Naturlige stjerneskærme ville hjælpe astronomer med at afbilde exoplaneter

I de sidste par årtier, studiet af ekstrasolare planeter er vokset med stormskridt, med bekræftelsen af ​​over 4000 exoplaneter. Med så mange planeter tilgængelige for undersøgelse, fokus for exoplanetforskere skifter fra opdagelse til karakterisering. I de kommende år, nye teknologier og næste generations teleskoper vil også muliggøre direkte billeddannelsesstudier, hvilket i høj grad vil forbedre vores forståelse af exoplanetatmosfærer.

For at lette denne proces, astronomer vil stole på dyre teknologier som koronagrafer og stjerneskærme, som blokerer lyset fra en stjerne, så alle planeter, der kredser om den, bliver mere synlige. Imidlertid, ifølge en ny undersøgelse foretaget af et internationalt hold af astronomer og kosmologer, formørkende binære stjerner kunne give al den skygge, der er nødvendig for direkte at afbilde planeter, der kredser om dem.

Studiet, som for nylig dukkede op på nettet, blev ledet af Stefano Bellotti, en ph.d. studerende ved L'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) ved universitetet i Toulouse. Han fik selskab af forskere fra Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Steward Observatory, Japans National Astronomical Observatory (NAOJ), og NASAs Ames Research Center.

Som navnet antyder, den direkte billeddannelsesmetode består i at studere planeter direkte ved at analysere lys reflekteret fra deres overflader og/eller atmosfærer. Denne metode er lukrativ, når det kommer til exoplanetundersøgelser, da den giver astronomer mulighed for at opnå spektre direkte fra en planets atmosfære, dermed afsløre dens kemiske sammensætning og om den kunne være beboelig eller ej.

Disse og andre fordele blev præciseret af Bellotti, som talte med Universe Today via e-mail:"Først og fremmest, denne metode giver dig et pålideligt "ja" eller "nej" svar:Planeten (eller planeterne) er der, eller den er det ikke. Desuden, fordi denne metode giver os mulighed for direkte at indsamle lyset, der kommer fra en planet, vi kan direkte undersøge den kemiske sammensætning af dens atmosfære og få en idé om dens funktioner (skyer). Ultimativt, denne information gør det muligt for os at vurdere planetens beboelighed, som er det nuværende hovedfokus for exoplanetariske videnskaber."

Imidlertid, denne metode giver en række udfordringer, da stjernelys sandsynligvis vil være 1 milliard gange stærkere end noget lys, der reflekteres fra dets planeter. Forskere er i stand til at reducere denne uoverensstemmelse med en størrelsesorden (hvor stjernerne fremstår 1 million gange lysere) ved at undersøge reflekteret lys i det infrarøde spektrum.

På grund af disse begrænsninger, kun 50 planeter er blevet opdaget ved hjælp af den direkte billeddannelsesmetode til dato. For det meste, disse planeter har været gasgiganter, der har brede kredsløb omkring deres stjerner. Astronomer forventer, at næste generations teleskoper, der er afhængige af adaptiv optik, koronagrafier, eller et endda et kredsende rumfartøj (som NASAs foreslåede Starshade), vil være i stand til at afbilde mindre, klippeplaneter, der kredser tættere på deres planeter.

Af hensyn til deres studie, imidlertid, Bellotti og hans kolleger undersøgte potentialet for at formørke binære filer for at udføre det samme job, men uden nogen af ​​de dyre værktøjer involveret. Som navnet antyder, formørkende binære systemer består af to stjerner, der periodisk passerer foran hinanden i forhold til observatøren. Når dette sker, lysstyrken af ​​en stjerne i systemet er midlertidigt blokeret, fører til en reduktion af lysstyrken.

Ved at bruge formørkende binære filer, forklarede Bellotti, astronomer kan drage fordel af, at stjernesystemet allerede gennemgår periodisk dæmpning - hvilket er forudsigeligt og kan times nøjagtigt.

"I denne forstand, formørkelsesbegivenheden undertrykker stjernelyset, der kommer fra binæren på en naturlig måde, og resulterer derfor i en øget kontrast mellem den binære og en potentiel planet. Imidlertid, formørkelseshændelsen betragtes ikke som en erstatning for koronagrafier eller kunstige stjerneskærme, men det kan opfattes som et ekstra værktøj til at bruge sammen med dem for at opnå forbedrede kontrastniveauer. Ja, fordi under [en] formørkelse bliver det binære system punktlignende som en enkelt stjerne, teknikker såsom koronagrafi kan anvendes til at blokere lyset af hele binæren i ét skud."

For at teste dette, holdet udvalgte formørkende binære filer fra flere stjernekataloger, hvis lysstyrke falder med en faktor på 10 under en formørkelse. De skelnede også mellem typer af exoplaneter baseret på, om de udsender deres eget lys - aka. selvlysende (SL) – eller reflektere lys (RL). De simulerede derefter, hvordan lyse planeter i kredsløb ville se ud baseret på deres masse, og om de ville være synlige ved hjælp af nuværende eller fremtidige teleskoper.

"Omkring to mål, [U Cephei] og [AC Scuti] henholdsvis, vi er [følsomme] over for planeter med omkring 4,5 Jupiter-masser og ni Jupiter-masser med nuværende jord- eller rumbaserede instrumenter i nær fremtid, og omkring 1,5 Jupiter-masser og seks Jupiter-masser med fremtidige jordbaserede observatorier (såsom [Extremely Large Telescope (ELT)], sagde Bellotti.

For planeter med reflekteret lys, de valgte tre formørkende binære filer, der var tættest på Jorden:V1412 Aquilae, RR Caeli, og RT Pictoris. For disse systemer, de brugte Jupiter, Venus og Jorden som skabeloner for alle mulige exoplaneter. Også her, de opnåede nogle positive resultater.

"Vi konkluderede, at en Jupiter-lignende planet ved en planet-stjerne-adskillelse på 20 [milli buesekunder] kunne afbildes med fremtidige jord- og rumbaserede teknologier omkring alle tre mål, " tilføjede Bellotti. "En Venus-lignende planet ved samme adskillelse kan muligvis spores omkring RR Cae og RT Pic, men en beboelig jordlignende planet er udfordrende, da planet-stjerne-adskillelsen er for lille sammenlignet med vinkeladskillelsesgrænsen for moderne koronografi."

I de kommende år, jordbaserede observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), Thirty Meter Telescope (TMT), og Giant Magellan Telescope (GMT) forventes at muliggøre direkte billeddannelsesundersøgelser af jordlignende exoplaneter. Tilsvarende James Webb Space Telescope (JWST) og Nancy Grace Roman Space Telescope (RST) vil have banebrydende infrarøde instrumenter, som også vil være i stand til at studere exoplanetatmosfærer direkte.

Mens disse næste generations teleskoper vil have en bedre mulighed for at observere exoplaneter direkte, det er opmuntrende at vide, at mindre avancerede observatorier stadig kunne udføre direkte billeddannelsesundersøgelser, når det drejer sig om formørkende binære billeder. Hvad mere er, disse stjernesystemer kunne også give muligheder for avancerede teleskoper, da de vil være i stand til at få et bedre kig på exoplaneter, når deres stjerner er formørket.