Questão:
Quando teremos a tecnologia para observar diretamente um exoplaneta com clareza significativa?
Fezter
2013-07-18 09:18:46 UTC
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Existe atualmente algum projeto em andamento para desenvolver um telescópio que tenha a capacidade de observar diretamente um exoplaneta com alguma clareza?

Não me refiro a imagens desfocadas (mas impressionantes) como esta:

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Mas talvez algo onde podemos ver características reais na superfície ou atmosfera.

Eu entendo que isso pode não ser possível com telescópios convencionais, mas eu estava me perguntando quais tecnologias seriam necessárias para ver as características da superfície ou atmosféricas em um exoplaneta, digamos entre 5-50 anos-luz da Terra.

Se nenhum projeto atual estiver em andamento, quando seria um prazo viável para ver esse telescópio?

Não é uma resposta, mas pensei em postar mesmo assim. James Webb deve ser lançado em 2018, mas não verá muito na forma de planetas. http://jwst.nasa.gov/faq.html#planets, mas irá analisar algumas atmosferas de planetas distantes e água (role para baixo até o ponto 4) http://news.nationalgeographic.com/news/2014/02/140204- nasa-james-webb-space-telescope-top-science / e 2018 não está muito longe, se tudo der certo.
Esta pergunta já tem respostas excelentes, mas eu gostaria de adicionar um pequeno comentário para colocar as coisas em perspectiva: Se você apontasse o telescópio Hubble para a lua (que está a cerca de 1 segundo luz de distância), um local de pouso da Apollo pareceria [isto] (http://www.lpi.usra.edu/images/sapo/sapo_S24.gif). Agora imagine o que seria necessário para "ver" qualquer coisa da superfície de um planeta que está a vários * anos-luz * de distância ...
fwiw, [este artigo] (http://online.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/ast.2009.0371) cobre as perspectivas de longo prazo de observações diretas de exoplanetas
@collapsar Esse artigo merece ser resumido como uma resposta!
O artigo: [Detectando o brilho da luz das estrelas nos oceanos de planetas distantes] (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103508000407) explica como podemos ser capazes de caracterizá-los em detalhes observando sua luz curvas, pois apresentam diferentes fases para nós
Trzy respostas:
#1
+24
SF.
2013-07-18 12:19:27 UTC
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Temo que seria extremamente difícil - simplesmente o número de fótons refletidos da superfície de um planeta e alcançando a Terra (e as lentes do telescópio, por maiores que fossem) dentro do prazo para uma foto sólida é muito pequeno para criar qualquer imagem significativa.

Os planetas não são estacionários; eles orbitam suas estrelas, e isso significa que a foto de longa exposição os mostrará como trilhas. Claro que o telescópio poderia ser feito para seguir o movimento orbital e, eventualmente, poderíamos obter a imagem do disco do planeta. Porém, infelizmente, eles também giram em torno de seu eixo, o que significa que não estamos obtendo suas fotos de superfície, apenas linhas borradas ao redor do disco. Agora, se fôssemos espertos, poderíamos tirar fotos curtas várias vezes na mesma "hora" do "dia" do planeta e, combinando-as, poderíamos obter o que queremos - desde que de alguma forma descobríssemos quanto tempo o "dia" do planeta " é. Mas isso é apenas para planetas sem ou com atmosfera fina. Se o planeta tiver clima - esse é o fim, não é nada repetível.

Então, aí - nós já temos duas técnicas para tirar fotos decentes dos exoplanetas. O primeiro - enviar uma sonda para lá, fazer com que ela tire fotos e retornar - levaria milhares de anos para ser concluído. O outro - construir um telescópio com lentes enormes o suficiente para capturar fótons suficientes refletidos em determinado planeta dentro de um período de tempo que não borrará a superfície além do reconhecimento - custaria centenas de trilhões de dólares. O Telescópio Espacial James Webb (o maior telescópio espacial do mundo) custa quase 20 bilhões de dólares e não será capaz de 'resolver' exoplanetas.

EDITAR: Isso realmente poderia ser feito dentro de um orçamento um pouco mais razoável. Você precisaria de um telescópio de alta precisão (não necessariamente tamanho de lente enorme = brilho), com um sensor capaz de registrar fótons separados, não sua soma ao longo do tempo - "gravar um filme" em vez de apenas obter uma imagem estática. O telescópio ainda precisaria seguir a órbita do planeta, mas registrando as observações ao longo do tempo e usando a função de autocorrelação das medições, ele poderia determinar o período de rotação (duração do dia) de determinado planeta - características específicas do terreno reapareceriam em locais específicos regularmente intervalos (um dia de intervalo) criando uma função cíclica no ruído geral. Sabendo a "duração do dia" e a hora precisa de cada fóton, você pode remapear todos os seus pontos medidos em seus locais corretos de esfera giratória ao longo do tempo e, dessa forma, recriar a imagem de toda a superfície - da mesma forma como uma câmera fotográfica moderna usa seu movimento caminho gravado por acelerômetros para recriar uma imagem estática de uma foto de longa exposição tirada com mãos trêmulas.

Claro que isso ainda requer telescópios melhores do que qualquer coisa que temos, mas está bem ao alcance de nossa tecnologia contemporânea e não com um orçamento excessivo.

Você também pode usar algum tipo de computação que pode preencher as peças que faltam com base nas informações que obteve ...
#2
+20
mins
2015-07-24 23:28:50 UTC
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Atualmente não é possível obter os detalhes de um planeta à distância, como um ano-luz ou mais. Além disso, os projetos mencionados abaixo não visam obter boas imagens da superfície, mas apenas detectar exoplanetas e fazer medições básicas. A razão é que obter imagens detalhadas da superfície está além da capacidade e pesquisa da tecnologia atual.

O Hubble, o telescópio espacial, tem um desempenho melhor do que qualquer equivalente no solo, devido à ausência de perturbações atmosféricas. Um interferômetro no espaço também se beneficiaria com esse ambiente sem ar. Isso levou a vários conceitos:

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Fonte: Agence Science-Presse.

  • Darwin cancelada em 2007
  • Missão de interferometria espacial ( SIM), cancelada em 2010.
  • Terrestrial Planet Finder ( TPF), cancelado em 2011.
  • Hypertelescope de Labeyrie, não financiado.

O artigo de Darwin na Wikipedia resume a dificuldade tecnológica :

Para produzir uma imagem, os telescópios teriam que operar em formação com distâncias entre os telescópios controlados dentro de alguns micrômetros, e a distância entre os telescópios e o receptor controlada dentro de cerca de um nanômetro. Vários estudos mais detalhados teriam sido necessários para determinar se a tecnologia capaz de tal precisão é realmente viável.

Objetos com um tamanho aparente pequeno são melhor observados usando interferometria astronômica, mas a tecnologia atual permite obtenha apenas uma imagem aproximada de alguns objetos grandes e ultrabrilhantes.

Planeta semelhante à Terra a uma distância de um ano-luz tem um tamanho aparente semelhante a ε Aurigae, mas a fraqueza dos exoplanetas atualmente impede ver detalhes em sua superfície: Aumentar a exposição permite superar as condições de pouca luz, mas embaça o imagem devido ao movimento aparente.

A alternativa de enviar sondas e tirar fotos também não é possível no momento, as Voyager 1 e 2, lançadas em 1977 estão apenas na fronteira de nosso próprio sistema solar, 10.000 th de a distância para viajar até o exoplaneta mais próximo.


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A maioria dos milhares de exoplanetas já descobertos foram detectados usando métodos indiretos, como a queda de brilho da estrela central durante o trânsito do planeta em órbita. A pergunta se refere a um caso excepcional, uma observação direta de um planeta massivo no espectro infravermelho.

Existem dois elementos determinantes ao observar um objeto:

  • O tamanho aparente do objeto ou tamanho angular .
  • O brilho aparente do objeto

Tamanho aparente

Nesta imagem, os três objetos têm o mesmo tamanho angular , e será visto de forma semelhante:

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De acordo com esta fórmula:

   θ = 2 • arctan (½ • d / D )  

o tamanho angular de um planeta com o diâmetro d da Terra, a uma distância D de 1 ano, é 0,3 miliarcsegundo (mas)

Para ver este planeta como um pixel, o pior nível de detalhe possível, o telescópio precisa resolver 0,3 mas.

Resolução angular usando um único telescópio

De acordo com o limite de Rayleigh, o tamanho angular θ que um telescópio com um espelho de diâmetro d pode resolver no comprimento de onda λ é:

  θ ° = 70 * (λ / d)  

Para resolver 0,3 mas no meio do espectro visível, o espelho do telescópio deve ter um diâmetro de 500 m.

O resultado seria assim:

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    Fonte. O ponto azul claro nesta imagem é na verdade a Terra vista da Voyager 1, "apenas" 5 horas-luz de distância, com um gerador de imagens associado a um espelho de 18 cm de diâmetro. Mas o resultado seria o mesmo com um telescópio de 500 m localizado a uma distância de 1 ano

Se o telescópio tivesse um diâmetro de 2 km, então o número de pixels do planeta ainda seria ser apenas 4x4. Isso significa que os cientistas estão longe de ser capazes de construir um telescópio para mostrar os detalhes de um planeta em alguns anos-luz. Além disso, esta distância de um ano-luz é puramente para discussão, uma vez que a estrela mais próxima já está distante de 4,2 al.

Resolução angular usando abertura de síntese e interferometria

Se dois instrumentos de 1 m de diâmetro forem afastados em 10 m, e suas imagens forem combinadas de forma que possam interferir, a resolução resultante será a de um instrumento de 10 m. A distância entre os instrumentos é chamada de linha de base . Quanto ao poder de resolução, o sistema se comporta como um único instrumento do tamanho da linha de base.

O primeiro interferômetro foi usado para fins astronômicos em 1920.

As interferências são criadas pela diferença de fase entre as imagens, e a precisão necessária para o valor da linha de base é uma fração de um comprimento de onda. Linhas de base longas são mais fáceis de construir para radiotelescópios do que para telescópios ópticos. A interferometria óptica não foi realmente eficaz desde recentemente.

Compare o tamanho de VLA (radiotelescópio) e VLTI (telescópio óptico):

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Em um, a melhor resolução em astronomia óptica é obtida com o interferômetro MIRC no array CHARA em Observatório Mount Wilson.

Veja a imagem de ε Aurigae na seção de respostas curtas , e mais sobre interferometria astronômica.

Interferometria no espaço

O Hubble, o telescópio espacial, tem um desempenho melhor do que qualquer equivalente terrestre, devido à ausência de perturbações atmosféricas. Um interferômetro no espaço também se beneficiaria com esse ambiente sem ar. A ESA estudou o projeto Darwin na perspectiva da pesquisa de exoplanetas:

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Fonte: Agence Science-Presse.

Mas o projeto foi interrompido em 2007. Da Wikipedia.

Para produzir uma imagem, os telescópios teriam que operar em formação com distâncias entre os telescópios controlada dentro de alguns micrômetros e a distância entre os telescópios e o receptor controlada dentro de cerca de um nanômetro. Vários estudos mais detalhados teriam sido necessários para determinar se a tecnologia capaz de tal precisão é realmente viável.

Projetos semelhantes:

Brilho aparente

Um planeta não cria luz, ele apenas reflete a luz de seu sol, em algum grau.

A quantidade de luz refletida pelo planeta é proporcional à luminosidade de seu sol, seu albedo (refletividade) e seu raio.

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Fonte

Conforme visível nas imagens acima, a inclinação da órbita e a fase também determinam a quantidade de luz refletida.

Na verdade, o brilho de um exoplaneta está a apenas milésimos de seu sol, e bem abaixo do nível de sensibilidade dos melhores sensores. Apenas tempos de exposição muito longos podem detectar o fraco feixe de luz após o acúmulo, mas os detalhes são borrados devido ao movimento relativo do planeta.

Apenas as estrelas mais brilhantes enviam fótons suficientes para ter alguns detalhes visíveis. Detalhes de um exoplaneta com o mesmo tamanho angular não podem ser vistos.

Embora o poder de resolução seja aprimorado por técnicas de interferometria, esse aprimoramento não se aplica à quantidade de fótons coletados. A abertura real dos telescópios individuais é a única que determina a quantidade de luz coletada.

A dificuldade para imagens diretas de exoplanetas também inclui o alto contraste entre a estrela e o planeta. Para melhorar a detecção, alguns telescópios usam um coronógrafo que esconde a estrela para o imageador.

O telescópio não precisa ser um disco de 500 m de diâmetro, no entanto. Pelo menos de acordo com meu (reconhecidamente limitado) conhecimento de óptica, poderia ser dois (ou mais) espelhos separados por uma grande distância, usando combinação de feixe & c. Então, talvez dois equivalentes do Hubble colocados nos pontos Terra / Sol L4 e L5?
@jamesqf Sim, este é o princípio do [VLT] (https://en.wikipedia.org/wiki/Very_Large_Telescope), ou qualquer outro interferômetro. Mas você precisa mesclar os raios de luz recebidos por todos os espelhos individuais, isso não pode ser feito em longas distâncias e provavelmente não no espaço, devido à grande precisão necessária. Além disso, os interferômetros têm um grande problema com a luminosidade, pois a quantidade de fótons coletados depende da área * real * dos espelhos.
Hesito em dizer que qualquer coisa que envolva precisão é impossível. Quanto a coletar fótons suficientes, acho que a imagem acima prova que está ao alcance da tecnologia atual.
Para colocar alguns números concretos nisso, resolvendo [Gilese 674b] (https://en.wikipedia.org/wiki/Gliese_674) (15 ly com um diâmetro de 1,1x Júpiter) como tendo 10 pixels de diâmetro (o suficiente para detectar Bandas atmosféricas semelhantes às de Júpiter) requer um espelho com cerca de 11.000 metros de diâmetro.
@jamesqf: Futuras descobertas podem permitir interferometria de linha de base longa no espectro visível, concordou. A imagem da Terra foi tirada pela Voyager 1 a uma distância de 40 UA, mas o exoplaneta mais próximo está a 300.000 UA.
@Mark, porém, não precisa ser um espelho sólido. Algo como o ALMA como uma constelação de satélites pode fazer isso. Em 20-30 anos, a tecnologia de combinação de sinais estará aqui. Ainda não.
@mins obrigado por dedicar seu tempo para colocar tudo isso junto. Mais uma vez, mais um dia perfeitamente bom foi roubado lendo guloseimas no SX SE!
@uhoh: Sinto muito por isso ... Agradeço que você dedicou seu tempo para postar o comentário gentil! No entanto, há alguma esperança com a edição no final da [resposta de SF] (http://space.stackexchange.com/a/361/7017): Acúmulo de fótons ao longo do tempo.
@mins Eu realmente queria apenas fazer um elogio de forma indireta. Eu estava fazendo uma referência ao programa de rádio muito popular chamado "Car Talk" - sempre terminava com a frase "você perdeu mais uma * hora perfeitamente boa * ouvindo Car Talk". Sua resposta é ótima e eu realmente aprecio lê-la e pensar sobre tudo isso. Obrigado!
@uhoh: Eu não sabia a referência a Car Talk, mas cheguei à conclusão de que só podia ser humor, e respondi no segundo grau também! Obrigado novamente!
#3
  0
Herman
2018-06-20 16:38:12 UTC
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Em 2020.

O Starshade (também conhecido como New Worlds Mission) é um telescópio espacial com um grande occulter que pode voar e bloquear a luz de uma estrela para que seu telescópio possa retratar os exoplanetas ao redor:

O formato do occulter é tal que as ondas de luz que passam pelas bordas se cancelam.

Artist depiction

Existem várias missões na busca de exoplanetas adiante na linha do Starshade. Primeiro, a missão Kepler olhou para uma parte do céu para descobrir se exo-planetas são comuns (eles são). Em segundo lugar, o TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) fará a varredura de todo o céu noturno para fazer um catálogo de todos os exoplanetas próximos; para selecionar os mais interessantes. Em terceiro lugar, o Telescópio James Webb fará imagens melhores das estrelas hospedeiras dos exoplanetas de interesse; então podemos ver a composição de suas atmosferas através da interferometria de luz. E só então eles vão lançar a Missão Novos Mundos para imaginar exoplanetas.

Exoplanet missions

O projeto está em desenvolvimento desde 2005 e algumas estimativas apontam para o seu lançamento em 2020.

O a quantidade de detalhes que esperamos ver depende do telescópio usado. Por 750 milhões de dólares você adquire o occulter, usado em combinação com o telescópio James Webb. Dar à missão seu próprio telescópio deve melhorar as imagens, mas coloca o preço em 3 bilhões de dólares. De qualquer forma, as imagens resultantes provavelmente serão decepcionantes para os não astrônomos; se a imagem de luz direta desses dois exoplanetas é alguma indicação. Para detalhes significativos, você precisa de uma área de coleta de quilômetros quadrados. Embora eu tenha lido uma vez que, com múltiplos occulters e telescópios, imagens exoplanetárias verdadeiras poderiam ser obtidas, como isso funcionaria está além de mim; e não consigo mais encontrar a origem desta reivindicação.

European Southern Observatory infrared image of 2M1207 (bluish) and companion planet 2M1207b (reddish), taken in 2004. Imagem infravermelha do Observatório Europeu do Sul de 2M1207 (azulado) e do planeta companheiro 2M1207b (avermelhado), tirada em 2004.

A starshade nos ajuda a ver um planeta sem que o telescópio seja prejudicado pela luz da estrela do planeta. Não nos ajuda a ver detalhes sobre esses planetas.
É ótimo quando alguém revive uma velha questão com uma resposta nova e interessante! Você pode abordar "... algo onde podemos ver características reais na superfície ou na atmosfera." diretamente? Esses projetos * permitiriam a obtenção de imagens de características em exoplanetas * ou apenas seriam mais fáceis de identificá-los e coletar luz para espectroscopia?
Nenhum desses projetos será capaz de distinguir características em qualquer planeta. 1.) Tecnologicamente, ainda temos ordens de magnitudes pela frente 2.) Esses planetas com imagens diretas são gigantes gasosos orbitando longínquos, que poderiam ter pontos ou bandas, mas nenhuma superfície.


Estas perguntas e respostas foram traduzidas automaticamente do idioma inglês.O conteúdo original está disponível em stackexchange, que agradecemos pela licença cc by-sa 3.0 sob a qual é distribuído.
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