, die von einer Planetenoberfläche reflektiert werden und die Erde (und die Teleskoplinse, wie groß sie auch sein mag) innerhalb des Zeitrahmens für ein festes Foto erreichen, ist zu klein, um ein aussagekräftiges Bild zu erstellen.

Planeten sind nicht stationär; Sie umkreisen ihre Sterne, und das bedeutet, dass ein Langzeitbelichtungsfoto sie als Spuren zeigt. Natürlich könnte das Teleskop so konstruiert werden, dass es der Orbitalbewegung folgt, und wir könnten schließlich tatsächlich das Bild der Planetenscheibe erreichen. Leider drehen sie sich auch um ihre Achse, und das bedeutet, dass wir keine Oberflächenfotos erhalten, sondern nur unscharfe Linien um die Disc. Wenn wir jetzt klug genug wären, könnten wir mehrmals in derselben "Stunde" des "Tages" des Planeten Fotos mit kurzer Zeit aufnehmen und sie kombinieren, um das zu bekommen, was wir wollen - vorausgesetzt, wir erkennen irgendwie, wie lange der "Tag" des Planeten dauert "ist. Aber das ist nur für Planeten ohne oder mit dünner Atmosphäre. Wenn der Planet Wetter hat - das ist das Ende, ist es überhaupt nicht wiederholbar.

Also, da haben wir bereits zwei Techniken, um anständige Fotos von den Exoplaneten zu machen. Die erste - senden Sie eine Sonde dorthin, lassen Sie sie Fotos machen und zurückkehren - würde Tausende von Jahren dauern. Das andere - ein Teleskop mit einer Linse zu konstruieren, die groß genug ist, um innerhalb eines Zeitrahmens, der die Oberfläche nicht bis zur Unkenntlichkeit verwischt, genügend Photonen einzufangen, die von einem bestimmten Planeten reflektiert werden - würde Hunderte von Billionen Dollar kosten. Das James Webb-Weltraumteleskop (das größte Weltraumteleskop der Welt) kostet fast 20 Milliarden Dollar und kann Exoplaneten nicht "auflösen".

BEARBEITEN: Dies könnte tatsächlich mit einem etwas vernünftigeren Budget geschehen. Sie benötigen ein hochpräzises Teleskop (nicht unbedingt enorme Objektivgröße = Helligkeit) mit einem Sensor, der in der Lage ist, separate Photonen zu registrieren, nicht deren Summe über die Zeit - "einen Film aufnehmen", anstatt nur ein Standbild aufzunehmen. Das Teleskop müsste immer noch der Umlaufbahn des Planeten folgen, aber wenn es die Beobachtungen über einen langen Zeitraum registriert und die Autokorrelationsfunktion der Messungen verwendet, könnte es die Rotationsperiode (Tageslänge) eines bestimmten Planeten bestimmen - spezifische Merkmale des Geländes würden regelmäßig an bestimmten Stellen wieder auftauchen Intervalle (im Abstand von einem Tag), die eine zyklische Funktion im allgemeinen Rauschen erzeugen. Wenn Sie die "Tageslänge" und die genaue Zeit jedes Photons kennen, können Sie alle Ihre gemessenen Punkte im Laufe der Zeit auf die richtigen Positionen der rotierenden Kugel abbilden und auf diese Weise das Bild der gesamten Oberfläche wiederherstellen - ähnlich wie eine moderne Fotokamera ihre Bewegung nutzt Pfad, der von Beschleunigungsmessern aufgezeichnet wurde, um ein statisches Bild aus einem Foto mit Langzeitbelichtung zu erstellen, das mit einer zitternden Hand aufgenommen wurde.

Natürlich erfordert dies immer noch Teleskope, die besser sind als alles, was wir haben, aber es ist in Reichweite unserer modernen Technologie und nicht mit übermäßigem Budget.

Sie können auch eine Art Berechnung verwenden, die die fehlenden Teile basierend auf den erhaltenen Informationen ausfüllt ...
#2
+20
mins
2015-07-24 23:28:50 UTC
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Es ist derzeit nicht möglich, die Details eines Planeten aus einer Entfernung wie einem Lichtjahr oder länger abzurufen. Darüber hinaus zielen die unten genannten Projekte nicht darauf ab, gute Bilder der Oberfläche zu erhalten, sondern nur darauf, Exoplaneten zu erkennen und grundlegende Messungen durchzuführen. Der Grund dafür ist, dass das Erhalten von detaillierten Bildern der Oberfläche über die derzeitige technologische Leistungsfähigkeit und Forschung hinausgeht.

Hubble, das Weltraumteleskop, hat aufgrund dessen eine bessere Leistung als jedes Äquivalent am Boden auf das Fehlen von atmosphärischen Störungen. Ein Interferometer im Weltraum würde ebenfalls von dieser luftfreien Umgebung profitieren. Dies führte zu mehreren Konzepten:

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Quelle: Agence Science-Presse.

  • Darwin 2007 abgesagt
  • Space Interferometry Mission ( SIM), 2010 abgesagt
  • Terrestrial Planet Finder ( TPF), im Jahr 2011 abgesagt.
  • Labeyries Hypertelescope, nicht finanziert.

Darwin-Artikel auf Wikipedia fasst die technologischen Schwierigkeiten zusammen :

Um ein Bild zu erzeugen, hätten die Teleskope in Formation mit Abständen zwischen den Teleskopen, die auf wenige Mikrometer genau gesteuert werden, und dem Abstand zwischen den Teleskopen und dem Empfänger, der auf etwa eins Mikrometer eingestellt ist, arbeiten müssen Nanometer. Es wären mehrere detailliertere Studien erforderlich gewesen, um festzustellen, ob eine Technologie mit einer solchen Präzision tatsächlich realisierbar ist.

Objekte mit einer kleinen scheinbaren Größe lassen sich mithilfe der astronomischen Interferometrie besser beobachten, die derzeitige Technologie ermöglicht dies jedoch Sie erhalten nur ein grobes Bild einiger großer und ultraheller Objekte.

  • Beispiel für ein aufgelöstes Objekt: ε Aurigae, ein Überriesenstern mit einer seltsamen umlaufenden dunklen Scheibe. Instrument: MIRC Interferometer auf dem CHARA Array ( Mount Wilson):
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    (Quelle: NSF)

Der erdähnliche Planet in einer Entfernung von einem Lichtjahr hat eine scheinbare Größe ähnlich der von ε Aurigae, aber die Schwäche der Exoplaneten verhindert derzeit, dass Details auf ihrer Oberfläche sichtbar werden: Durch Erhöhen der Belichtung können die schlechten Lichtverhältnisse überwunden, die jedoch verwischt werden Bild aufgrund der scheinbaren Bewegung.

Die Alternative zum Senden von Sonden und Fotografieren ist derzeit ebenfalls nicht möglich. Die 1977 gestarteten Voyager 1 und 2 befinden sich direkt an der Grenze unseres eigenen Sonnensystems, 10.000 Die Entfernung zum nächsten Exoplaneten.


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Die meisten der bereits entdeckten Tausenden von Exoplaneten wurden mit indirekten Methoden entdeckt. wie der Helligkeitsabfall des Zentralsterns während des Transits des umlaufenden Planeten. Die Frage bezieht sich auf einen Ausnahmefall, eine direkte Beobachtung eines massiven Planeten im IR-Spektrum.

Bei der Beobachtung eines Objekts gibt es zwei bestimmende Elemente:

  • Die scheinbare Größe des Objekts oder die Winkelgröße .
  • Die scheinbare Helligkeit des Objekts

Scheinbare Größe

In diesem Bild haben die drei Objekte dieselbe Winkelgröße und wird ähnlich gesehen:

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Nach dieser Formel:

  θ = 2 · Arctan (½ · d / D. )  

Die Winkelgröße eines Planeten mit dem Durchmesser d der Erde in einem Abstand D von 1 ly beträgt 0,3 Millisekunden (mas)

Um diesen Planeten als ein Pixel mit der schlechtesten Detailstufe zu sehen, muss das Teleskop 0,3 mas auflösen.

Winkelauflösung mit einem einzigen Teleskop

Gemäß Rayleighs Grenze beträgt die Winkelgröße θ, die ein Teleskop mit einem Spiegel mit einem Durchmesser von d bei einer Wellenlänge von λ auflösen kann:

  θ ° = 70 * (λ / d)  

Um 0,3 mas in der Mitte des sichtbaren Spektrums aufzulösen, muss der Teleskopspiegel einen Durchmesser von 500 m haben.

Das Ergebnis wäre wie folgt:

  • enter image description here
    Quelle. Der hellblaue Punkt auf diesem Bild ist tatsächlich die Erde, gesehen von Voyager 1, "nur" 5 Lichtstunden entfernt, mit einem Imager, der einem Spiegel mit 18 cm Durchmesser zugeordnet ist. Das Ergebnis wäre jedoch dasselbe mit einem 500-m-Teleskop, das sich in einer Entfernung von 1 ly befindet.

Wenn das Teleskop einen Durchmesser von 2 km hätte, wäre die Anzahl der Pixel für den Planeten immer noch sei nur 4x4. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler weit davon entfernt sind, ein Teleskop zu bauen, um die Details eines Planeten in wenigen Lichtjahren zu zeigen. Auch diese Entfernung von einem Lichtjahr dient nur zur Diskussion, da der nächstgelegene Stern bereits eine Entfernung von 4,2 ly

Winkelauflösung unter Verwendung von Syntheseapertur und Interferometrie

Wenn zwei Instrumente mit einem Durchmesser von 1 m um 10 m entfernt werden und ihre Bilder so kombiniert werden, dass sie stören können, ist das resultierende Auflösungsvermögen das eines Instruments mit 10 m. Der Abstand zwischen den Instrumenten wird als Grundlinie bezeichnet. In Bezug auf das Auflösungsvermögen verhält sich das System wie ein einzelnes Instrument von der Größe der Grundlinie.

Das erste Interferometer wurde 1920 für astronomische Zwecke verwendet.

Interferenzen werden durch Phasendifferenz zwischen den Bildern erzeugt, und die für den Grundlinienwert erforderliche Genauigkeit beträgt einen Bruchteil einer Wellenlänge. Lange Basislinien sind für Radioteleskope einfacher zu bauen als für optische Teleskope. Die optische Interferometrie war seit kurzem nicht mehr effektiv.

Vergleichen Sie die Größe von VLA (Radioteleskop) und VLTI (optisches Teleskop):

enter image description here enter image description here

Zum einen wird die beste Auflösung in der optischen Astronomie mit dem MIRC -Interferometer auf dem CHARA -Array bei erzielt Mount Wilson Observatory.

Siehe Bild von ε Aurigae im Abschnitt kurze Antwort und mehr zur astronomischen Interferometrie.

Interferometrie im Raum

Hubble, das Weltraumteleskop, hat aufgrund des Fehlens atmosphärischer Störungen eine bessere Leistung als jedes andere am Boden. Ein Interferometer im Weltraum würde ebenfalls von dieser luftfreien Umgebung profitieren. Die ESA untersuchte das Projekt Darwin im Hinblick auf die Suche nach Exoplaneten:

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Quelle: Agence Science-Presse.

Das Projekt wurde jedoch 2007 eingestellt. Von Wikipedia.

Um ein Bild zu erzeugen, hätten die Teleskope in Formation mit Abständen zwischen den Teleskopen arbeiten müssen auf wenige Mikrometer genau gesteuert und der Abstand zwischen Teleskop und Empfänger auf etwa einen Nanometer genau eingestellt. Es wären mehrere detailliertere Studien erforderlich gewesen, um festzustellen, ob eine Technologie mit einer solchen Präzision tatsächlich realisierbar ist.

Ähnliche Projekte:

  • Terrestrial Planet Finder ( TPF), 2011 abgesagt.
  • Space Interferometry Mission ( SIM), 2010 abgesagt.
  • Labeyries Hyperteleskop, nicht finanziert.

Scheinbare Helligkeit

Ein Planet erzeugt kein Licht, er reflektiert nur das Licht seiner Sonne. bis zu einem gewissen Grad.

Die vom Planeten reflektierte Lichtmenge ist proportional zur Leuchtkraft seiner Sonne, ihrer Albedo (Reflektivität) und seines Radius.

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Quelle

Wie auf den obigen Bildern zu sehen, bestimmen die Bahnneigung und die Phase auch die reflektierte Lichtmenge.

Tatsächlich die Helligkeit von Ein Exoplanet ist nur Tausendstel seiner Sonne entfernt und liegt weit unter der Empfindlichkeit der besten Sensoren. Nur sehr lange Belichtungszeiten können den schwachen Lichtstrahl nach der Akkumulation erkennen, aber die Details sind aufgrund der Relativbewegung des Planeten unscharf.

Nur die hellsten Sterne senden genügend Photonen, um einige Details sichtbar zu machen. Details eines Exoplaneten mit derselben Winkelgröße sind nicht zu sehen.

Während das Auflösungsvermögen durch Interferometrietechniken verbessert wird, gilt diese Verbesserung nicht für die Menge der gesammelten Photonen. Die tatsächliche Apertur der einzelnen Teleskope ist die einzige, die die gesammelte Lichtmenge bestimmt.

Die Schwierigkeit bei der direkten Abbildung von Exoplaneten umfasst auch den hohen Kontrast zwischen dem Stern und dem Planeten. Um die Erkennung zu verbessern, verwenden einige Teleskope einen -Koronagraph, der den Stern vor dem Imager verbirgt.

Das Teleskop muss jedoch keine Scheibe mit 500 m Durchmesser sein. Zumindest nach meinem (zugegebenermaßen begrenzten) Verständnis der Optik könnten es zwei (oder mehr) Spiegel sein, die durch Strahlkombination & c durch einen großen Abstand voneinander getrennt sind. Also vielleicht zwei Hubble-Äquivalente an den Punkten Erde / Sonne L4 und L5?
@jamesqf Ja, dies ist das Prinzip des [VLT] (https://en.wikipedia.org/wiki/Very_Large_Telescope) oder eines anderen Interferometers. Sie müssen jedoch die von allen einzelnen Spiegeln empfangenen Lichtstrahlen zusammenführen. Dies ist aufgrund der erforderlichen hohen Genauigkeit nicht auf großen Entfernungen und wahrscheinlich auch nicht im Weltraum möglich. Auch Interferometer haben ein großes Problem mit der Leuchtkraft, da die Menge der gesammelten Photonen von der * tatsächlichen * Fläche der Spiegel abhängt.
Ich zögere zu sagen, dass alles, was Genauigkeit betrifft, unmöglich ist. Was das Sammeln von genügend Photonen betrifft, denke ich, dass das obige Bild beweist, dass es in Reichweite der aktuellen Technologie liegt.
Um einige harte Zahlen darauf zu setzen, lösen Sie [Gilese 674b] (https://en.wikipedia.org/wiki/Gliese_674) (15 Ly entfernt mit einem Durchmesser von 1,1x Jupiter) mit einem Durchmesser von 10 Pixel auf (ungefähr genug, um zu erkennen Jupiter-ähnliche atmosphärische Bänder) erfordern einen Spiegel mit einem Durchmesser von etwa 11.000 Metern.
@jamesqf: Zukünftige Entdeckungen könnten eine lange Interferometrie der Grundlinie im sichtbaren Spektrum ermöglichen, vereinbart. Das Bild der Erde wurde von Voyager 1 in einer Entfernung von 40 AE aufgenommen, aber der nächste Exoplanet befindet sich bei 300.000 AE.
@Mark es muss aber nicht ein fester Spiegel sein. So etwas wie ALMA als Konstellation von Satelliten kann es tun. In 20-30 Jahren wird die Technologie der Kombination der Signale hier sein. Noch nicht.
@mins, vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, all dies zusammenzustellen. Wieder einmal wurde ein perfekter Tag mit dem Lesen von Goodies in SX SE beendet!
@uhoh: Das tut mir wirklich leid ... Ich weiß, dass Sie sich die Zeit genommen haben, den freundlichen Kommentar zu schreiben! Dennoch gibt es einige Hoffnungen bei der Bearbeitung am Ende von [SFs Antwort] (http://space.stackexchange.com/a/361/7017): Photonenakkumulation im Laufe der Zeit.
@mins Ich wollte Ihnen wirklich nur auf indirekte Weise ein Kompliment machen. Ich bezog mich auf das sehr beliebte Radioprogramm "Car Talk" - es endete immer mit dem Satz "Sie haben eine weitere * vollkommen gute Stunde * damit verschwendet, Car Talk zu hören". Ihre Antwort ist großartig und ich schätze es sehr, sie zu lesen und über das Ganze nachzudenken. Vielen Dank!
@uhoh: Ich kannte den Hinweis auf Car Talk nicht, war aber zu dem Schluss gekommen, dass es nur Humor sein kann, und antwortete auch im zweiten Grad! Danke noch einmal!
#3
  0
Herman
2018-06-20 16:38:12 UTC
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Im Jahr 2020.

Der Starshade (auch bekannt als New Worlds Mission) ist ein Weltraumteleskop mit einem großen Okkulter, das abfliegen und das Licht eines Sterns blockieren kann, damit sein Teleskop die umgebenden Exoplaneten abbilden kann:

Der Sternschatten hilft uns, einen Planeten zu sehen, ohne dass das Teleskop durch das Licht des Sterns des Planeten behindert wird. Es hilft uns nicht, Details auf diesen Planeten zu sehen.
Es ist großartig, wenn jemand eine alte Frage mit einer neuen, interessanten Antwort wiederbelebt! Können Sie "... etwas ansprechen, bei dem wir tatsächliche Merkmale an der Oberfläche oder in der Atmosphäre sehen können?" direkt? Würden diese Projekte * die Abbildung von Merkmalen auf Exoplaneten * ermöglichen oder würden sie es einfach einfacher machen, sie zu identifizieren und Licht für die Spektroskopie zu sammeln?
Keines dieser Projekte wird in der Lage sein, Merkmale auf irgendeinem Planeten zu unterscheiden. 1.) Technologisch haben wir noch Größenordnungen vor uns. 2.) Diese direkt abgebildeten Planeten sind weit entfernte umlaufende Gasriesen, die, wenn überhaupt, Flecken oder Bänder haben könnten, aber keine Oberflächen.


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