Lijevo, slika Zemlje s DSCOVR-EPIC kamere. U pravu, ista slika degradirana je u razlučivosti 3 x 3 piksela, slično onome što će istraživači vidjeti u budućim opažanjima egzoplaneta (NOAA / NASA / STEPHEN KANE)

Pitajte Ethana: Kako će izgledati naša prva izravna slika zemaljske egzoplanete?

Bili biste zadivljeni onim što možete naučiti iz čak jednog jedinog piksela.

Tijekom proteklog desetljeća, zahvaljujući NASA-inoj misiji Kepler, naše se znanje o planetima oko zvjezdanih sustava izvan našeg vlastitog povećalo. Od samo nekoliko svjetova - uglavnom masivnih, s brzim, unutarnjim orbitama i oko zvijezda niže mase - do doslovno tisuća široko različitih veličina, sada znamo da su Zemlji veličine i malo veći svjetovi izuzetno česti. S narednom generacijom dolazećih opservatorija iz svemira (poput James Webb svemirskog teleskopa) i sa terena (s opservatorija poput GMT i ELT), najbliži će se svjetovi moći izravno slikati. Kako će to izgledati? To želi navijač Patreona Tim Graham pitati:

[W] kakvu rezoluciju možemo očekivati? [A] Vidljivo je samo nekoliko piksela ili neke značajke?

Sama slika neće biti impresivna. Ali ono što će nas naučiti je sve ono što smo razumno mogli sanjati.

Umjetnički prikaz Proxime iz orbite Proxime Centauri. S teleskopima klase 30 metara poput GMT i ELT moći ćemo ga izravno slikati kao i sve vanjske, još uvijek neotkrivene svjetove. Međutim, neće izgledati ništa slično kroz naše teleskope. (ESO / M. KORNMESSER)

Neka nam najprije izmakne loše vijesti. Najbliži zvijezdani sustav nama je sustav Alpha Centauri, koji se nalazi tek nešto više od 4 svjetlosne godine. Sastoji se od tri zvjezdice:

  • Alpha Centauri A, zvijezda sunčana (klasa G),
  • Alpha Centauri B, koji je malo hladniji i manje masivan (K-klasa), ali kruži oko Alpha Centauri A na udaljenosti od plinskih divova u našem Sunčevom sustavu, i
  • Proxima Centauri, koji je mnogo hladniji i manje masivan (M klasa), a poznato je da ima barem jedan planet veličine Zemlje.

Iako bi moglo biti mnogo više planeta oko ovog trostrukog zvjezdanog sustava, činjenica je da su planeti mali i udaljenosti do njih, posebno izvan našeg Sunčevog sustava, ogromne su.

Ovaj dijagram prikazuje novi optički sustav s 5 ogledala ESO-ovog izuzetno velikog teleskopa (ELT). Prije nego što posegne za znanstvenim instrumentima, svjetlost se najprije reflektira iz divovskog konkavno 39-metarskog segmentiranog primarnog ogledala teleskopa (M1), a zatim odbija dva dodatna ogledala klase 4 metra, jedno konveksno (M2) i jedno konkavno (M3). Posljednja dva ogledala (M4 i M5) tvore ugrađeni prilagodljivi optički sustav koji omogućava formiranje ekstremno oštrih slika u krajnjoj žarišnoj ravnini. Ovaj će teleskop imati više snage prikupljanja svjetla i bolju kutnu razlučivost, sve do 0,005

Najveći teleskop koji je izgrađen od svih, ELT, bit će promjera 39 metara, što znači da ima maksimalnu kutnu rezoluciju od 0,005 lučnih sekundi, pri čemu 60 lučnih sekundi čini 1 lučna minuta, a 60 lučnih minuta 1 stupanj. Ako planetu veličine Zemlje stavite na udaljenost Proxime Centauri, najbliže zvijezde izvan našeg Sunca, u 4,24 svjetlosne godine, ona bi imala kutni promjer od 67 mikro-lučnih sekundi (μas), što znači da je čak i naš najmoćniji nadolazeći teleskop bio bi otprilike faktor od 74 premali da bismo u potpunosti riješili planet veličine Zemlje.

Najbolje čemu bismo se mogli nadati bio je jedan zasićeni piksel gdje je svjetlost puhala u okolne susjedne piksele na našim najnaprednijim kamerama najviše razlučivosti. Vizualno, veliko je razočaranje za sve koji se nadaju dobiti spektakularni pogled poput ilustracija koje je NASA izbacila.

Umjetnikova koncepcija egzoplanete Kepler-186f, koja može pokazati svojstva poput Zemlje (ili rana, bez životnih svojstava). Kao što ilustracija poput ove ilustracije bježi, oni su samo nagađanja, a dolazni podaci uopće neće pružiti slične poglede. (NASA AMES / SETI INSTITUTE / JPL-CALTECH)

Ali tu završava pad. Pomoću tehnologije koronagrafa moći ćemo blokirati svjetlost iz matične zvijezde, izravno gledajući svjetlost s planeta. Sigurno ćemo dobiti samo svjetlost piksela, ali to uopće neće biti jedan, stalan piksel. Umjesto toga, morat ćemo pratiti tu svjetlost na tri različita načina:

  1. U raznim bojama, fotometrijski, poučavajući nas koja su sveukupna optička svojstva bilo kojeg zamišljenog planeta.
  2. Spektroskopski, što znači da to svjetlo možemo razbiti u njegove pojedinačne valne duljine i potražiti potpise određenih molekula i atoma na njegovoj površini i u atmosferi.
  3. Vremenom, što znači da možemo izmjeriti kako se oboje gore navedeno mijenja kako se planet oba okreće na svojoj osi i sezonski se okreće oko matične zvijezde.

Na osnovu svjetlosti vrijednog samo jednog piksela, možemo odrediti čitav niz svojstava o bilo kojem svijetu u pitanju. Evo nekoliko najvažnijih.

Ilustracija egzoplanetarnog sustava, potencijalno s egzomoonom oko njega. (NASA / DAVID HARDY, VIA ASTROART.ORG)

Mjereći svjetlost koja se odbija od planeta tokom njegove orbite, bit ćemo osjetljivi na razne pojave, od kojih neke već vidimo na Zemlji. Ako svijet ima razliku u albedu (reflektivnost) od jedne hemisfere do druge, i rotira se na bilo koji drugi način osim onog koji je čvrsto pričvršćen za svoju zvijezdu u rezonanciji 1 na 1, moći ćemo vidjeti periodični signal nastajući kako se strana okrenuta zvijezdi mijenja s vremenom.

Na primjer, svijet s kontinentima i oceanima prikazao bi signal koji se uzdizao i padao u raznim valnim duljinama, što odgovara dijelu koji je bio pod izravnom sunčevom svjetlošću koja odbija tu svjetlost do naših teleskopa ovdje u Sunčevom sustavu.

Do sada je otkriveno stotine planeta kandidata u podacima prikupljenim i objavljenim NASA-inim tranzitnim satelitom za istraživanje egzoplaneta (TESS), a osam ih je do sada potvrđeno daljnjim mjerenjima. Ovdje su ilustrirane tri najunikatnije, najzanimljivije egzoplanete, a čeka ih još mnogo. Neki od najbližih svjetova koje će TESS otkriti bit će kandidati za naliku na Zemlju i unutar dosega izravnih slika. (NASA / MIT / TESS)

S obzirom na snagu izravnog snimanja, mogli smo izravno mjeriti promjene vremena na planeti izvan našeg Sunčevog sustava.

Kompozitne slike Plavog mramora 2001–2002. Godine, stvorene s NASA-inim podacima Spectroradiometer (MODIS) umjerenih razlučivosti. Dok se egzoplanet rotira i njegove vremenske promjene, možemo izmamiti ili rekonstruirati varijacije u omjerima planetarnog kontinenta / oceana / ledenog kaputa, kao i signal oblačnog pokrivanja. (NASA)

Život je možda teži signal za izazivanje, ali da je na njemu egzoplanet, sličan Zemlji, vidjeli bismo neke vrlo specifične sezonske promjene. Na Zemlji, činjenica da se naš planet okreće na svojoj osi znači da zimi, gdje je naša hemisfera okrenuta od Sunca, ledeni se zglobovi povećavaju, kontinenti postaju reflektivniji, a snijeg se širi do nižih širina, a svijet postaje manje zeleni u svojoj ukupnoj boji.

Suprotno tome, ljeti se naša hemisfera okrene prema Suncu. Ledenice se smanjuju dok kontinenti postaju zeleni: dominantna boja biljnog života na našem planetu. Slične sezonske promjene utjecat će na svjetlost koja dolazi s bilo koje egzoplanete koju zamišljamo, omogućujući nam da izazivamo ne samo sezonske varijacije, već i specifične promjene u distribuciji boje i reflektivnosti.

Na ovoj slici Titana, metana i atmosfera prikazani su u gotovo prozirnoj plavoj boji, s površinskim crtama ispod oblaka. Za sastavljanje ovog prikaza korišten je kompozit ultraljubičastog, optičkog i infracrvenog svjetla. Kombinacijom sličnih skupova podataka s vremenom za izravno snimljenu egzoplanet, čak i sa samo jednim pikselom, mogli bismo rekonstruirati ogroman niz njegovih atmosferskih, površinskih i sezonskih svojstava. (NASA / JPL / INSTITUT ZA PROSTORNU ZNANOST)

Trebale bi se pojaviti i ukupne planetarne i orbitalne karakteristike. Ako nismo opazili planetarni tranzit s našeg stajališta - gdje dotični planet prolazi između nas i zvijezde u orbiti - ne možemo znati orijentaciju njegove orbite. To znači da ne možemo znati koja je masa planeta; možemo znati samo neku kombinaciju njegove mase i kuta nagiba njegove orbite.

Ali ako možemo izmjeriti kako se svjetlost iz njega mijenja s vremenom, možemo zaključiti kako moraju izgledati njegove faze i kako se one mijenjaju s vremenom. Te informacije možemo upotrijebiti za razbijanje te degeneracije i za određivanje njezine mase i nagiba orbite, kao i prisutnost ili odsutnost velikih luna oko planete. Iz samo jednog piksela način na koji se svjetlina jednom promijeni u boji, oblaku, rotaciji i sezonskim promjenama trebao bi nam omogućiti da sve ovo naučimo.

Faze Venere, gledano sa Zemlje, analogne su fazama egzoplaneta dok orbitira oko njegove zvijezde. Ako strana 'noći' pokazuje određena temperaturna / infracrvena svojstva, upravo ona na koja će James Webb biti osjetljiv, možemo utvrditi imaju li atmosferu, kao i spektroskopski određivanje kakvog je atmosferskog sadržaja. To ostaje točno i bez njihovog mjerenja izravno tranzitom. (WIKIMEDIA ZAJEDNO KORISNICI NICHALP I SAGREDO)

To će biti važno iz ogromnog broja razloga. Da, velika, očita nada je da ćemo pronaći atmosferu bogatu kisikom, možda čak povezanu s inertnom, ali uobičajenom molekulom poput plina dušika, stvarajući uistinu atmosferu nalik Zemlji. Ali možemo ići dalje od toga i tražiti prisutnost vode. Može se potražiti i druge potpise potencijalnog života, poput metana i ugljičnog dioksida. I još jedan zabavan napredak koji je danas podcijenjen danas će se stvoriti u izravnom oslikavanju super-zemaljskih svjetova. Koje imaju divovske omotnice vodika i helija, a koje ne? Izravno, na kraju ćemo moći izvući konačnu crtu.

Shema klasifikacije planeta kao stjenovitih, na Neptuna, Jupitera ili zvjezdanih. Granica između nalik na Zemlju i Neptuna je mutna, ali izravnim snimanjem svjetskih super-zemaljskih svjetova bi nam trebalo omogućiti da utvrdimo postoji li plinski omotač oko svake dotične planete ili ne. (CHEN AND KIPPING, 2016, VIA ARXIV.ORG/PDF/1603.08614V2.PDF)

Ako smo doista željeli uslikati značajke planeta izvan našeg Sunčevog sustava, potreban bi nam teleskop stotine puta veći od najvećeg koji se trenutno planira: promjera više kilometara. Dok ne dođe taj dan, možemo se veseliti učenju toliko važnih stvari o najbližim svjetovima sličnim Zemlji u našoj galaksiji. TESS je vani, pronalazeći upravo one planete. James Webb je gotov, čeka svoj datum lansiranja 2021. godine. U tijeku su tri teleskopa 30 metara, a prvi (GMT) bi trebao biti dostupan 2024., a najveći (ELT) koji će prvo svjetlo ugledati 2025. Do ovog desetljeća, mi ćemo imati podatke izravne slike (optičke i infracrvene) na desetine zemaljskih i malo većih svjetova, izvan našeg Sunčevog sustava.

Jedan piksel možda ne izgleda previše, ali kada razmišljate o tome koliko možemo naučiti - o sezonama, vremenu, kontinentima, oceanima, ledenim kapama, pa čak i životu - dovoljno je da vam oduzme dah.

Pošaljite svoja pitanja pitajte Ethan na startwithabang na gmail dot com!

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.