ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาจำนวนของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่ตรวจพบและยืนยันได้เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ ในปัจจุบันการมีอยู่ของดาวเคราะห์นอกระบบ 3,778 ดวงได้รับการยืนยันในระบบดาวเคราะห์ 2,818 แห่งโดยมีผู้สมัครอีก 2,737 คนที่รอการยืนยัน ด้วยปริมาณของดาวเคราะห์ที่มีอยู่สำหรับการศึกษาจุดสนใจของการวิจัยดาวเคราะห์นอกระบบได้เริ่มเปลี่ยนจากการตรวจจับไปสู่การจำแนกลักษณะ
ตัวอย่างเช่นนักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจมากขึ้นในการจำแนกลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบเพื่อให้พวกเขาสามารถพูดด้วยความมั่นใจว่าพวกเขามีส่วนผสมที่เหมาะสมสำหรับชีวิต (เช่นไนโตรเจน, คาร์บอนไดออกไซด์และอื่น ๆ ) น่าเสียดายนี่เป็นเรื่องยากมากที่ใช้วิธีการปัจจุบัน อย่างไรก็ตามจากการศึกษาใหม่โดยทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติเครื่องมือรุ่นใหม่ที่พึ่งพาการถ่ายภาพโดยตรงจะเป็นเครื่องเปลี่ยนเกม
การศึกษา“ การถ่ายภาพโดยตรงในแสงสะท้อน: การศึกษาลักษณะของดาวเคราะห์นอกระบบที่อายุมากกว่าและอุณหภูมิ 30 เท่า” เมื่อไม่นานมานี้ปรากฏตัวทางออนไลน์ การศึกษาครั้งนี้นำโดย Michael Fitzgerald และ Ben Mazin ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียลอสแองเจลิส (UCLA) และเก้าอี้ Worster Chair สาขาฟิสิกส์ทดลองที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานตาบาร์บาร่า (UCSB) ตามลำดับ
พวกเขาเข้าร่วมโดยนักวิจัยจากสถาบันวิจัยทัพดาวเคราะห์นอกระบบของมหาวิทยาลัยมอนทรีออล (iREX) ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion ขององค์การนาซ่าหอสังเกตการณ์ Carnegie หอสังเกตการณ์สจ๊วตหอดูดาวดาราศาสตร์แห่งชาติญี่ปุ่นสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) รัฐแคลิฟอร์เนีย สถาบันเทคโนโลยี (Caltech) และมหาวิทยาลัยหลายแห่ง
ตามที่ระบุในการศึกษาความสามารถของเราในการจำแนกลักษณะดาวเคราะห์นอกระบบในปัจจุบันมี จำกัด ตัวอย่างเช่นวิธีการในปัจจุบันของเราซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดวิธีการขนส่งและการแผ่รังสีเรเดียลทำให้มีการค้นพบดาวเคราะห์ระยะสั้นหลายพันดวง (ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยเวลาประมาณ 10 วัน) อย่างไรก็ตามความไวของวิธีการเหล่านี้เริ่มลดลงอย่างมีนัยสำคัญยิ่งดาวเคราะห์นอกระบบมาจากดวงอาทิตย์
ดาวเคราะห์ระยะยาวยังมีอะไรอีกมากที่ไม่สามารถเข้าถึงได้เท่าที่สเปคตรัมเกี่ยวข้อง การวิเคราะห์ประเภทนี้เกี่ยวข้องกับการวัดแสงที่ผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ในขณะที่เคลื่อนผ่านจากดาวฤกษ์ โดยการวัดสเปกตรัมเพื่อตรวจสอบองค์ประกอบของมันนักวิทยาศาสตร์สามารถกำหนดลักษณะของดาวเคราะห์นอกระบบและตรวจสอบว่าดาวเคราะห์สามารถอยู่อาศัยได้จริงหรือไม่
ในการพูดถึงสิ่งนี้ทีมแนะนำว่าการตรวจจับโดยตรง (aka. การถ่ายภาพโดยตรง) จะเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับการจำแนกลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ ในฐานะดร. Étienne Artigau นักวิจัย iREX และผู้เขียนร่วมในการศึกษาอธิบายให้นิตยสารอวกาศผ่านทางอีเมล (แปลจากภาษาฝรั่งเศส)
“ ไม่พบดาวเคราะห์ที่ตรวจพบในตอนนี้ใน“ แสงสะท้อน” เมื่อเราเห็นดาวเคราะห์ของระบบสุริยะของเรามันเป็นเพราะพวกมันส่องสว่างจากดวงอาทิตย์ที่เราเห็นพวกมัน ในทำนองเดียวกันดาวเคราะห์ของดวงดาวอื่นจะสะท้อนแสงและจะต้องสามารถตรวจจับแสงนี้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ทรงพลังอย่างเพียงพอ อัตราส่วนฟลักซ์ระหว่างดาวเคราะห์กับดาวฤกษ์ของพวกมันนั้นมีมากถึง 1 พันล้านเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับดาวเคราะห์ที่ตรวจพบโดยการแผ่รังสีความร้อนหรืออัตราส่วนนี้ค่อนข้างเป็นลำดับ 1 ล้าน”
ในปัจจุบันการถ่ายภาพโดยตรงเป็นวิธีเดียวในการได้รับสเปกตรัมของดาวเคราะห์นอกระบบที่ไม่ผ่านการเปลี่ยนผ่านโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระยะกลางและกว้างจากดวงอาทิตย์ ในกรณีนี้นักดาราศาสตร์ได้สเปคตรัมจากแสงที่สะท้อนจากชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบเพื่อกำหนดองค์ประกอบของมัน มีเพียงดาวเคราะห์นอกระบบเพียงไม่กี่แห่งเท่านั้นที่ถูกถ่ายภาพโดยตรงซึ่งทั้งหมดนี้เป็นซุปเปอร์จูปิเตอร์ส่องสว่างในตัวเองซึ่งโคจรรอบดาวฤกษ์แม่ของพวกมันในระยะทางนับร้อยหรือพัน AU
ดาวเคราะห์เหล่านี้ยังเด็กมากและมีอุณหภูมิเกิน 500 ° C (932 ° F) ซึ่งทำให้พวกมันเป็นดาวเคราะห์ที่ค่อนข้างหายาก เป็นผลให้นักดาราศาสตร์ไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับความหลากหลายของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมันมาถึงดาวเคราะห์หินขนาดเล็กที่มีอุณหภูมิคล้ายกับโลกมากขึ้นซึ่งอุณหภูมิพื้นผิวเฉลี่ยประมาณ 15 ° C (58.7 ° F)
นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ากล้องโทรทรรศน์ที่มีอยู่นั้นไม่มีความไวต่อภาพดาวเคราะห์ขนาดเล็กโดยตรงที่โคจรเข้าใกล้ดวงดาวมากขึ้น เมื่อพวกเขาพิจารณาในการศึกษาของพวกเขาการระบุลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่อยู่ภายใน 5 AU ของดาวฤกษ์ของพวกเขา (ที่ซึ่งการสำรวจความเร็วของแนวรัศมีได้เปิดเผยดาวเคราะห์จำนวนมาก) จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่มีรูรับแสง 30 เมตรพร้อมเลนส์ออพติคอล ชุดสเปคโตรมิเตอร์และอิมเมจ
“ ในระยะสั้นไม่มีกล้องโทรทรรศน์ในปัจจุบันที่สามารถตรวจจับดาวเคราะห์เหล่านี้แม้จะอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เรามาก แต่ก็มีเหตุผลทุกประการที่เชื่อว่ากล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไปที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 เมตรและอื่น ๆ สามารถทำได้” Artiqua “ ไม่แน่ใจว่าจะสามารถตรวจพบดาวเคราะห์ดวงแรกในโลกได้ แต่อย่างน้อยก็ควรจะสามารถตรวจจับดาวเคราะห์ที่เปรียบเทียบได้กับดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนซึ่งจะเป็นผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม”
สิ่งอำนวยความสะดวกรุ่นต่อไปและเครื่องมือปรับเลนส์แบบปรับตัวได้นี้ประกอบด้วย Planetary Systems Imager (PSI) บน Thirty Meter Telescope (TMT) ซึ่งเสนอให้สร้างบน Mauna Kea รัฐฮาวาย และมีเครื่องมือ GMagAO-X บนกล้องโทรทรรศน์ยักษ์มาเจลลัน (GMT) ซึ่งกำลังก่อสร้างที่หอดูดาว Las Campanas และกำหนดให้แล้วเสร็จในปี 2025
ดังที่อาร์ติเการะบุว่าการสำรวจที่ดำเนินการด้วยเครื่องมือรุ่นต่อไปนี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับและกำหนดลักษณะของดาวเคราะห์ในวงกว้างได้กว้างขึ้นรวมทั้งสามารถมองหาสัญญาณบ่งชี้ชีวิตที่เป็นไปได้ (เช่นชีวประวัติ)
“ สิ่งนี้จะช่วยให้เราศึกษาแสงที่มาจากดาวเคราะห์ได้โดยตรงใหญ่กว่าโลกเพียงเล็กน้อย (และอาจจะเหมือนกับโลกถ้าเรามองโลกในแง่ดี) นี่เป็นโอกาสที่ดีที่สุดในการค้นหาลายเซ็นชีวิตในบรรยากาศเหล่านี้ แม้ว่าเราจะไม่พบสิ่งมีชีวิต แต่มันก็เป็นไปได้ที่จะเข้าใจทั้งชั้นของดาวเคราะห์ที่เราเห็นทางอ้อม (การผ่านหน้า, ความเร็วในแนวรัศมี) แต่เราไม่รู้อะไรเลย ... ความสำคัญของการถ่ายภาพโดยตรงคือ ชั้นบรรยากาศและแม้แต่พื้นผิวของดาวเคราะห์เหล่านี้ การเพิ่มสเปคโตรกราฟความละเอียดสูงยังทำให้เกิดความคิดเกี่ยวกับลมและการไหลเวียนของลมทั่วโลกเช่นเดียวกับการตรวจสอบการปรากฏตัวของโมเลกุลต่าง ๆ ”
แน่นอนว่ายังคงมีข้อ จำกัด สำหรับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์สามารถเรียนรู้โดยใช้วิธีถ่ายภาพโดยตรงแม้จะใช้เครื่องมือและกล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไปในการกำจัด แต่ความเป็นไปได้และความหมายของการวิจัยดาวเคราะห์นอกระบบนั้นไม่มีอะไรมากนัก สำหรับผู้เริ่มต้นนักดาราศาสตร์จะสามารถเข้าใจแนวคิดประชากรศาสตร์ของดาวเคราะห์หินขนาดเล็กที่โคจรรอบภายในเขตเอื้ออาศัยของดาวเหล่านั้น
“ การตรวจจับดาวเคราะห์ที่อาจอยู่ได้นั้นเป็นกรณีที่น่าตื่นเต้นที่สุดที่นี่ แต่สิ่งสำคัญคือต้องระลึกไว้เสมอว่ามันจะยังคงยากอยู่แม้ว่าจะใช้กล้องโทรทรรศน์ระยะ 30 เมตรก็ตาม “ เมื่อเราทำการทำนายทางสถิติควรมีดาวเคราะห์ภาคพื้นดินเพียงไม่กี่ (อาจน้อยกว่า 10) ซึ่งจะสามารถเข้าถึงได้และจะมีอุณหภูมิเทียบเท่ากับของเรา”
ภายในช่วงดาวเคราะห์นี้อาร์ติเกาและเพื่อนร่วมงานของเขาสามารถจินตนาการถึงสถานการณ์ที่น่าสนใจมากมาย ยกตัวอย่างเช่นบางคนอาจมีลักษณะคล้ายดาวศุกร์ซึ่งบรรยากาศหนาแน่นและวงโคจรที่ค่อนข้างใกล้ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกที่หลบหนี คนอื่นอาจเป็นเหมือนดาวอังคารที่ซึ่งลมสุริยะหรือการระเบิดได้สลายชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ออกไป นอกเหนือจากนั้นอาจมีดาวเคราะห์ภาคพื้นดินที่เราไม่สามารถจินตนาการได้
“ ในระยะสั้นดาวเคราะห์ที่อาศัยอยู่ได้ดีกว่าเรามาก” ดร. อาร์ติเกากล่าวสรุป “ ความหลากหลายของดาวเคราะห์นอกระบบนี้ก็หมายความว่าเราจะต้องระมัดระวังเมื่อเราทำนายว่ามันจะอยู่อาศัยได้”
“ บรรทัดล่างคือเราสามารถทำสิ่งที่น่าอัศจรรย์ในการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบด้วยกล้องโทรทรรศน์ 30 ม. แต่จำเป็นต้องมีการลงทุนด้านเทคโนโลยีที่สำคัญเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการสร้างเครื่องมือเหล่านี้สำหรับกล้องโทรทรรศน์ระยะ 30 เมตร” Mazin กล่าว
การศึกษานี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากความช่วยเหลือเพิ่มเติมจากสภาวิจัยแห่งชาติแคนาดา (NRC) และองค์กรกล้องโทรทรรศน์แมเจลแลนยักษ์ (GMTO) คอร์ปอเรชั่น
