En ny måde at lede efter livsopretholdende planeter

Det er nu muligt at tage billeder af planeter, der potentielt kan opretholde liv omkring nærliggende stjerner, takket være fremskridt rapporteret af et internationalt hold af astronomer i tidsskriftet Naturkommunikation.

Ved hjælp af et nyudviklet system til mid-infrarød exoplanet-billeddannelse, i kombination med en meget lang observationstid, undersøgelsens forfattere siger, at de nu kan bruge jordbaserede teleskoper til direkte at fange billeder af planeter omkring tre gange jordens størrelse inden for nærliggende stjerners beboelige zoner.

Bestræbelser på direkte at afbilde exoplaneter - planeter uden for vores solsystem - er blevet hæmmet af teknologiske begrænsninger, resulterer i en skævhed i retning af påvisning af lettere-at-se planeter, der er meget større end Jupiter og er placeret omkring meget unge stjerner og langt uden for den beboelige zone - det "søde sted", hvor en planet kan opretholde flydende vand. Hvis astronomer ønsker at finde fremmede liv, de skal søge andre steder.

"Hvis vi vil finde planeter med betingelser, der er egnede til liv, som vi kender det, vi skal lede efter klippeplaneter på størrelse med Jorden, inde i de beboelige zoner omkring ældre, sollignende stjerner, " sagde avisens første forfatter, Kevin Wagner, en Sagan Fellow i NASAs Hubble Fellowship Program ved University of Arizonas Steward Observatory.

Metoden beskrevet i papiret giver mere end en tidoblet forbedring i forhold til eksisterende evner til direkte at observere exoplaneter, sagde Wagner. De fleste undersøgelser af exoplanet-billeddannelse har set i infrarøde bølgelængder på mindre end 10 mikron, stopper lige under det område af bølgelængder, hvor sådanne planeter skinner klarest, sagde Wagner.

"Der er en god grund til det, fordi Jorden selv skinner på dig ved de bølgelængder, " sagde Wagner. "Infrarøde emissioner fra himlen, kameraet og selve teleskopet overdøver i det væsentlige dit signal. Men den gode grund til at fokusere på disse bølgelængder er, at det er her, en jordlignende planet i den beboelige zone omkring en sollignende stjerne kommer til at lyse klarest."

Holdet brugte Very Large Telescope, eller VLT, fra European Southern Observatory i Chile for at observere vores nærmeste nabostjernesystem:Alpha Centauri, kun 4,4 lysår væk. Alpha Centauri er et tredobbelt stjernesystem; den består af to stjerner – Alpha Centauri A og B – der ligner solen i størrelse og alder og kredser om hinanden som et binært system. Den tredje stjerne, Alpha Centauri C, bedre kendt som Proxima Centauri, er en meget mindre rød dværg, der kredser om sine to søskende på stor afstand.

En planet, der ikke er helt dobbelt så stor som Jorden, og som kredser i den beboelige zone omkring Proxima Centauri, er allerede indirekte blevet opdaget gennem observationer af stjernens radiale hastighedsvariation, eller den lille slingre en stjerne udviser under slæb fra den usete planet. Ifølge undersøgelsens forfattere, Alpha Centauri A og B kunne være vært for lignende planeter, men indirekte detektionsmetoder er endnu ikke følsomme nok til at finde klippeplaneter i deres mere vidt adskilte beboelige zoner, Wagner forklarede.

"Med direkte billeddannelse, vi kan nu presse under disse detektionsgrænser for første gang, " han sagde.

For at øge følsomheden af ​​billedopsætningen, holdet brugte et såkaldt adaptivt sekundært teleskopspejl, der kan korrigere for forvrængning af lyset af Jordens atmosfære. Ud over, forskerne brugte en stjernelysblokerende maske, som de optimerede til det mellem-infrarøde lysspektrum for at blokere lyset fra en af ​​stjernerne ad gangen. For at gøre det muligt at observere begge stjerners beboelige zoner samtidigt, de var også pionerer med en ny teknik til at skifte frem og tilbage mellem at observere Alpha Centauri A og Alpha Centauri B meget hurtigt.

"Vi flytter en stjerne på og en stjerne fra koronagrafen hvert tiende sekund, " sagde Wagner. "Det giver os mulighed for at observere hver stjerne i halvdelen af ​​tiden, og, vigtigt, det giver os også mulighed for at trække en frame fra den efterfølgende frame, som fjerner alt, hvad der i bund og grund kun er støj fra kameraet og teleskopet."

Ved at bruge denne tilgang, det uønskede stjernelys og "støj" - uønsket signal inde fra teleskopet og kameraet - bliver i det væsentlige tilfældig baggrundsstøj, muligt at reducere yderligere ved at stable billeder og trække støjen fra ved hjælp af specialiseret software.

Svarende til effekten af ​​støjreducerende hovedtelefoner, som tillader blød musik at blive hørt over en konstant strøm af uønsket jetmotorstøj, teknikken gjorde det muligt for holdet at fjerne så meget af den uønskede støj som muligt og opdage de meget svagere signaler skabt af potentielle planetkandidater inde i den beboelige zone.

Holdet observerede Alpha Centauri-systemet i næsten 100 timer i løbet af en måned i 2019, indsamler mere end 5 millioner billeder. De indsamlede omkring 7 terabyte data, som de gjorde offentligt tilgængelig på http://archive.eso.org .

"Dette er en af ​​de første dedikerede multi-night exoplanet billeddannelseskampagner, hvor vi stablede alle de data, vi akkumulerede over næsten en måned, og brugte dem til at opnå vores endelige følsomhed, " sagde Wagner.

Efter at have fjernet såkaldte artefakter - falske signaler skabt af instrumenteringen og resterende lys fra koronagrafen - afslørede det endelige billede en lyskilde betegnet som "C1", der potentielt kunne antyde tilstedeværelsen af ​​en exoplanetkandidat inde i den beboelige zone.

"Der er én punktkilde, der ligner, hvad vi ville forvente, at en planet skulle se ud, som vi ikke kan forklare med nogen af ​​de systematiske fejlrettelser, " sagde Wagner. "Vi er ikke på selvtillidsniveauet til at sige, at vi opdagede en planet omkring Alpha Centauri, men der er et signal der, der kunne være det med en efterfølgende verifikation."

Simuleringer af, hvordan planeter i dataene sandsynligvis vil se ud, tyder på, at "C1" kunne være en planet på størrelse med Neptun til Saturn i en afstand fra Alpha Centauri A, der svarer til afstanden mellem Jorden og solen, sagde Wagner. Imidlertid, forfatterne siger klart, at uden efterfølgende verifikation, muligheden for, at C1 kan skyldes en ukendt artefakt forårsaget af selve instrumentet, kan ikke udelukkes endnu.

At finde en potentielt beboelig planet i Alpha Centauri har været målet for initiativet Breakthrough Watch/NEAR, som står for New Earths in the Alpha Centauri Region. Breakthrough Watch er et globalt astronomisk program, der leder efter jordlignende planeter omkring nærliggende stjerner.

"Vi er meget taknemmelige over for Breakthrough Initiatives og ESO for deres støtte til at opnå endnu et springbræt mod billeddannelsen af ​​jordlignende planeter omkring vores nabostjerner, sagde Markus Kasper, ledende videnskabsmand i NEAR-projektet og en medforfatter på papiret.

Holdet har til hensigt at gå i gang med endnu en billedkampagne om et par år, i et forsøg på at fange denne potentielle exoplanet i Alpha Centauri-systemet et andet sted, og for at se, om det ville være i overensstemmelse med, hvad der ville forventes baseret på modellering af dets forventede kredsløb. Yderligere spor kan komme fra opfølgende observationer ved brug af forskellige metoder.

Den næste generation af ekstremt store teleskoper, såsom Extremely Large Telescope of European Southern Observatory, og Giant Magellan Telescope, som University of Arizona producerer de primære spejle til, forventes at være i stand til at øge direkte observationer af nærliggende stjerner, der kan rumme planeter i deres beboelige zoner, med en faktor 10, Wagner forklarede. Kandidater at se på inkluderer Sirius, den klareste stjerne på nattehimlen, og Tau Ceti, som er vært for et indirekte observeret planetsystem, som Wagner og hans kolleger vil forsøge at afbilde direkte.

"At gøre den evne, der er demonstreret her til en rutinemæssig observationstilstand - at være i stand til at opfange varmesignaturer fra planeter, der kredser inden for de beboelige zoner af nærliggende stjerner - vil være en game changer for udforskningen af ​​nye verdener og for søgen efter liv i universet , " sagde undersøgelsens medforfatter Daniel Apai, en UArizona lektor i astronomi og planetarisk videnskab, der leder det NASA-finansierede Earths in Other Solar Systems-program, der delvist understøttede undersøgelsen.