วิธีถ่ายภาพโดยตรงคืออะไร?

Send

ยินดีต้อนรับกลับสู่ภาคล่าสุดในซีรี่ส์ของเราเกี่ยวกับวิธีการล่าสัตว์นอกระบบ วันนี้เราเริ่มต้นด้วยวิธีที่ยาก แต่มีแนวโน้มมากที่รู้จักกันในชื่อ Direct Imaging

ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาจำนวนของดาวเคราะห์ที่ค้นพบนอกระบบสุริยะของเราเติบโตขึ้นอย่างก้าวกระโดด เมื่อวันที่ 4 ตุลาคม 2561 ดาวเคราะห์นอกระบบทั้งหมด 3,869 ดวงได้รับการยืนยันในระบบดาวเคราะห์ 2,887 ระบบโดยมี 638 ระบบที่จัดการดาวเคราะห์หลายดวง น่าเสียดายเนื่องจากข้อ จำกัด ของนักดาราศาสตร์ถูกบังคับให้ต้องต่อสู้พวกเขาส่วนใหญ่ถูกตรวจพบโดยใช้วิธีการทางอ้อม

จนถึงขณะนี้มีเพียงดาวเคราะห์เพียงไม่กี่ดวงเท่านั้นที่ค้นพบโดยการถ่ายภาพขณะที่พวกเขาโคจรรอบดาวฤกษ์ของพวกเขา (aka. Direct Imaging) ในขณะที่มีความท้าทายเมื่อเทียบกับวิธีการทางอ้อมวิธีนี้เป็นวิธีที่มีแนวโน้มมากที่สุดเมื่อกล่าวถึงการจำแนกลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ จนถึงขณะนี้ดาวเคราะห์ 100 ดวงได้รับการยืนยันในระบบดาวเคราะห์ 82 ระบบโดยใช้วิธีนี้และคาดว่าจะมีอีกมากในอนาคตอันใกล้

รายละเอียด:

ตามชื่อที่แนะนำการถ่ายภาพโดยตรงประกอบด้วยการจับภาพดาวเคราะห์นอกระบบโดยตรงซึ่งเป็นไปได้โดยการค้นหาแสงที่สะท้อนจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด เหตุผลนี้เป็นเพราะที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดดาวฤกษ์น่าจะสว่างกว่าดาวเคราะห์ที่สะท้อนแสงเพียง 1 ล้านเท่าเท่านั้นแทนที่จะเป็นพันล้านเท่า (ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นกรณีที่ความยาวคลื่นของภาพ)

ข้อดีอย่างหนึ่งที่ชัดเจนที่สุดของ Direct Imaging คือมันมีแนวโน้มที่จะเกิดผลบวกน้อยกว่า ในขณะที่วิธีการขนส่งมีแนวโน้มที่จะเกิดผลบวกเท็จในกรณีที่เกี่ยวข้องกับระบบดาวเคราะห์เดี่ยว 40% (จำเป็นต้องมีการสำรวจติดตาม) ดาวเคราะห์ที่ตรวจพบโดยใช้วิธีการความเร็วเรเดียลนั้นต้องการการยืนยัน . ในทางตรงกันข้ามการถ่ายภาพโดยตรงทำให้นักดาราศาสตร์มองเห็นดาวเคราะห์ที่พวกเขากำลังค้นหา

ในขณะที่โอกาสในการใช้วิธีนี้เป็นสิ่งที่หายากไม่ว่าที่ไหนก็ตามที่สามารถทำการตรวจจับโดยตรงมันสามารถให้ข้อมูลที่มีค่าแก่นักวิทยาศาสตร์บนโลก ตัวอย่างเช่นโดยการตรวจสอบสเปกตรัมที่สะท้อนจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นักดาราศาสตร์จะสามารถรับข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับองค์ประกอบของมัน ข้อมูลนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจำแนกลักษณะดาวเคราะห์นอกระบบและการพิจารณาว่ามันน่าอยู่หรือไม่

ในกรณีของ Fomalhaut b วิธีนี้ทำให้นักดาราศาสตร์ได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการปฏิสัมพันธ์ของดาวเคราะห์กับดิสก์ก่อกำเนิดดาวเคราะห์ของดาววางข้อ จำกัด เกี่ยวกับมวลของดาวเคราะห์และยืนยันการมีอยู่ของระบบวงแหวนขนาดใหญ่ ในกรณีของ HR 8799 ปริมาณการแผ่รังสีอินฟราเรดที่สะท้อนจากชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ (รวมกับแบบจำลองของการก่อตัวดาวเคราะห์) ให้การประมาณคร่าวๆของมวลดาวเคราะห์

การถ่ายภาพโดยตรงทำงานได้ดีที่สุดสำหรับดาวเคราะห์ที่มีวงโคจรที่กว้างและมีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ (เช่นยักษ์ก๊าซ) นอกจากนี้ยังมีประโยชน์อย่างมากสำหรับการตรวจจับดาวเคราะห์ที่อยู่ในตำแหน่ง“ เผชิญหน้า” ซึ่งหมายความว่าพวกมันไม่ได้ผ่านหน้าดาวฤกษ์สัมพันธ์กับผู้สังเกตการณ์ สิ่งนี้ทำให้มีอิสระที่จะมีความเร็วรอบแนวรัศมีซึ่งมีประสิทธิภาพมากที่สุดในการตรวจจับดาวเคราะห์ที่เป็น "edge-on" ซึ่งดาวเคราะห์ทำการผ่านหน้าดาวของพวกมัน

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีอื่นการถ่ายภาพโดยตรงค่อนข้างยากเนื่องจากแสงเอฟเฟกต์ที่คลุมเครือจากดาวฤกษ์มี กล่าวอีกนัยหนึ่งเป็นการยากมากที่จะตรวจจับแสงที่สะท้อนจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์เมื่อดาวฤกษ์แม่ของมันสว่างกว่ามาก ดังนั้นโอกาสในการถ่ายภาพโดยตรงจึงเกิดขึ้นน้อยมากโดยใช้เทคโนโลยีในปัจจุบัน

ส่วนใหญ่ดาวเคราะห์สามารถตรวจจับได้โดยใช้วิธีนี้เมื่อพวกมันโคจรรอบระยะทางที่ไกลจากดาวฤกษ์ของพวกเขาหรือมีมวลมากเป็นพิเศษ สิ่งนี้ทำให้มันมีข้อ จำกัด อย่างมากเมื่อมาค้นหาดาวเคราะห์ (อาคา“ คล้ายโลก”) ที่โคจรเข้าใกล้ดาวของพวกเขา (เช่นภายในเขตเอื้ออาศัยของดาว) ดังนั้นวิธีนี้จึงไม่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบที่น่าอยู่

ตัวอย่างของการสำรวจการถ่ายภาพโดยตรง:

การตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบครั้งแรกที่เกิดขึ้นโดยใช้เทคนิคนี้เกิดขึ้นในเดือนกรกฎาคมปี 2004 เมื่อกลุ่มนักดาราศาสตร์ใช้หอสังเกตการณ์ขนาดใหญ่แห่งยุโรป (ESO) กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มาก (VLTA) เพื่อถ่ายภาพดาวเคราะห์หลายเท่ามวลดาวพฤหัสในระยะใกล้ 2M1207 - ดาวแคระน้ำตาลอยู่ห่างจากโลกประมาณ 200 ปีแสง

ในปี 2548 การสำรวจเพิ่มเติมยืนยันวงโคจรของดาวเคราะห์นอกระบบประมาณ 2M1207 อย่างไรก็ตามบางคนยังคงสงสัยว่านี่เป็นกรณีแรกของ "การถ่ายภาพโดยตรง" เนื่องจากความส่องสว่างต่ำของดาวแคระน้ำตาลเป็นสิ่งที่ทำให้การตรวจจับดาวเคราะห์เป็นไปได้ นอกจากนี้เนื่องจากมันโคจรรอบดาวแคระน้ำตาลทำให้บางคนแย้งว่ายักษ์ก๊าซไม่ใช่ดาวเคราะห์ที่เหมาะสม

ในเดือนกันยายนปี 2008 วัตถุถูกถ่ายด้วยการแยก 330 AU รอบดาวฤกษ์แม่ 1RXS J160929.1? 210524 ซึ่งอยู่ห่าง 470 ปีแสงในกลุ่มดาว Scorpius อย่างไรก็ตามมันไม่ได้เป็นจนถึงปี 2010 ที่ได้รับการยืนยันว่าเป็นดาวเคราะห์และเป็นสหายกับดาวฤกษ์

เมื่อวันที่ 13 พฤศจิกายน 2551 ทีมนักดาราศาสตร์ประกาศว่าพวกเขาจับภาพดาวเคราะห์นอกระบบที่โคจรรอบดาว Fomalhaut โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล การค้นพบนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากดิสก์ก๊าซและฝุ่นหนารอบ ๆ Fomalhaut และขอบด้านในที่แหลมซึ่งแสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์ได้กวาดล้างเศษขยะออกจากเส้นทางของมัน

การสำรวจติดตามด้วยฮับเบิลได้สร้างภาพของดิสก์ขึ้นมาซึ่งทำให้นักดาราศาสตร์สามารถค้นหาดาวเคราะห์ได้ ปัจจัยอีกประการหนึ่งคือความจริงที่ว่าดาวเคราะห์ดวงนี้ซึ่งเป็นมวลสองเท่าของดาวพฤหัสบดีถูกล้อมรอบด้วยระบบวงแหวนที่หนากว่าวงแหวนของดาวเสาร์หลายเท่า

ในวันเดียวกันนั้นนักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์จาก Keck Observatory และ Gemini Observatory ได้ประกาศว่าพวกเขาได้ถ่ายภาพดาวเคราะห์ 3 ดวงที่โคจรรอบ HR 8799 ซึ่งดาวเคราะห์เหล่านี้มีมวล 10, 10 และ 7 เท่าของดาวพฤหัส ความยาวคลื่น นี่เป็นผลมาจากความจริงที่ว่า HR 8799 นั้นเป็นดาวฤกษ์อายุน้อยและดาวเคราะห์รอบ ๆ มันถูกคาดว่าจะยังคงรักษาความร้อนของการก่อตัวของมันไว้

ในปี 2009 การวิเคราะห์ภาพย้อนหลังไปถึงปี 2003 เผยให้เห็นการมีอยู่ของดาวเคราะห์ที่โคจรรอบ Beta Pictoris ในปี 2012 นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์ Subaru ที่หอภูเขาไฟ Mauna Kea ประกาศการถ่ายภาพของ "Super-Jupiter" (มีมวล 12.8 เท่าของดาวพฤหัสบดี) โคจรรอบดาวแคปปาอันโดรเมเดในระยะทางประมาณ 55 AU (เกือบสองเท่าระยะทางของดาวเนปจูน ดวงอาทิตย์)

ผู้สมัครคนอื่น ๆ ถูกค้นพบในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แต่จนถึงตอนนี้พวกเขายังคงยืนยันว่าเป็นดาวเคราะห์และอาจเป็นดาวแคระน้ำตาล โดยรวมแล้วดาวเคราะห์นอกระบบ 100 ดวงได้รับการยืนยันโดยใช้วิธีถ่ายภาพโดยตรง (ประมาณ 0.3% ของดาวเคราะห์นอกระบบที่ได้รับการยืนยันทั้งหมด) และส่วนใหญ่เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่โคจรอยู่ในระยะทางไกลจากดาวฤกษ์ของพวกเขา

อย่างไรก็ตามสิ่งนี้คาดว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงในอนาคตอันใกล้เนื่องจากมีกล้องโทรทัศน์และเทคโนโลยีอื่น ๆ สิ่งเหล่านี้รวมถึงกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินที่ติดตั้งเลนส์ออพติคอลที่ปรับตัวได้เช่น Thirty Meter Telescope (TMT) และ Magellan Telescope (GMT) พวกเขายังรวมถึงกล้องโทรทรรศน์ที่ขึ้นอยู่กับ coronography (เช่นกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (JWST) ที่ซึ่งอุปกรณ์ภายในกล้องโทรทรรศน์ใช้เพื่อป้องกันแสงจากดาวฤกษ์

อีกวิธีหนึ่งที่ได้รับการพัฒนาเรียกว่า "starshade" ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่อยู่ในตำแหน่งปิดกั้นแสงจากดวงดาวก่อนที่มันจะเข้าสู่กล้องโทรทรรศน์ สำหรับกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่กำลังมองหาดาวเคราะห์นอกระบบดวงดาวจะเป็นยานอวกาศที่แยกจากกันออกแบบมาเพื่อวางตำแหน่งตัวเองในระยะทางและมุมที่ถูกต้องเพื่อป้องกันแสงจากนักดาราศาสตร์ดาว

เรามีบทความที่น่าสนใจมากมายเกี่ยวกับการสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบที่นี่ที่ Space Magazine นี่คือวิธีการขนส่งคืออะไรวิธีการของ Radial Velocity คืออะไรวิธีการ Grarolational Microlensing คืออะไรและจักรวาลของ Kepler: ดาวเคราะห์ในกาแลคซีของเรามากกว่าดาว

นักดาราศาสตร์ยังมีตอนที่น่าสนใจในเรื่องอีกด้วย นี่คือตอนที่ 367: สปิตเซอร์ทำดาวเคราะห์นอกระบบและตอนที่ 512: การถ่ายภาพโดยตรงของดาวเคราะห์นอกระบบ

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมอย่าลืมตรวจสอบหน้าของนาซาเกี่ยวกับการสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบ, หน้าดาวเคราะห์ของสังคมบนดาวเคราะห์นอกระบบและการเก็บถาวรดาวเคราะห์นอกระบบของนาซา / คาลเทค

แหล่งที่มา: