Pytanie:
Kiedy będziemy mieli technologię do bezpośredniej obserwacji egzoplanety ze znaczną jasnością?
Fezter
2013-07-18 09:18:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Czy są obecnie w toku jakieś projekty mające na celu opracowanie teleskopu, który będzie miał możliwość bezpośredniej obserwacji egzoplanety z jakąkolwiek jasnością?

Nie mam na myśli rozmytych (ale imponujących) obrazów, takich jak ten:

enter image description here

Ale może coś, możemy zobaczyć rzeczywiste cechy powierzchni lub atmosfery.

Rozumiem, że może to nie być możliwe w przypadku konwencjonalnych teleskopów, ale zastanawiałem się, jakie technologie będą potrzebne, aby zobaczyć cechy powierzchni lub atmosfery na egzoplanecie, między 5-50 lat świetlnych od Ziemi.

Gdyby żadne obecne projekty nie były w toku, kiedy byłyby realne ramy czasowe, aby zobaczyć taki teleskop?

Brak odpowiedzi, ale i tak pomyślałem, że ją opublikuję. James Webb ma zostać wystrzelony w 2018 roku, ale nie zobaczy wiele na drodze planet. http://jwst.nasa.gov/faq.html#planets, ale przeanalizuje niektóre atmosfery i wodę odległych planet (przewiń w dół do punktu 4) http://news.nationalgeographic.com/news/2014/02/140204- nasa-james-webb-space-telescope-top-science /, a rok 2018 nie jest zbyt odległy, jeśli wszystko się uda.
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, [niniejszy artykuł] (http://online.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/ast.2009.0371) obejmuje długoterminowe perspektywy bezpośrednich obserwacji egzoplanet
@collapsar Ten artykuł zasługuje na podsumowanie jako odpowiedź!
Artykuł: [Detecting the Glint of Starlight on the Oceans of Distant Planet] (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103508000407) wyjaśnia, w jaki sposób możemy je szczegółowo scharakteryzować, obserwując ich światło krzywe, ponieważ przedstawiają nam różne fazy
Trzy odpowiedzi:
#1
+24
SF.
2013-07-18 12:19:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Obawiam się, że byłoby to niezwykle trudne - po prostu liczba fotonów odbitych od powierzchni planety i docierających do Ziemi (i obiektywu teleskopu, nawet jeśli jest duża) w ramach czasowych dla solidnego zdjęcia jest zbyt mała, aby stworzyć jakikolwiek znaczący obraz.

Planety nie są stacjonarne; krążą wokół swoich gwiazd, a to oznacza, że ​​zdjęcie z długim czasem naświetlania pokaże je jako ślady. Oczywiście teleskop mógłby być przystosowany do śledzenia ruchu orbity i ostatecznie moglibyśmy uzyskać obraz dysku planety. Niestety, obracają się one również wokół własnej osi, co oznacza, że ​​nie otrzymujemy ich powierzchniowych zdjęć, a jedynie rozmyte linie wokół dysku. Teraz, gdybyśmy byli wystarczająco sprytni, moglibyśmy robić krótkotrwałe zdjęcia wiele razy w tej samej „godzinie” „dnia” planety i łącząc je, możemy uzyskać to, czego chcemy - pod warunkiem, że w jakiś sposób ustalimy, jak długo w danym dniu planety. " jest. Ale to tylko dla planet bez lub z rzadką atmosferą. Jeśli na planecie jest pogoda - to koniec, nie da się tego w ogóle powtórzyć.

A więc mamy już dwie techniki robienia porządnych zdjęć egzoplanet. Pierwsza - wyślij tam sondę, niech zrobi zdjęcia i zwróć - zajęłaby tysiące lat. Drugi - skonstruowanie teleskopu z obiektywem na tyle ogromnym, aby uchwycić wystarczającą liczbę fotonów odbitych od danej planety w czasie, który nie zamazuje powierzchni nie do poznania - kosztowałby setki bilionów dolarów. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (największy na świecie teleskop kosmiczny) kosztuje prawie 20 miliardów dolarów i nie będzie w stanie „rozróżniać” egzoplanet.

EDYCJA: W rzeczywistości można to zrobić w ramach nieco bardziej rozsądnego budżetu. Potrzebowałbyś bardzo precyzyjnego (niekoniecznie olbrzymiego rozmiaru obiektywu = jasności) teleskopu, z czujnikiem zdolnym do zarejestrowania pojedynczych fotonów, a nie ich sumy w czasie - „nagraj film” zamiast po prostu zrobić zdjęcie. Teleskop nadal musiałby podążać za orbitą planety, ale rejestrując obserwacje przez długi czas i korzystając z funkcji autokorelacji pomiarów mógłby określić okres rotacji (długość dnia) danej planety - specyficzne cechy terenu pojawiałyby się w określonych miejscach w regularnych odstępach czasu. przerwy (w odstępie jednego dnia) tworzące cykliczną funkcję w ogólnym hałasie. Znając „długość dnia” i dokładny czas każdego fotonu, możesz z czasem przemapować wszystkie pomierzone punkty na ich właściwe położenie obracającej się sfery iw ten sposób odtworzyć obraz całej powierzchni - podobnie jak nowoczesny aparat fotograficzny wykorzystuje swój ruch ścieżka zarejestrowana przez akcelerometry w celu odtworzenia statycznego obrazu ze zdjęcia o długiej ekspozycji, wykonanego drżącą ręką.

Oczywiście nadal wymaga to teleskopów lepszych niż cokolwiek, co mamy, ale jest to w zasięgu naszej współczesnej technologii i nie wymaga nadmiernego budżetu.

Możesz również użyć jakiegoś obliczenia, które może uzupełnić brakujące elementy na podstawie uzyskanych informacji ...
#2
+20
mins
2015-07-24 23:28:50 UTC
view on stackexchange narkive permalink

enter image description here

Obecnie nie jest możliwe uzyskanie szczegółów planety z odległości takiej jak rok świetlny lub więcej. Ponadto projekty wymienione poniżej nie mają na celu uzyskania dobrych zdjęć powierzchni, a jedynie wykrycie egzoplanet i wykonanie podstawowych pomiarów. Powodem jest to, że uzyskanie szczegółowych zdjęć powierzchni wykracza poza obecne możliwości technologiczne i badania.

Teleskop kosmiczny Hubble ma lepsze parametry niż jakikolwiek jego odpowiednik na ziemi, ze względu na na brak perturbacji atmosferycznych. Z tego pozbawionego powietrza środowiska skorzystałby również interferometr w kosmosie. Doprowadziło to do kilku koncepcji:

enter image description here
Źródło: Agence Science-Presse.

  • Darwin odwołana w 2007 roku
  • Space Interferometry Mission ( SIM), odwołana w 2010 roku.
  • Terrestrial Planet Finder ( TPF), anulowany w 2011 roku.
  • Labeyrie's Hypertelescope, nie jest finansowany.

Artykuł Darwina w Wikipedii podsumowuje trudności technologiczne :

Aby wytworzyć obraz, teleskopy musiałyby działać w formacji z odległościami między teleskopami kontrolowanymi z dokładnością do kilku mikrometrów, a odległością między teleskopami a odbiornikiem kontrolowanymi z dokładnością do jednego nanometr. Potrzebnych byłoby kilka bardziej szczegółowych badań, aby określić, czy technologia zapewniająca taką precyzję jest rzeczywiście możliwa.

Obiekty o niewielkich rozmiarach pozornych lepiej obserwuje się za pomocą interferometrii astronomicznej, ale obecna technologia umożliwia uzyskaj tylko zgrubny obraz kilku dużych i bardzo jasnych obiektów.

Planeta podobna do Ziemi w odległości jednego roku świetlnego ma pozorny rozmiar podobny do ε Aurigae, ale słabość egzoplanet obecnie uniemożliwia dostrzeżenie szczegółów na ich powierzchni: Zwiększenie ekspozycji pozwala przezwyciężyć słabe warunki oświetleniowe, ale rozmywa zdjęcie z powodu pozornego ruchu.

Alternatywa wysyłania sond i robienia zdjęć również nie jest obecnie możliwa. Voyager 1 i 2, wystrzelone w 1977 r., znajdują się na granicy naszego Układu Słonecznego, 10 000 tys. odległość do przebycia do najbliższej egzoplanety.


enter image description here

Większość z tysięcy egzoplanet już odkrytych została wykryta metodami pośrednimi, jak spadek jasności gwiazdy centralnej podczas tranzytu orbitującej planety. Pytanie dotyczy wyjątkowego przypadku, bezpośredniej obserwacji masywnej planety w widmie IR.

Istnieją dwa elementy determinujące obserwację obiektu:

  • Pozorny rozmiar obiektu lub rozmiar kątowy .
  • Pozorna jasność obiektu

Pozorny rozmiar

Na tym obrazie trzy obiekty mają ten sam rozmiar kątowy , i będzie wyglądać podobnie:

enter image description here

Zgodnie z tym wzorem:

  θ = 2 • arctan (½ • d / D )  

kątowy rozmiar planety o średnicy d Ziemi, w odległości D 1 l, to 0,3 milisekundy (mas)

Aby zobaczyć tę planetę jako jeden piksel, najgorszy możliwy poziom szczegółowości, teleskop musi mieć rozdzielczość 0,3 mas.

Rozdzielczość kątowa przy użyciu jednego teleskopu

Zgodnie z ograniczeniem Rayleigha, rozmiar kątowy θ teleskopu ze zwierciadłem o średnicy d może rozróżnić przy długości fali λ to:

  θ ° = 70 * (λ / d)  

Aby uzyskać rozdzielczość 0,3 mas w środku zakresu widzialnego, zwierciadło teleskopu musi mieć średnicę 500 m.

Wynik byłby taki:

  • enter image description here
    Źródło. Bladoniebieska kropka na tym zdjęciu to w rzeczywistości Ziemia widziana z sondy Voyager 1, „zaledwie” 5 godzin świetlnych od nas, z obrazem powiązanym z lustrem o średnicy 18 cm. Ale wynik byłby taki sam w przypadku teleskopu 500 m umieszczonego w odległości 1 l.

Gdyby teleskop miał średnicę 2 km, liczba pikseli planety nadal tylko 4x4. Oznacza to, że naukowcom daleko jest do zbudowania teleskopu, który pokazywałby szczegóły planety z odległości kilku lat świetlnych. Również ta odległość jednego roku świetlnego jest wyłącznie do dyskusji, ponieważ najbliższa gwiazda jest już odległa o 4,2 l

Rozdzielczość kątowa przy zastosowaniu apertury syntezy i interferometrii

Jeśli dwa instrumenty o średnicy 1 m zostaną odsunięte o 10 m, a ich obrazy zostaną połączone tak, aby mogły zakłócać, uzyskana moc rozdzielczości będzie równa rozdzielczości instrumentu 10 m. Odległość między instrumentami nazywana jest linią bazową . Jeśli chodzi o moc rozdzielczości, system zachowuje się jak pojedynczy instrument o rozmiarze linii podstawowej.

Pierwszy interferometr był używany do celów astronomicznych w 1920 roku.

Interferencje są tworzone przez różnicę faz między obrazami, a precyzja wymagana dla wartości bazowej jest ułamkiem długości fali. Długie linie podstawowe są łatwiejsze do zbudowania dla radioteleskopów niż dla teleskopów optycznych. Interferometria optyczna nie była faktycznie skuteczna od niedawna.

Porównaj rozmiar VLA (radioteleskop) i VLTI (teleskop optyczny):

enter image description here enter image description here

Na jednym z nich najlepszą rozdzielczość w astronomii optycznej uzyskuje się za pomocą interferometru MIRC w układzie CHARA w Obserwatorium Mount Wilson.

Zobacz zdjęcie ε Aurigae w sekcji krótkich odpowiedzi i więcej na temat interferometrii astronomicznej.

Interferometria w przestrzeni

Teleskop kosmiczny Hubble ma lepsze osiągi niż jakikolwiek jego odpowiednik na ziemi ze względu na brak perturbacji atmosferycznych. Z tego pozbawionego powietrza środowiska skorzystałby również interferometr w kosmosie. ESA badała projekt Darwin z perspektywy poszukiwań egzoplanet:

enter image description here
Źródło: Agence Science-Presse.

Ale projekt został zatrzymany w 2007 roku. Z Wikipedii.

Aby uzyskać obraz, teleskopy musiałyby pracować w formacji z odległościami między teleskopami kontrolowane z dokładnością do kilku mikrometrów, a odległość między teleskopami a odbiornikiem kontrolowana z dokładnością do około jednego nanometra. Potrzebnych byłoby kilka bardziej szczegółowych badań, aby określić, czy technologia o takiej precyzji jest faktycznie wykonalna.

Podobne projekty:

  • Terrestrial Planet Finder ( TPF), odwołana w 2011 r.
  • Space Interferometry Mission ( SIM), odwołana w 2010 r.
  • hiperteleskop Labeyrie, nie są finansowane.

Pozorna jasność

Planeta nie wytwarza światła, odbija jedynie światło słoneczne, w pewnym stopniu.

Ilość światła odbijanego przez planetę jest proporcjonalna do jasności jej słońca, albedo (współczynnika odbicia) i promienia.

enter image description here enter image description here
Źródło

Jak widać na powyższych zdjęciach, nachylenie orbity i faza również określają ilość odbitego światła.

W rzeczywistości jasność egzoplaneta ma zaledwie tysięczne części swojego słońca i jest znacznie poniżej poziomu czułości najlepszych czujników. Tylko bardzo długie czasy ekspozycji mogą wykryć słabą wiązkę światła po akumulacji, ale szczegóły są rozmyte z powodu względnego ruchu planety.

Tylko najjaśniejsze gwiazdy wysyłają wystarczająco dużo fotonów, aby niektóre szczegóły były widoczne. Nie można zobaczyć szczegółów egzoplanety o tym samym rozmiarze kątowym.

Chociaż moc rozdzielczości poprawia się dzięki technikom interferometrii, to ulepszenie nie dotyczy ilości zebranych fotonów. Rzeczywista apertura poszczególnych teleskopów jest jedyną, która określa ilość zebranego światła.

Trudność w bezpośrednim obrazowaniu egzoplanet obejmuje również wysoki kontrast między gwiazdą a planetą. Aby poprawić wykrywanie, niektóre teleskopy używają koronografu, który ukrywa gwiazdę przed obrazem.

Teleskop nie musi być jednak dyskiem o średnicy 500 m. Przynajmniej zgodnie z moim (wprawdzie ograniczonym) rozumieniem optyki, mogłyby to być dwa (lub więcej) lustra oddzielone dużą odległością za pomocą łączenia wiązek & c. Więc może dwa odpowiedniki Hubble'a umieszczone w punktach L4 i L5 Ziemia / Słońce?
@jamesqf Tak, taka jest zasada [VLT] (https://en.wikipedia.org/wiki/Very_Large_Telescope) lub dowolnego innego interferometru. Ale musisz połączyć promienie świetlne odbierane przez wszystkie pojedyncze lustra, nie można tego zrobić na duże odległości i prawdopodobnie nie w kosmosie, ze względu na wymaganą ogromną dokładność. Również interferometry mają duży problem z jasnością, ponieważ ilość zebranych fotonów zależy od * rzeczywistej * powierzchni zwierciadeł.
Waham się, czy powiedzieć, że wszystko, co wiąże się z dokładnością, jest niemożliwe. Jeśli chodzi o zebranie wystarczającej ilości fotonów, myślę, że powyższy obraz dowodzi, że jest to w zasięgu obecnej technologii.
Aby umieścić na nim twarde liczby, rozdzielając [Gilese 674b] (https://en.wikipedia.org/wiki/Gliese_674) (odległość 15 lat i średnica 1,1x Jowisza) jako 10 pikseli średnicy (wystarczająco, aby dostrzec Pasma atmosferyczne podobne do Jowisza) wymagają lustra o średnicy około 11 000 metrów.
@jamesqf: Przyszłe odkrycia mogą pozwolić na długą bazową interferometrię w widmie widzialnym, uzgodniono. Zdjęcie Ziemi zostało wykonane przez sondę Voyager 1 z odległości 40 jednostek astronomicznych, ale najbliższa egzoplaneta znajduje się w odległości 300 000 jednostek astronomicznych.
@Mark nie musi to być jednak jedno solidne lustro. Coś takiego jak ALMA jako konstelacja satelitów może to zrobić. Za 20-30 lat pojawi się technologia łączenia sygnałów. Jeszcze nie teraz.
@mins dziękuję za poświęcenie czasu na złożenie tego wszystkiego w całość. Po raz kolejny, kolejny doskonały dzień uciekł, czytając gadżety w SX SE!
@uhoh: Naprawdę mi przykro ... Doceniam, że poświęciłeś czas na zamieszczenie miłego komentarza! Niemniej jednak, jest pewna nadzieja z edycją pod koniec [odpowiedzi SF] (http://space.stackexchange.com/a/361/7017): Akumulacja fotonów w czasie.
@mins Tak naprawdę chciałem po prostu komplementować w sposób pośredni. Nawiązywałem do bardzo popularnego programu radiowego „Car Talk” - zawsze kończył się zwrotem „zmarnowałeś kolejną * doskonale dobrą godzinę * słuchając Car Talk”. Twoja odpowiedź jest świetna i naprawdę doceniam jej przeczytanie i przemyślenie całej sprawy. Dzięki!
@uhoh: Nie znałem odniesienia do Car Talk, ale doszedłem do wniosku, że może to być tylko humor, i odpowiedziałem również na drugim stopniu! Dzięki jeszcze raz!
#3
  0
Herman
2018-06-20 16:38:12 UTC
view on stackexchange narkive permalink

W 2020 roku.

Starshade (inaczej New Worlds Mission) to teleskop kosmiczny z dużym okulatorem, który może odlecieć i zablokować światło gwiazdy, dzięki czemu jego teleskop może zobrazować otaczające egzoplanety:

Okulter ma taki kształt, że fale świetlne krwawiące wokół krawędzi znoszą się wzajemnie.

Artist depiction

W kolejce do Gwiezdnego Cienia jest kilka misji w poszukiwaniu egzoplanety. Najpierw misja Keplera przyjrzała się jednej części nieba, aby sprawdzić, czy egzo-planety są powszechne (są). Po drugie, TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) przeskanuje całe nocne niebo, aby stworzyć katalog wszystkich pobliskich egzo-planet; aby wybrać najciekawsze. Po trzecie, Teleskop Jamesa Webba zrobi lepsze zdjęcia gwiazd macierzystych interesujących nas egzo-planet; dzięki czemu możemy zobaczyć skład ich atmosfer poprzez interferometrię światła. I dopiero wtedy rozpoczną misję New Worlds, aby wyobrazić sobie egzo-planety.

Exoplanet missions

Projekt jest w fazie rozwoju od 2005 roku, a według niektórych szacunków jego data rozpoczęcia to 2020 rok.

ilość szczegółów, które spodziewamy się zobaczyć, zależy od używanego teleskopu. Za 750 milionów dolarów dostajesz tylko okulter, używany w połączeniu z teleskopem Jamesa Webba. Przekazanie misji własnego teleskopu powinno poprawić zdjęcia, ale kosztuje wycenę na 3 miliardy dolarów. Tak czy inaczej, otrzymane zdjęcia prawdopodobnie rozczarują nie-astronomów; czy bezpośredni obraz tych dwóch egzo-planet jest jakąkolwiek wskazówką. Aby uzyskać znaczące szczegóły, potrzebujesz obszaru zbioru kilometrów kwadratowych. Chociaż kiedyś czytałem, że z wieloma okultystami i teleskopami można było uzyskać prawdziwe obrazowanie egzoplanet, jednak jak to by działało, jest poza mną; i nie mogę już znaleźć źródła tego twierdzenia.

European Southern Observatory infrared image of 2M1207 (bluish) and companion planet 2M1207b (reddish), taken in 2004. Zdjęcie 2M1207 (niebieskawe) i towarzyszącej planety 2M1207b (czerwonawej) wykonane w 2004 roku przez Europejskie Obserwatorium Południowe w podczerwieni.

Cień pomaga nam zobaczyć planetę bez przeszkadzania teleskopu przez światło gwiazdy planety. Nie pomaga nam zobaczyć szczegółów na temat tych planet.
To wspaniale, gdy ktoś ożywia stare pytanie nową, interesującą odpowiedzią! Czy możesz odnieść się do „... czegoś, na czym możemy zobaczyć rzeczywiste cechy powierzchni lub atmosfery”? bezpośrednio? Czy te projekty * pozwoliłyby na zobrazowanie obiektów na egzoplanetach *, czy po prostu łatwiej byłoby je zidentyfikować i zebrać światło do spektroskopii?
Żaden z tych projektów nie będzie w stanie wyróżnić cech na żadnej planecie. 1.) Z technologicznego punktu widzenia wciąż mamy do przebycia rzędy wielkości 2.) Te bezpośrednio zobrazowane planety są odległymi orbitującymi gazowymi olbrzymami, które mogą mieć plamy lub pasma, ale nie mogą mieć powierzchni.


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...