In de afgelopen decennia is het aantal buiten-zonnepanelen dat is gedetecteerd en bevestigd exponentieel gegroeid. Momenteel is het bestaan van 3.778 exoplaneten bevestigd in 2.818 planetaire systemen, met nog eens 2.737 kandidaten in afwachting van bevestiging. Met dit volume aan planeten dat beschikbaar is voor onderzoek, is de focus van exoplaneetonderzoek begonnen te verschuiven van detectie naar karakterisering.
Wetenschappers zijn bijvoorbeeld steeds meer geïnteresseerd in het karakteriseren van de atmosfeer van exoplaneten, zodat ze met vertrouwen kunnen zeggen dat ze de juiste ingrediënten voor het leven hebben (d.w.z. stikstof, koolstofdioxide, enz.). Helaas is dit met de huidige methoden erg moeilijk. Volgens een nieuwe studie van een internationaal team van astronomen zullen instrumenten van de volgende generatie die op directe beeldvorming vertrouwen echter een doorbraak zijn.
De studie, "Direct Imaging in Reflected Light: Characterization of Older, Temperate Exoplanets With 30-m Telescopes", verscheen onlangs online. De studie werd geleid door Michael Fitzgerald en Ben Mazin - universitair hoofddocent astrofysica aan de University of California Los Angeles (UCLA) en respectievelijk de Worster Chair in Experimental Physics aan de University of California Santa Barbara (UCSB).
Ze werden vergezeld door onderzoekers van het Institute of Research on Exoplanets (iREX) van de Universiteit van Montreal, het Jet Propulsion Laboratory van NASA, de Carnegie Observatories, de Steward Observatory, de National Astronomical Observatory of Japan, het Massachusetts Institute of Technology (MIT), het Californië Institute of Technology (Caltech) en meerdere universiteiten.
Zoals ze in hun onderzoek aangeven, is ons vermogen om exoplaneten te karakteriseren momenteel beperkt. Onze huidige methoden - de meest gebruikte zijn de Transit Method- en Radial Velocity-metingen - hebben ertoe geleid dat duizenden planeten met een korte periode zijn ontdekt (planeten die in de buurt van hun zonnen draaien met een periode van ongeveer 10 dagen). De gevoeligheid van deze methoden begint echter aanzienlijk te dalen naarmate de exoplaneet verder van de zon verwijderd is.
Bovendien zijn planeten met een lange periode ook grotendeels ontoegankelijk wat hun spectra betreft. Bij dit type analyse wordt het licht gemeten dat door de atmosfeer van een planeet gaat terwijl het van zijn ster binnenkomt. Door zijn spectra te meten om de samenstelling ervan te bepalen, kunnen wetenschappers de atmosfeer van de exoplaneet karakteriseren en bepalen of een planeet inderdaad bewoonbaar zou kunnen zijn.
Om dit aan te pakken, stelt het team voor dat directe detectie (ook bekend als directe beeldvorming) een effectievere methode zal zijn om de atmosfeer van exoplaneten te karakteriseren. Zoals Dr. Étienne Artigau, onderzoeker iREX en co-auteur van de studie, via e-mail aan Space Magazine uitlegde (vertaald uit het Frans)
“Er is voorlopig nog geen planeet gevonden in“ gereflecteerd licht ”. Wanneer we de planeten van ons zonnestelsel zien, kunnen we ze zien omdat ze worden verlicht door de zon. Op dezelfde manier reflecteren de planeten van de andere sterren licht en moet dit licht kunnen worden waargenomen met een voldoende krachtige telescoop. De fluxverhouding tussen de planeten en hun ster is enorm, in de orde van grootte van 1 miljard, vergeleken met de planeten die worden gedetecteerd door hun thermische emissie, of deze verhouding is eerder in de orde van grootte van 1 miljoen. ”
Op dit moment is directe beeldvorming het enige middel om spectra te verkrijgen van niet-transiterende exoplaneten, vooral die welke zich op tussenliggende en grote afstanden van hun zonnen bevinden. In dit geval verkrijgen astronomen spectra van licht dat wordt weerkaatst door de atmosfeer van de exoplaneet om de samenstelling ervan te bepalen. Tot nu toe zijn slechts een handvol exoplaneten rechtstreeks in beeld gebracht, allemaal zelf-lichtgevende super-Jupiters die hun gaststerren op een afstand van honderden of duizenden AU cirkelden.
Deze planeten waren erg jong en hadden temperaturen van meer dan 500 ° C (932 ° F), waardoor ze een vrij zeldzame klasse van planeten zijn. Dientengevolge hebben astronomen geen informatie over de diversiteit van de exoplaneetatmosferen, vooral als het gaat om kleinere, rotsachtige planeten met temperaturen die meer lijken op die van de aarde - waar oppervlaktetemperaturen gemiddeld rond de 15 ° C (58,7 ° F) zijn.
Dit komt door het feit dat bestaande telescopen simpelweg niet de gevoeligheid hebben om kleinere planeten die dichter bij de sterren cirkelen direct in beeld te brengen. Zoals ze in hun studie hebben vastgesteld, zou voor het karakteriseren van de atmosferen van planeten die zich binnen 5 AU van hun sterren bevinden (waar radiale snelheidsonderzoeken veel planeten hebben onthuld) een telescoop nodig zijn met een diafragma van 30 meter in combinatie met geavanceerde adaptieve optica, een coronagraaf en suite van spectrometers en imagers.
"Kortom, geen enkele huidige telescoop kan deze planeten detecteren, zelfs niet rond de sterren die het dichtst bij ons staan, maar er is alle reden om aan te nemen dat de volgende generatie telescopen met een diameter van 30 m en meer dit zal kunnen doen," zei Artiqua. "Het is niet zeker dat men in eerste instantie planeten zoals de aarde zal kunnen detecteren, maar tenminste zou men planeten moeten kunnen detecteren die vergelijkbaar zijn met Uranus en Neptunus, wat al een fantastisch resultaat zou zijn."
Dergelijke faciliteiten van de volgende generatie en adaptieve optische instrumenten omvatten de Planetary Systems Imager (PSI) op de Thirty Meter Telescope (TMT), die wordt voorgesteld voor constructie op Mauna Kea, Hawaii. En er is het GMagAO-X-instrument op de Giant Magellan-telescoop (GMT), dat momenteel in aanbouw is bij het Las Campanas-observatorium en gepland is voor voltooiing in 2025.
Zoals Artigau aangaf, zullen onderzoeken die met deze instrumenten van de volgende generatie worden uitgevoerd, astronomen in staat stellen om een breder scala aan planeten te detecteren en te karakteriseren, evenals om te zoeken naar mogelijke tekenen van leven (ook bekend als biosignaturen), zoals nooit tevoren:
“Hierdoor kunnen we het licht van planeten die net iets groter zijn dan de aarde rechtstreeks bestuderen (en misschien net als de aarde als we optimistisch zijn). Dit is een van onze beste kansen om te zoeken naar handtekeningen in deze atmosfeer. Zelfs als we geen levenssignatuur vinden, zal het het mogelijk maken om hele klassen van de planeet te begrijpen die we indirect zien (transits, radiale snelheid) maar waarvan we niets weten ... Het belang van directe beeldvorming is dat het het mogelijk maakt om direct te onderzoeken de atmosfeer en zelfs het oppervlak van deze planeten. De toevoeging van een spectrograaf met hoge resolutie geeft ook een idee van winden en wereldwijde windcirculatie, en onderzoekt de aanwezigheid van verschillende moleculen. ”
Natuurlijk zullen er nog steeds grenzen zijn aan wat wetenschappers kunnen leren met behulp van de directe beeldvormingsmethode, zelfs met deze instrumenten en telescopen van de volgende generatie tot hun beschikking. Maar de mogelijkheden en de implicaties voor exoplaneetonderzoek zijn ronduit immens groot. Om te beginnen zouden astronomen een beter idee kunnen krijgen van de demografie van kleinere, rotsachtige planeten die in een baan rond de respectieve bewoonbare zones van hun sterren cirkelen.
"De detectie van‘ potentieel bewoonbare ’planeten is hier zeker het meest opwindende geval, maar het is belangrijk om in gedachten te houden dat het zelfs met de 30 meter telescoop behoorlijk moeilijk zal blijven, 'zei Artigua. "Wanneer we een statistische voorspelling doen, zouden er maar een paar (waarschijnlijk minder dan 10) terrestrische planeten moeten zijn die toegankelijk zullen zijn en een temperatuur zullen hebben die vergelijkbaar is met de onze."
Binnen deze reeks planeten kunnen Artigau en zijn collega's zich een aantal interessante scenario's voorstellen. Sommige kunnen bijvoorbeeld Venusachtig zijn, waar een dichte atmosfeer en een relatief nauwe baan resulteren in een weggelopen broeikaseffect. Anderen kunnen zijn zoals Mars, waar zonnewind of uitbarstingen de atmosfeer van de planeten hebben weggenomen. Buiten dat kunnen er aardse planeten zijn die we ons niet eens kunnen voorstellen.
"Kortom, de bewoonbare planeten zouden heel goed meer fantasie kunnen hebben dan wij", concludeerde Dr. Artiqau. "Deze diversiteit aan exoplaneten impliceert ook dat we voorzichtig moeten zijn wanneer we voorspellen dat het bewoonbaar zal zijn."
"Het komt erop neer dat we verbazingwekkende dingen kunnen doen in de studie van exoplaneten vanaf de grond met 30-meter telescopen, maar dat er aanzienlijke investeringen in technologie nodig zijn om klaar te zijn om deze instrumenten te bouwen voor 30-meter telescopen," voegde Mazin toe.
De studie is mogelijk gemaakt dankzij aanvullende hulp van de National Research Council of Canada (NRC) en de Giant Magellan Telescope Organization (GMTO) Corporation.
