WAS IST DIE DIRECT IMAGING-METHODE?

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Willkommen zurück zum neuesten Teil unserer Serie über Exoplaneten-Jagdmethoden. Heute beginnen wir mit der sehr schwierigen, aber vielversprechenden Methode, die als Direct Imaging bekannt ist.

In den letzten Jahrzehnten ist die Zahl der Planeten, die jenseits unseres Sonnensystems entdeckt wurden, sprunghaft gestiegen. Bis zum 4. Oktober 2018 wurden insgesamt 3.869 Exoplaneten in 2.887 Planetensystemen bestätigt, wobei 638 Systeme mehrere Planeten beherbergen. Leider wurde die überwiegende Mehrheit von Astronomen aufgrund der Einschränkungen, mit denen sie zu kämpfen hatten, mit indirekten Methoden entdeckt.

Bisher wurden nur eine Handvoll Planeten entdeckt, indem sie abgebildet wurden, als sie ihre Sterne umkreisten (auch bekannt als Direct Imaging). Diese Methode ist zwar im Vergleich zu indirekten Methoden eine Herausforderung, aber die vielversprechendste, wenn es darum geht, die Atmosphäre von Exoplaneten zu charakterisieren. Bisher wurden 100 Planeten in 82 Planetensystemen mit dieser Methode bestätigt, und es wird erwartet, dass in naher Zukunft viele weitere gefunden werden.

Beschreibung:

Wie der Name vermuten lässt, besteht Direct Imaging darin, Bilder von Exoplaneten direkt aufzunehmen. Dies ist möglich, indem nach dem Licht gesucht wird, das von der Atmosphäre eines Planeten bei Infrarotwellenlängen reflektiert wird. Der Grund dafür ist, dass ein Stern bei Infrarotwellenlängen wahrscheinlich nur etwa 1 Million Mal heller ist als ein Planet, der Licht reflektiert, und nicht eine Milliarde Mal (was typischerweise bei visuellen Wellenlängen der Fall ist).

Einer der offensichtlichsten Vorteile von Direct Imaging besteht darin, dass es weniger anfällig für Fehlalarme ist. Während die Transitmethode in bis zu 40% der Fälle mit einem einzelnen Planetensystem zu Fehlalarmen neigt (was Nachbeobachtungen erforderlich macht), müssen Planeten, die mit der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt wurden, bestätigt werden (weshalb sie normalerweise mit der Transitmethode gepaart wird). . Im Gegensatz dazu können Astronomen mit Direct Imaging die Planeten, nach denen sie suchen, tatsächlich sehen.

Während Möglichkeiten zur Verwendung dieser Methode selten sind, können Wissenschaftler überall dort, wo direkte Erkennungen möglich sind, wertvolle Informationen über den Planeten erhalten. Durch die Untersuchung der Spektren, die von der Atmosphäre eines Planeten reflektiert werden, können Astronomen wichtige Informationen über seine Zusammensetzung erhalten. Diese Informationen sind für die Charakterisierung von Exoplaneten und die Bestimmung, ob sie möglicherweise bewohnbar sind, von wesentlicher Bedeutung.

Im Fall von Fomalhaut b konnten Astronomen mit dieser Methode mehr über die Wechselwirkung des Planeten mit der protoplanetaren Scheibe des Sterns erfahren, die Masse des Planeten einschränken und das Vorhandensein eines massiven Ringsystems bestätigen. Im Fall von HR 8799 lieferte die Menge an Infrarotstrahlung, die von der Atmosphäre seines Exoplaneten reflektiert wurde (kombiniert mit Modellen der Planetenbildung), eine grobe Schätzung der Masse des Planeten.

Direct Imaging eignet sich am besten für Planeten mit breiten Umlaufbahnen und besonders massiven Planeten (z. B. Gasriesen). Es ist auch sehr nützlich, um Planeten zu erkennen, die „frontal“ positioniert sind, was bedeutet, dass sie nicht relativ zum Beobachter vor dem Stern verlaufen. Dies macht es komplementär zur Radialgeschwindigkeit, die am effektivsten für die Erkennung von Planeten ist, die "Rand-auf" sind, wo Planeten Transite ihres Sterns machen.

Im Vergleich zu anderen Methoden ist die direkte Bildgebung aufgrund des verdeckenden Effekts, den das Licht eines Sterns hat, ziemlich schwierig. Mit anderen Worten, es ist sehr schwierig, das Licht zu erfassen, das von der Atmosphäre eines Planeten reflektiert wird, wenn sein Mutterstern so viel heller ist. Infolgedessen sind Möglichkeiten für Direct Imaging unter Verwendung der aktuellen Technologie sehr selten.

Planeten können mit dieser Methode größtenteils nur erkannt werden, wenn sie sich in großer Entfernung von ihren Sternen befinden oder besonders massiv sind. Dies macht es sehr begrenzt, wenn es darum geht, nach terrestrischen (auch als "erdähnlich" bezeichneten) Planeten zu suchen, die näher an ihren Sternen (d. H. Innerhalb der bewohnbaren Zone ihres Sterns) kreisen. Daher ist diese Methode bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Exoplaneten nicht besonders nützlich.

Beispiele für Direct Imaging-Umfragen:

Die erste Exoplanetenerkennung mit dieser Technik erfolgte im Juli 2004, als eine Gruppe von Astronomen das Very Large Telescope Array (VLTA) des European Southern Observatory (ESO) verwendete, um einen Planeten abzubilden, der ein Vielfaches der Jupitermasse in unmittelbarer Nähe von 2M1207 - Ein brauner Zwerg, etwa 200 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Im Jahr 2005 bestätigten weitere Beobachtungen die Umlaufbahn dieses Exoplaneten um 2M1207. Einige sind jedoch skeptisch geblieben, dass dies der erste Fall von „Direct Imaging“ war, da die geringe Leuchtkraft des Braunen Zwergs die Erkennung des Planeten ermöglichte. Da ein brauner Zwerg umkreist, haben einige darüber hinaus argumentiert, dass der Gasriese kein richtiger Planet ist.

Im September 2008 wurde ein Objekt mit einem Abstand von 330 AE um seinen Wirtsstern 1RXS J160929.1? 210524 abgebildet, der sich 470 Lichtjahre entfernt in der Scorpius-Konstellation befindet. Es wurde jedoch erst 2010 bestätigt, dass es ein Planet und ein Begleiter des Sterns ist.

Am 13. November 2008 gab ein Team von Astronomen bekannt, dass sie mit dem Hubble-Weltraumteleskop Bilder eines Exoplaneten aufgenommen haben, der den Stern Fomalhaut umkreist. Möglich wurde die Entdeckung dank der dicken Gas- und Staubscheibe, die Fomalhaut umgibt, und der scharfen Innenkante, die darauf hindeutet, dass ein Planet Trümmer aus seinem Weg geräumt hat.

Follow-up-Beobachtungen mit Hubble ergaben Bilder der Scheibe, mit denen Astronomen den Planeten lokalisieren konnten. Ein weiterer Faktor ist die Tatsache, dass dieser Planet, der doppelt so groß wie die Masse des Jupiter ist, von einem Ringsystem umgeben ist, das um ein Vielfaches dicker ist als die Saturnringe, wodurch der Planet im visuellen Licht ziemlich hell leuchtet.

Am selben Tag gaben Astronomen, die die Teleskope des Keck-Observatoriums und des Gemini-Observatoriums verwendeten, bekannt, dass sie drei Planeten abgebildet hatten, die HR 8799 umkreisen. Diese Planeten, deren Masse das 10-, 10- und 7-fache der des Jupiter beträgt, wurden alle im Infrarotbereich erfasst Wellenlängen. Dies wurde der Tatsache zugeschrieben, dass HR 8799 ein junger Stern ist und die Planeten um ihn herum vermutlich immer noch einen Teil der Wärme ihrer Formation behalten.

Im Jahr 2009 ergab die Analyse von Bildern aus dem Jahr 2003 die Existenz eines Planeten, der Beta Pictoris umkreist. Im Jahr 2012 kündigten Astronomen, die das Subaru-Teleskop am Mauna Kea-Observatorium verwendeten, die Abbildung eines „Super-Jupiter“ (mit 12,8 Jupitermassen) an, der den Stern Kappa Andromedae in einer Entfernung von etwa 55 AE umkreist (fast doppelt so weit wie Neptun von der Sonne).

Andere Kandidaten wurden im Laufe der Jahre gefunden, aber bisher sind sie als Planeten unbestätigt und könnten braune Zwerge sein. Insgesamt wurden 100 Exoplaneten mit der Direct Imaging-Methode bestätigt (ungefähr 0,3% aller bestätigten Exoplaneten), und die überwiegende Mehrheit waren Gasriesen, die in großer Entfernung von ihren Sternen umkreisten.

Dies wird sich jedoch voraussichtlich in naher Zukunft ändern, wenn Teleskope der nächsten Generation und andere Technologien verfügbar werden. Dazu gehören bodengestützte Teleskope mit adaptiver Optik wie das 30-Meter-Teleskop (TMT) und das Magellan-Teleskop (GMT). Dazu gehören auch Teleskope, die auf Koronographie basieren (wie das James Webb Space Telescope (JWST), bei dem ein Gerät im Teleskop verwendet wird, um das Licht eines Sterns zu blockieren.

Eine andere Methode, die entwickelt wird, ist als "Sternschatten" bekannt, ein Gerät, das so positioniert ist, dass es das Licht eines Sterns blockiert, bevor es überhaupt in ein Teleskop eintritt. Für ein weltraumgestütztes Teleskop, das nach Exoplaneten sucht, wäre ein Sternschatten ein separates Raumschiff, das so konstruiert ist, dass es sich in genau der richtigen Entfernung und im richtigen Winkel positioniert, um das Sternenlicht von den Sternastronomen abzuhalten, die beobachtet wurden.

Wir haben viele interessante Artikel über die Exoplanetenjagd hier im Space Magazine. Was ist die Transitmethode? Was ist die Radialgeschwindigkeitsmethode? Was ist die Gravitationsmikrolinsenmethode? Und Keplers Universum: Mehr Planeten in unserer Galaxie als Sterne.

Astronomy Cast hat auch einige interessante Episoden zu diesem Thema. Hier ist Episode 367: Spitzer macht Exoplaneten und Episode 512: Direkte Bildgebung von Exoplaneten.

Weitere Informationen finden Sie auf der NASA-Seite zur Exoplanetenforschung, auf der Seite der Planetary Society zu Extrasolarplaneten und im NASA / Caltech-Exoplanetenarchiv.

Quellen: