Viimase paarikümne aasta jooksul on avastatud ja kinnitatud päikesepoolsete planeetide arv hüppeliselt kasvanud. Praegu on 2818 planeedisüsteemis kinnitatud 3778 eksoplaneedi olemasolu ja veel 2737 kandidaati ootavad kinnitust. Sellise uuritavate planeetide mahu korral on eksoplaneetide uurimise fookus hakanud nihkuma avastamisest iseloomustamise poole.
Näiteks on teadlased üha enam huvitatud eksoplaneetide atmosfääri iseloomustamisest, et nad saaksid kindlalt öelda, et neil on eluks sobivad koostisosad (s.o lämmastik, süsinikdioksiid jne). Kahjuks on see praeguste meetodite kasutamisel väga keeruline. Rahvusvahelise astronoomide meeskonna uue uuringu kohaselt on mängu vahetajaks siiski järgmise põlvkonna instrumendid, mis tuginevad otsesele pildistamisele.
Hiljuti ilmus veebis uuring “Peegeldunud valguses otsene pildistamine: vanemate, mõõdukate eksoplaneetide iseloomustus 30-m teleskoopidega”. Uuringut juhtisid vastavalt Michael Fitzgerald ja Ben Mazin - vastavalt California Los Angelese ülikooli (UCLA) astrofüüsika dotsent ja California ülikooli Santa Barbara (UCSB) eksperimentaalfüüsika Worsteri õppetool.
Nendega liitusid teadlased Montreali ülikooli eksoplaneetide uurimise instituudist (iREX), NASA reaktiivmootorite laboratooriumist, Carnegie observatooriumidest, Stewardi observatooriumist, Jaapani Riiklikust Astronoomilisest Vaatluskeskusest, Massachusettsi tehnoloogiainstituudist (MIT), Californias. Tehnikainstituut (Caltech) ja mitmed ülikoolid.
Nagu nad oma uuringus märgivad, on meie võimalused eksoplaneetide iseloomustamiseks praegu piiratud. Näiteks on meie praegused meetodid - kõige laialdasemalt kasutatavad transiidimeetod ja radiaalse kiiruse mõõtmised - viinud tuhandete lühiajaliste planeetide avastamiseni (planeedid, mis tiirlevad oma päikese lähedal orbiidil umbes 10 päeva). Nende meetodite tundlikkus hakkab aga oluliselt langema, seda kaugemale eksoplaneet päikesest jõuab.
Veelgi enam, pikaajalised planeedid on ka nende spektrite osas suuresti ligipääsmatud. Seda tüüpi analüüs hõlmab planeedi atmosfääri läbiva valguse mõõtmist tähe juurest läbi. Selle koostise määramiseks spektrite mõõtmise abil saavad teadlased iseloomustada eksoplaneedi atmosfääri ja teha kindlaks, kas planeet võiks tegelikult asustatav olla.
Selle probleemiga tegelemiseks soovitab meeskond, et otsene tuvastamine (teise nimega otsene pildistamine) on tõhusam meetod eksoplaneetide atmosfääri iseloomustamiseks. Nagu selgitas iREXi uurija ja uuringu kaasautor dr Étienne Artigau kosmoseajakirjale e-posti teel (tõlgitud prantsuse keelest)
„Peegeldunud valguses pole seni ühtegi avastatud planeeti leitud. Kui näeme oma päikesesüsteemi planeete, näeme neid seetõttu, et neid valgustab Päike. Samamoodi peegeldavad valgust teiste tähtede planeedid ja seda valgust peab olema võimalik tuvastada piisavalt võimsa teleskoobiga. Planeedi ja nende tähe vahelise voolavuse suhe on tohutu, suurusjärgus 1 miljard, võrreldes planeetidega, mida tuvastavad nende soojusemissioon, või on see suhe pigem suurusjärgus miljon. "
Praegu on otsene pildistamine ainus vahend mitte-läbitavate eksoplaneetide, eriti nende päikesest keskmisel ja suurel kaugusel asuvate planeetide spektrite saamiseks. Sel juhul saadavad astronoomid eksoplaneedi atmosfäärist peegeldunud valguse spektrid, et määrata selle koostis. Siiani on otse pilti tehtud ainult käputäis eksoplaneete, mis kõik olid isevalguslikud super-Jupiterid, kes tiirlesid nende hostitähtede kohal sadade või tuhandete AÜ kaugusel.
Need planeedid olid väga noored ja temperatuurid olid üle 500 ° C (932 ° F), mis teeb neist üsna haruldase planeediklassi. Selle tulemusel pole astronoomidel teavet eksoplaneedi atmosfääri mitmekesisuse kohta, eriti kui tegemist on väiksemate kiviste planeetidega, mille temperatuurid sarnanevad Maa temperatuurile - kus pinnatemperatuur on keskmiselt umbes 15 ° C (58,7 ° F).
See on tingitud asjaolust, et olemasolevatel teleskoopidel lihtsalt puudub tundlikkus väiksemate planeetide kuvamiseks, mis tiirlevad tähtedele lähemal. Nagu nad oma uuringus kindlaks määrasid, vajaks nende tähedest 5 AU kaugusel asuvate planeetide atmosfääri iseloomustamine (kus radiaalse kiiruse uuringud on paljusid planeete paljastanud), vajaks 30-meetrise avaga teleskoopi, mis oleks ühendatud täiustatud adaptiivse optikaga, koronagraafi ja spektromeetrite ja pildistajate komplekt.
"Ühesõnaga, ükski praegune teleskoop ei suuda neid planeete tuvastada, isegi meile lähimate tähtede ümber, kuid on põhjust arvata, et järgmise põlvkonna teleskoobid, mille läbimõõt on vähemalt 30 m, suudavad seda teha," ütles Artiqua. "Pole kindel, kas keegi suudab esialgu Maa-suguseid planeete tuvastada, kuid vähemalt üks peaks suutma tuvastada Uraani ja Neptuuniga võrreldavad planeedid, mis oleks juba ülihea tulemus."
Selliste järgmise põlvkonna rajatiste ja adaptiivsete optikainstrumentide hulka kuulub planeedisüsteemide pildistaja (PSI) kolmekümnemeetrise teleskoobiga (TMT), mis on kavandatud ehitamiseks Mauna Keale, Hawaii. Ja seal on hiiglasliku Magellani teleskoobi (GMT) seade GMagAO-X, mida ehitatakse praegu Las Campanase observatooriumis ja mis peaks valmima 2025. aastal.
Nagu Artigau osutas, võimaldavad nende järgmise põlvkonna instrumentidega tehtud uuringud astronoomidel tuvastada ja iseloomustada laiemat planeetide ringi ning võimaldada otsida võimalikke elumärke (teise nimega biosignatuurid), nagu kunagi varem:
„See võimaldab meil otse Maa peal pisut suurematest planeetidelt tulevat valgust uurida (ja võib-olla nagu Maa, kui oleme optimistlikud). See on üks meie parimaid võimalusi otsida eluallkirju neis keskkondades. Isegi kui me elumärki ei leia, võimaldab see mõista terveid planeediklasse, mida me kaudselt näeme (transiit, radiaalne kiirus), kuid millest me ei tea midagi ... Otsese pildistamise olulisus on see, et see võimaldab otseselt proovida nende planeetide atmosfääri ja isegi pinda. Kõrglahutusega spektrograafi lisamine annab ka ettekujutuse tuultest ja globaalsest tuule ringlusest, samuti uurib erinevate molekulide olemasolu. ”
Muidugi on ikkagi piiranguid sellele, mida teadlased saavad otsese pildistamise meetodi abil õppida, isegi nende käsutuses olevate järgmise põlvkonna instrumentide ja teleskoopide abil. Kuid eksoplaneetide uurimise võimalused ja tagajärjed on tohutud. Alustuseks võiksid astronoomid saada parema ettekujutuse väiksemate kiviste planeetide demograafiast, mis tiirlevad nende tähtede vastavates elamispiirkondades.
"Potentsiaalselt elamiskõlblike planeetide tuvastamine on siin kindlasti kõige põnevam juhtum, kuid on oluline meeles pidada, et see jääb isegi 30-meetrise teleskoobi korral üsna keerukaks," ütles Artigua. "Statistilise prognoosi tegemisel peaks olema vaid mõni (tõenäoliselt vähem kui 10) maapealne planeet, millele pääseb ligi ja mille temperatuur on meiega võrreldav."
Selles planeetide vahemikus suudavad Artigau ja tema kolleegid ette kujutada mitmeid huvitavaid stsenaariume. Näiteks võivad mõned neist olla Veenuse-sarnased, kus tihe atmosfäär ja suhteliselt lähedane orbiit põhjustavad põgenevat kasvuhooneefekti. Teised võivad olla nagu Marss, kus päikesetuul või puhangud on planeetide atmosfääri ära viinud. Lisaks võivad paikneda maapealsed planeedid, mida me ei suuda isegi ette kujutada.
"Lühidalt, asustatavatel planeetidel võiks väga hästi olla kujutlusvõimet kui meil," tegi dr Artiqau järelduse. "See eksoplaneetide mitmekesisus tähendab ka seda, et peame olema ettevaatlikud, kui ennustame, et see on elamiskõlblik."
"Lõpptulemus on see, et saame 30-meetriste teleskoopide abil teha maapinnast eksoplaneetide uurimisel hämmastavaid asju, kuid selleks, et valmistuda nende instrumentide ehitamiseks 30-meetriste teleskoopide jaoks, on vaja suuri investeeringuid tehnoloogiasse," lisas Mazin.
Uuring sai võimalikuks tänu Kanada Riikliku Teadusnõukogu (NRC) ja Giant Magellan Telescope Organization (GMTO) korporatsiooni pakutavale lisaabile.
