Когда у нас появится технология для непосредственного наблюдения за экзопланетой со значительной четкостью?

Боюсь, это будет чрезвычайно сложно - просто количество фотонов, отраженных от поверхности планеты и достигающих Земли (и объектива телескопа, каким бы большим) в пределах временных рамок для четкой фотографии, слишком мало для создания сколько-нибудь осмысленного изображения.

Планеты не неподвижны; они вращаются вокруг своих звезд, и это означает, что фотография с длинной выдержкой покажет их в виде следов. Конечно, телескоп можно заставить следить за движением по орбите, и в конечном итоге мы сможем получить изображение диска планеты. К сожалению, они также вращаются вокруг своей оси, и это означает, что мы не получаем фотографии их поверхности, а просто размытые линии вокруг диска. Теперь, если бы мы были достаточно сообразительны, мы могли бы делать короткие снимки несколько раз в один и тот же «час» «суток» планеты, и, комбинируя их, мы могли бы получить то, что нам нужно — при условии, что мы каким-то образом определяем, как долго данный «день» планеты " является. Но это только для планет без атмосферы или с тонкой атмосферой. Если на планете есть погода - это конец, это вообще не повторяется.

Итак, у нас уже есть две техники для получения приличных фотографий экзопланет. Первый — послать туда зонд, заставить его сфотографировать и вернуться — займет тысячи лет. Другой — построить телескоп с объективом, достаточно большим, чтобы захватить достаточное количество фотонов, отраженных от данной планеты, в течение времени, которое не размывает поверхность до неузнаваемости, — обойдется в сотни триллионов долларов. Космический телескоп Джеймса Уэбба (крупнейший в мире космический телескоп) стоит почти 20 миллиардов долларов и не сможет «разрешить» экзопланеты.

РЕДАКТИРОВАТЬ: На самом деле это можно было бы сделать в рамках несколько более разумного бюджета. Вам понадобится высокоточный (не обязательно огромный размер объектива = яркость) телескоп с датчиком, способным регистрировать отдельные фотоны, а не их сумму во времени — «записывать фильм» вместо того, чтобы просто снимать кадр. Телескоп по-прежнему должен был бы следить за орбитой планеты, но, регистрируя наблюдения в течение длительного времени и используя автокорреляционную функцию измерений, он мог бы определить период вращения (продолжительность дня) данной планеты - специфические черты рельефа вновь проявлялись бы в определенных местах в регулярном порядке. интервалы (с разницей в один день), создавая циклическую функцию в общем шуме. Зная «длину дня» и точное время каждого фотона, вы могли бы переназначить все ваши измеренные точки на их правильные местоположения вращающейся сферы с течением времени,

Конечно, для этого по-прежнему требуются телескопы лучше, чем все, что у нас есть, но это вполне досягаемо для наших современных технологий и не требует чрезмерного бюджета.

В настоящее время невозможно получить детали планеты с расстояния светового года или более. Кроме того, проекты, упомянутые ниже, не направлены на получение хороших изображений поверхности, а только на обнаружение экзопланет и проведение базовых измерений. Причина в том, что получение подробных изображений поверхности выходит за рамки возможностей современных технологий и исследований.

Хаббл, космический телескоп, имеет лучшую производительность, чем любой наземный аналог, благодаря отсутствию атмосферных возмущений. Интерферометр в космосе также выиграл бы от этой безвоздушной среды. Это привело к нескольким концепциям:

Источник: Агентство Science-Presse .

• Дарвин отменен в 2007 году
• Космическая интерферометрическая миссия ( SIM ), отмененная в 2010 году.
• Terrestrial Planet Finder ( TPF ), отменен в 2011 году.
• Гипертелескоп Лабейри , не финансируется.

Статья Дарвина в Википедии резюмирует технологические трудности:

Чтобы получить изображение, телескопы должны были работать в строю с расстояниями между телескопами, контролируемыми с точностью до нескольких микрометров, и расстоянием между телескопами и приемником, контролируемыми с точностью до одного нанометра. Потребовалось бы несколько более подробных исследований, чтобы определить, действительно ли возможна технология, способная обеспечить такую ​​точность.

Объекты с малым видимым размером лучше наблюдать с помощью астрономической интерферометрии, но современная технология позволяет получить лишь грубое изображение нескольких крупных и сверхярких объектов.

• Пример разрешенного объекта: ε Возничего , сверхгигантская звезда со странным темным диском на орбите. Инструмент: интерферометр MIRC на массиве CHARA ( Mount Wilson ): (источник: NSF )
  
  

Планета, похожая на Землю, на расстоянии одного светового года имеет видимый размер, аналогичный ε Возничего, но слабый вид экзопланет в настоящее время не позволяет разглядеть детали на их поверхности: Увеличение экспозиции позволяет преодолеть условия низкой освещенности, но размывает изображение из-за кажущееся движение.

Альтернатива отправке зондов и фотографированию в настоящее время также невозможна, «Вояджеры-1» и «Вояджеры-2», запущенные в 1977 году, находятся как раз на границе нашей собственной Солнечной системы, на 10 000-м расстоянии до ближайшей экзопланеты.

---

Большинство из тысячи уже открытых экзопланет были обнаружены с помощью косвенных методов, таких как падение яркости центральной звезды во время прохождения планеты по орбите. Вопрос относится к исключительному случаю, прямому наблюдению массивной планеты в ИК-спектре.

Есть два определяющих элемента при наблюдении за объектом:

• Видимый размер объекта или угловой размер .
• Видимая яркость объекта

Видимый размер

На этом изображении три объекта имеют одинаковый угловой размер и выглядят одинаково:

Согласно этой формуле:

θ = 2 • arctan (½ • d / D)

угловой размер планеты диаметром d Земли на расстоянии D 1 световой день составляет 0,3 миллисекунды дуги (мсек. дуги)

Чтобы увидеть эту планету в виде одного пикселя, что является наихудшим возможным уровнем детализации, телескоп должен иметь разрешение 0,3 мсек. дуги.

Угловое разрешение с использованием одного телескопа

Согласно пределу Рэлея , угловой размер θ телескопа с диаметром зеркала d может разрешить на длине волны λ:

θ° = 70 * (λ / d)

Для разрешения 0,3 мсд в середине видимого спектра зеркало телескопа должно иметь диаметр 500 м.

Результат будет таким:

• 
  Источник . Бледно- голубая точка на этом изображении на самом деле является Землей, видимой с "Вояджера-1", находящейся "всего" в 5 световых часах, с помощью формирователя изображения, связанного с зеркалом диаметром 18 см . Но результат был бы таким же и с 500-метровым телескопом, расположенным на расстоянии 1 светового дня.

Если бы телескоп имел диаметр 2 км, то количество пикселей для планеты все равно было бы всего 4х4. Это означает, что ученые далеки от того, чтобы построить телескоп, чтобы показать детали планеты на расстоянии нескольких световых лет. Кроме того, это расстояние в один световой год предназначено исключительно для обсуждения, поскольку ближайшая звезда уже удалена на 4,2 световых года.

Угловое разрешение с использованием синтезированной апертуры и интерферометрии

Если два прибора диаметром 1 м отодвинуть на 10 м и совместить их изображения так, что они могут создавать помехи, результирующая разрешающая способность будет такой же, как у 10-метрового прибора. Расстояние между инструментами называется базовой линией . Что касается разрешающей способности, система ведет себя как единый инструмент размером с базовую линию.

Первый интерферометр был использован для астрономических целей в 1920 г.

Помехи создаются разностью фаз между изображениями, а точность, необходимая для базового значения, составляет доли длины волны. Длинные базовые линии легче построить для радиотелескопов, чем для оптических телескопов. Оптическая интерферометрия с недавнего времени практически не эффективна.

Сравните размеры VLA (радиотелескопа) и VLTI (оптического телескопа):

С одной стороны, наилучшее разрешение в оптической астрономии достигается с помощью интерферометра MIRC на массиве CHARA в обсерватории Маунт-Вильсон .

См. изображение ε Возничего в разделе кратких ответов и другие сведения об астрономической интерферометрии .

Интерферометрия в космосе

Хаббл, космический телескоп, имеет лучшую производительность, чем любой наземный аналог, благодаря отсутствию атмосферных возмущений. Интерферометр в космосе также выиграл бы от этой безвоздушной среды. ЕКА изучало проект Дарвина с точки зрения поиска экзопланет:

Источник: Агентство Science-Presse .

Но в 2007 году проект был остановлен. Из Википедии .

Чтобы получить изображение, телескопы должны были работать в строю с расстояниями между телескопами, контролируемыми с точностью до нескольких микрометров, и расстоянием между телескопами и приемником, контролируемыми с точностью до одного нанометра. Потребовалось бы несколько более подробных исследований, чтобы определить, действительно ли возможна технология, способная обеспечить такую ​​точность.

Похожие проекты:

• Terrestrial Planet Finder ( TPF ), отменен в 2011 году.
• Космическая интерферометрическая миссия ( SIM ), отмененная в 2010 году.
• Гипертелескоп Лабейри , не финансируется.

Кажущаяся яркость

Планета не излучает свет, она лишь в некоторой степени отражает свет от своего солнца.

Количество света, отраженного планетой, пропорционально светимости ее солнца, его альбедо (отражательной способности) и радиусу.

Источник

Как видно на рисунках выше, наклонение орбиты и фаза также определяют количество отраженного света.

На самом деле яркость экзопланеты составляет всего тысячную долю ее солнца и намного ниже уровня чувствительности лучших сенсоров. Только очень длительное время экспозиции позволяет обнаружить слабый световой луч после накопления, но детали размыты из-за относительного движения планеты.

Только самые яркие звезды посылают достаточно фотонов, чтобы можно было увидеть некоторые детали. Детали экзопланеты с таким же угловым размером не видны.

Хотя разрешающая способность улучшается с помощью методов интерферометрии, это улучшение не распространяется на количество собранных фотонов. Фактическая апертура отдельных телескопов является единственной, которая определяет количество собранного света.

Сложность прямой визуализации экзопланет также связана с высоким контрастом между звездой и планетой. Чтобы улучшить обнаружение, некоторые телескопы используют коронограф , который скрывает звезду от формирователя изображения.

Да, с миссией «Новые миры» (также известной как «Звездная тень»). Это космический телескоп с большим оккультером, который может улететь и заблокировать свет звезды, чтобы его телескоп мог сфотографировать окружающие экзопланеты:

Форма оккультера такова, что световые волны, растекающиеся по краям, компенсируют друг друга.

Впереди у «Звездной тени» несколько миссий по поиску экзопланет. Сначала миссия Кеплера посмотрела на одну часть неба, чтобы выяснить, распространены ли экзопланеты (они есть). Во-вторых, TESS (спутник для исследования транзитных экзопланет) будет сканировать все ночное небо, чтобы составить каталог всех близлежащих экзопланет; чтобы выбрать самые интересные. В-третьих, телескоп Джеймса Уэбба сделает более качественные снимки родительских звезд интересующих нас экзопланет; так что мы можем увидеть состав их атмосфер с помощью световой интерферометрии. И только после этого они запустят миссию «Новые миры», чтобы сфотографировать экзопланеты.

Проект находится в разработке с 2005 года, и по некоторым оценкам дата его запуска намечена на 2020 год.

Количество деталей, которые мы ожидаем увидеть, зависит от используемого телескопа. За 750 миллионов долларов США вы просто получаете оккультер, используемый в сочетании с телескопом Джеймса Уэбба. Предоставление миссии собственного телескопа должно улучшить изображения, но ставит цену карты в 3 миллиарда долларов. В любом случае полученные изображения, скорее всего, разочаруют неастрономов; если прямое световое изображение этих двух экзопланет является каким-либо указанием. Для значимых деталей вам понадобится площадь сбора в квадратных километрах. Хотя я когда-то читал, что с помощью нескольких оккультеров и телескопов можно получить истинное изображение экзопланеты, как это будет работать, я не понимаю; и я больше не могу найти источник этого утверждения.

Инфракрасный снимок Европейской южной обсерватории 2M1207 (голубоватый) и планеты-компаньона 2M1207b (красноватый), сделанный в 2004 году.