A sinistra, un'immagine della Terra dalla fotocamera DSCOVR-EPIC. Esatto, la stessa immagine è degradata a una risoluzione di 3 x 3 pixel, simile a ciò che i ricercatori vedranno nelle future osservazioni sugli esopianeti (NOAA / NASA / STEPHEN KANE)

Chiedi a Ethan: come sarà la nostra prima immagine diretta di un esopianeta simile alla terra?

Saresti sorpreso di ciò che puoi imparare anche da un solo pixel.

Nell'ultimo decennio, grazie in gran parte alla missione Keplera della NASA, la nostra conoscenza dei pianeti attorno ai sistemi stellari oltre la nostra è aumentata enormemente. Da pochi mondi - per lo più massicci, con orbite interne rapide e attorno a stelle di massa inferiore - a letteralmente migliaia di dimensioni molto diverse, ora sappiamo che mondi di dimensioni terrestri e leggermente più grandi sono estremamente comuni. Con la prossima generazione di osservatori provenienti sia dallo spazio (come il James Webb Space Telescope) sia dal suolo (con osservatori come GMTand ELT), i mondi più vicini di questo tipo potranno essere fotografati direttamente. Come sarà? Questo è ciò che il sostenitore di Patreon Tim Graham vuole sapere, chiedendo:

Che tipo di risoluzione possiamo aspettarci? [A] solo pochi pixel o alcune funzioni visibili?

L'immagine stessa non sarà impressionante. Ma ciò che ci insegnerà è tutto ciò che potremmo ragionevolmente sognare.

Rappresentazione di un artista di Proxima in orbita attorno a Proxima Centauri. Con i telescopi di classe da 30 metri come GMT e ELT, saremo in grado di immaginarlo direttamente, così come di tutti i mondi esterni, ma non ancora rilevati. Tuttavia, non sarà simile a questo attraverso i nostri telescopi. (ESO / M. KORNMESSER)

Prima di tutto prendiamo le cattive notizie. Il sistema stellare più vicino a noi è il sistema Alpha Centauri, a sua volta situato a poco più di 4 anni luce di distanza. Si compone di tre stelle:

  • Alpha Centauri A, che è una stella simile al Sole (classe G),
  • Alpha Centauri B, che è un po 'più freddo e meno massiccio (classe K), ma orbita attorno a Alpha Centauri A a una distanza dai giganti gassosi del nostro Sistema Solare, e
  • Proxima Centauri, che è molto più fresco e meno massiccio (classe M), ed è noto per avere almeno un pianeta delle dimensioni della Terra.

Mentre potrebbero esserci molti più pianeti attorno a questo sistema stellare trinitario, il fatto è che i pianeti sono piccoli e le distanze per loro, in particolare al di là del nostro Sistema Solare, sono enormi.

Questo diagramma mostra il nuovo sistema ottico a 5 specchi dell'Extremely Large Telescope (ELT) dell'ESO. Prima di raggiungere gli strumenti scientifici, la luce viene prima riflessa dal gigantesco specchio primario segmentato concavo di 39 metri (M1) del telescopio, quindi rimbalza su due ulteriori specchi di classe di 4 metri, uno convesso (M2) e uno concavo (M3). Gli ultimi due specchi (M4 e M5) formano un sistema di ottica adattiva incorporato per consentire la formazione di immagini estremamente nitide sul piano focale finale. Questo telescopio avrà più potere di raccolta della luce e una migliore risoluzione angolare, fino a 0,005

Il più grande telescopio in costruzione, l'ELT, avrà un diametro di 39 metri, il che significa che ha una risoluzione angolare massima di 0,005 secondi d'arco, dove 60 secondi d'arco compongono 1 minuto d'arco e 60 minuti d'arco compongono 1 grado. Se metti un pianeta delle dimensioni di una Terra alla distanza di Proxima Centauri, la stella più vicina oltre il nostro Sole a 4,24 anni luce, avrebbe un diametro angolare di 67 secondi di micro-arco (μas), il che significa che anche il nostro più potente telescopio in arrivo sarebbe circa un fattore 74 troppo piccolo per risolvere completamente un pianeta delle dimensioni della Terra.

Il meglio che potevamo sperare era un singolo pixel saturo, in cui la luce si diffondeva nei pixel adiacenti circostanti sulle nostre telecamere più avanzate e ad alta risoluzione. Visivamente, è un'enorme delusione per chiunque spera di ottenere una vista spettacolare come le illustrazioni che la NASA ha realizzato.

Concezione dell'artista dell'esopianeta Kepler-186f, che può esibire proprietà simili alla Terra (o prime, simili alla Terra senza vita). Per quanto stimolanti siano le immagini come queste, sono semplici speculazioni e i dati in arrivo non forniranno alcuna vista simile a questa. (NASA AMES / SETI INSTITUTE / JPL-CALTECH)

Ma è qui che finisce la delusione. Utilizzando la tecnologia coronagraph, saremo in grado di bloccare la luce dalla stella madre, osservando direttamente la luce dal pianeta. Certo, avremo solo un pixel di valore di luce, ma non sarà affatto un pixel continuo e costante. Invece, potremo monitorare quella luce in tre modi diversi:

  1. In una varietà di colori, fotometricamente, ci insegna quali sono le proprietà ottiche generali di qualsiasi pianeta immaginato.
  2. Spettroscopicamente, il che significa che possiamo rompere quella luce nelle sue singole lunghezze d'onda e cercare le firme di particolari molecole e atomi sulla sua superficie e nella sua atmosfera.
  3. Nel tempo, il che significa che possiamo misurare come entrambi i cambiamenti sopra cambiano mentre il pianeta ruota sul suo asse e ruota, stagionalmente, attorno alla sua stella madre.

Da un solo pixel di luce, possiamo determinare tutta una serie di proprietà su qualsiasi mondo in questione. Ecco alcuni dei punti salienti.

Illustrazione di un sistema esoplanetario, potenzialmente con un esomoone in orbita attorno ad esso. (NASA / DAVID HARDY, VIA ASTROART.ORG)

Misurando la luce che si riflette su un pianeta nel corso della sua orbita, saremo sensibili a una varietà di fenomeni, alcuni dei quali già vediamo sulla Terra. Se il mondo ha una differenza in albedo (riflettività) da un emisfero a un altro e ruota in qualsiasi modo diverso da uno che è ordinato in modo ordinato alla sua stella in una risonanza 1: 1, saremo in grado di vedere un segnale periodico emergendo mentre il lato rivolto verso le stelle cambia con il tempo.

Un mondo con continenti e oceani, per esempio, mostrerebbe un segnale che saliva e scendeva in una varietà di lunghezze d'onda, corrispondente alla porzione che era alla luce diretta del sole che rifletteva quella luce sui nostri telescopi qui nel Sistema Solare.

Centinaia di pianeti candidati sono stati scoperti finora nei dati raccolti e rilasciati dal Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA, e otto di questi sono stati finora confermati da misurazioni di follow-up. Tre degli esopianeti più singolari e interessanti sono illustrati qui, con molti altri a venire. Alcuni dei mondi più vicini a essere scoperti da TESS saranno candidati per essere simili alla Terra e alla portata dell'imaging diretto. (NASA / MIT / TESS)

Grazie alla potenza dell'imaging diretto, potremmo misurare direttamente i cambiamenti del tempo atmosferico su un pianeta oltre il nostro sistema solare.

Le immagini composite 2001-2002 del Blue Marble, costruite con i dati della NASA Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). Mentre un esopianeta ruota e i suoi cambiamenti climatici, possiamo prendere in giro o ricostruire le variazioni nei rapporti continente planetario / oceano / calotta glaciale, nonché il segnale di copertura nuvolosa. (NASA)

La vita può essere un segnale più difficile da prendere in giro, ma se ci fosse un esopianeta con la vita su di esso, simile alla Terra, vedremmo alcuni cambiamenti stagionali molto specifici. Sulla Terra, il fatto che il nostro pianeta ruoti sul suo asse significa che in inverno, dove il nostro emisfero è rivolto lontano dal Sole, le calotte polari diventano più grandi, i continenti diventano più riflettenti con la neve che si estende verso le latitudini più basse, e il mondo diventa meno verde nel suo colore generale.

Al contrario, in estate, il nostro emisfero è rivolto verso il sole. Le calotte polari si restringono mentre i continenti diventano verdi: il colore dominante della vita vegetale sul nostro pianeta. Cambiamenti stagionali simili influenzeranno la luce proveniente da qualsiasi esopianeta che immaginiamo, permettendoci di stimolare non solo le variazioni stagionali, ma le variazioni percentuali specifiche nella distribuzione del colore e nella riflettività.

In questa immagine di Titano, la foschia e l'atmosfera del metano sono mostrate in un blu quasi trasparente, con le caratteristiche della superficie sotto le nuvole visualizzate. Per creare questa vista è stato utilizzato un composito di luce ultravioletta, ottica e infrarossa. Combinando set di dati simili nel tempo per un esopianeta a immagine diretta, anche con un solo pixel, potremmo ricostruire un'enorme quantità di proprietà atmosferiche, di superficie e stagionali. (ISTITUTO DI SCIENZA DELLA NASA / JPL / SPACE)

Dovrebbero emergere anche le caratteristiche planetarie e orbitali generali. A meno che non abbiamo osservato un transito planetario dal nostro punto di vista - in cui il pianeta in questione passa tra noi e la stella che orbita - non possiamo conoscere l'orientamento della sua orbita. Questo significa che non possiamo sapere quale sia la massa del pianeta; possiamo solo conoscere una combinazione della sua massa e l'angolo di inclinazione dell'orbita.

Ma se possiamo misurare come la luce da essa cambia nel tempo, possiamo dedurre come devono essere le sue fasi e come queste cambiano nel tempo. Possiamo usare queste informazioni per spezzare quella degenerazione e determinare la sua massa e inclinazione orbitale, nonché la presenza o l'assenza di grandi lune attorno a quel pianeta. Anche da un solo pixel, il modo in cui la luminosità cambia una volta sottratti il ​​colore, la copertura nuvolosa, la rotazione e le variazioni stagionali dovrebbe consentirci di imparare tutto questo.

Le fasi di Venere, viste dalla Terra, sono analoghe alle fasi di un esopianeta mentre orbita attorno alla sua stella. Se il lato

Questo sarà importante per un numero enorme di ragioni. Sì, la grande, ovvia speranza è che troveremo un'atmosfera ricca di ossigeno, forse anche accoppiata a una molecola inerte ma comune come il gas azoto, creando un'atmosfera davvero simile alla Terra. Ma possiamo andare oltre e cercare la presenza di acqua. Si possono anche cercare altre firme della vita potenziale, come metano e anidride carbonica. E un altro avanzamento divertente che è molto sottovalutato oggi arriverà nell'imaging diretto dei mondi della super-Terra. Quali hanno buste giganti di idrogeno ed elio e quali no? In modo diretto, saremo finalmente in grado di tracciare una linea conclusiva.

Lo schema di classificazione dei pianeti come roccioso, simile a Nettuno, simile a Giove o simile a stellare. Il confine tra la Terra e la Nettuno è oscuro, ma l'imaging diretto dei mondi super-Terra candidati dovrebbe consentirci di determinare se esiste o meno un involucro di gas attorno a ciascun pianeta in questione. (CHEN AND KIPPING, 2016, VIA ARXIV.ORG/PDF/1603.08614V2.PDF)

Se volessimo davvero immaginare le caratteristiche di un pianeta oltre il nostro Sistema Solare, avremmo bisogno di un telescopio centinaia di volte più grande di quelli più grandi attualmente in programma: più chilometri di diametro. Fino a quel giorno, tuttavia, non vediamo l'ora di apprendere così tante cose importanti sui mondi simili alla Terra più vicini nella nostra galassia. TESS è là fuori, sta cercando quei pianeti proprio ora. James Webb è completo, in attesa della sua data di lancio nel 2021. Sono in cantiere tre telescopi di classe da 30 metri, con il primo (GMT) previsto per essere online nel 2024 e il più grande (ELT) per vedere la prima luce nel 2025. A questo punto tra un decennio, avremo dati di immagine diretta (ottica e infrarossa) su dozzine di mondi di dimensioni terrestri e leggermente più grandi, al di là del nostro Sistema Solare.

Un singolo pixel potrebbe non sembrare molto, ma quando pensi a quanto possiamo imparare - sulle stagioni, il tempo, i continenti, gli oceani, le calotte polari e persino la vita - è abbastanza per toglierti il ​​respiro.

Invia le tue domande a Ethan a startwithabang su gmail dot com!

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.