Kiri, gambar Bumi dari kamera DSCOVR-EPIC. Benar, gambar yang sama terdegradasi ke resolusi 3 x 3 piksel, mirip dengan apa yang akan dilihat oleh peneliti di pengamatan planet ekstrasurya masa depan. (NOAA / NASA / STEPHEN KANE)

Tanyakan Ethan: Seperti Apa Citra Langsung Pertama Kita Tentang Sebuah Planet Ekoplanet Seperti Bumi?

Anda akan kagum dengan apa yang dapat Anda pelajari dari satu piksel saja.

Selama dekade terakhir, sebagian besar karena misi Kepler NASA, pengetahuan kita tentang planet di sekitar sistem bintang di luar kita sendiri telah meningkat pesat. Dari hanya beberapa dunia - sebagian besar masif, dengan orbit yang cepat, dalam, dan sekitar bintang bermassa rendah - hingga ribuan ukuran yang sangat bervariasi, kita sekarang tahu bahwa dunia yang berukuran Bumi dan sedikit lebih besar adalah sangat umum. Dengan generasi berikutnya dari observatorium yang datang dari kedua ruang (seperti James Webb Space Telescope) dan tanah (dengan observatorium seperti GMT dan ELT), dunia terdekat yang akan dapat langsung dicitrakan. Akan seperti apa itu? Itulah yang ingin diketahui oleh pendukung Patreon, bertanya:

Bisakah kita mengharapkan resolusi seperti itu? [A] beberapa piksel saja atau beberapa fitur terlihat?

Gambar itu sendiri tidak akan mengesankan. Tetapi apa yang akan diajarkannya adalah segala yang dapat kita impikan secara wajar.

Terjemahan artis tentang Proxima b yang mengorbit Proxima Centauri. Dengan teleskop kelas 30 meter seperti GMT dan ELT, kami akan dapat langsung mencitrakannya, serta dunia luar yang belum terdeteksi. Namun, tidak akan terlihat seperti ini melalui teleskop kami. (ESO / M. KORNMESSER)

Mari kita sampaikan kabar buruk dulu. Sistem bintang terdekat dengan kita adalah sistem Alpha Centauri, yang terletak hanya lebih dari 4 tahun cahaya. Terdiri dari tiga bintang:

  • Alpha Centauri A, yang merupakan bintang seperti Matahari (kelas-G),
  • Alpha Centauri B, yang sedikit lebih dingin dan kurang masif (kelas-K), tetapi mengorbit Alpha Centauri A pada jarak raksasa gas di Tata Surya kita, dan
  • Proxima Centauri, yang jauh lebih dingin dan kurang masif (kelas-M), dan diketahui memiliki setidaknya satu planet seukuran Bumi.

Meskipun mungkin ada lebih banyak planet di sekitar sistem bintang triner ini, kenyataannya adalah bahwa planet itu kecil dan jarak ke sana, terutama di luar Tata Surya kita sendiri, sangat luar biasa.

Diagram ini menunjukkan sistem optik 5-cermin novel dari Extremely Large Telescope (ELT) ESO. Sebelum mencapai instrumen sains, cahaya pertama kali dipantulkan dari cermin primer tersegmentasi 39 meter (M1) cekung raksasa teleskop, kemudian memantul dari dua cermin kelas 4-meter, satu cembung (M2) dan satu cekung (M3). Dua mirror terakhir (M4 dan M5) membentuk sistem optik adaptif bawaan untuk memungkinkan gambar yang sangat tajam terbentuk di bidang fokus akhir. Teleskop ini akan memiliki lebih banyak kekuatan pengumpul cahaya dan resolusi sudut yang lebih baik, hingga 0,005

Teleskop terbesar yang sedang dibangun, ELT, akan berdiameter 39 meter, yang berarti memiliki resolusi sudut maksimum 0,005 detik busur, di mana 60 detik busur menghasilkan 1 menit busur, dan 60 menit busur membuat 1 derajat. Jika Anda menempatkan planet seukuran Bumi pada jarak Proxima Centauri, bintang terdekat di luar Matahari kita pada 4,24 tahun cahaya, planet itu akan memiliki diameter sudut 67 mikro-busur detik (μas), yang berarti bahwa bahkan teleskop kita yang paling kuat yang akan datang akan menjadi tentang faktor 74 terlalu kecil untuk sepenuhnya menyelesaikan planet seukuran Bumi.

Yang terbaik yang bisa kami harapkan adalah satu, piksel jenuh, di mana cahaya menyatu dengan piksel di sekitarnya, yang berdekatan pada kamera kami yang paling canggih, resolusi tertinggi. Secara visual, ini adalah kekecewaan luar biasa bagi siapa pun yang berharap untuk mendapatkan pemandangan spektakuler seperti ilustrasi yang telah dikeluarkan NASA.

Konsepsi seniman tentang planet ekstrasurya Kepler-186f, yang mungkin memperlihatkan sifat-sifat mirip Bumi (atau awal, mirip Bumi). Sebagai ilustrasi yang memicu imajinasi seperti ini, mereka hanya spekulasi, dan data yang masuk tidak akan memberikan pandangan apa pun yang mirip dengan ini sama sekali. (NASA AMES / SETI INSTITUTE / JPL-CALTECH)

Tapi di situlah kekecewaan berakhir. Dengan menggunakan teknologi coronagraph, kita akan dapat menghalangi cahaya dari bintang induk, melihat cahaya dari planet secara langsung. Tentu, kami hanya akan mendapatkan cahaya satu pixel, tetapi itu tidak akan menjadi satu pixel yang stabil dan berkelanjutan sama sekali. Alih-alih, kami akan memantau cahaya itu dengan tiga cara berbeda:

  1. Dalam berbagai warna, secara fotometrik, mengajari kami apa sifat optik keseluruhan dari planet yang dicitrakan.
  2. Secara spektroskopi, yang berarti kita dapat memecah cahaya itu menjadi panjang gelombang individualnya, dan mencari tanda tangan molekul dan atom tertentu pada permukaan dan atmosfernya.
  3. Seiring waktu, artinya kita dapat mengukur bagaimana kedua perubahan di atas ketika planet ini berputar pada porosnya dan berputar, secara musiman, di sekitar bintang induknya.

Dari hanya satu pixel yang bernilai cahaya, kita dapat menentukan seluruh rangkaian properti tentang dunia apa pun yang dimaksud. Berikut adalah beberapa hal menarik.

Ilustrasi sistem exoplanetary, berpotensi dengan sebuah exomoon yang mengorbitnya. (NASA / DAVID HARDY, VIA ASTROART.ORG)

Dengan mengukur cahaya yang memantul dari sebuah planet selama orbitnya, kita akan peka terhadap berbagai fenomena, beberapa di antaranya sudah kita lihat di Bumi. Jika dunia memiliki perbedaan dalam albedo (reflektifitas) dari satu belahan bumi ke belahan bumi lainnya, dan berputar dengan cara apa pun selain dari yang terkunci secara terkunci ke bintangnya dalam resonansi 1-ke-1, kita akan dapat melihat sinyal periodik muncul sebagai sisi yang menghadap bintang berubah seiring waktu.

Sebuah dunia dengan benua dan lautan, misalnya, akan menampilkan sinyal yang naik-turun dalam berbagai panjang gelombang, sesuai dengan bagian yang berada di bawah sinar matahari langsung yang memantulkan cahaya kembali ke teleskop kita di sini di Tata Surya.

Ratusan planet kandidat telah ditemukan sejauh ini dalam data yang dikumpulkan dan dirilis oleh Satelit Survei Transit Exoplanet (TESS) NASA, dengan delapan dari mereka telah dikonfirmasi sejauh ini dengan pengukuran lanjutan. Tiga dari exoplanet yang paling unik dan menarik diilustrasikan di sini, dengan banyak lagi yang akan datang. Beberapa dunia terdekat yang akan ditemukan oleh TESS akan menjadi kandidat untuk menjadi seperti Bumi dan dalam jangkauan pencitraan langsung. (NASA / MIT / TESS)

Karena kekuatan pencitraan langsung, kita bisa langsung mengukur perubahan cuaca di planet di luar Tata Surya kita.

Gambar komposit Marmer Biru 2001-2002, dibangun dengan data Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NASA. Ketika sebuah planet ekstrasurya berotasi dan cuacanya berubah, kita dapat mengusir atau merekonstruksi variasi-variasi dalam rasio planet / samudra / icecap planetary, serta sinyal tutupan awan. (NASA)

Kehidupan mungkin merupakan sinyal yang lebih sulit untuk dilenyapkan, tetapi jika ada planet ekstrasurya dengan kehidupan di atasnya, mirip dengan Bumi, kita akan melihat beberapa perubahan musim yang sangat spesifik. Di Bumi, fakta bahwa planet kita berputar pada porosnya berarti bahwa di musim dingin, di mana belahan bumi kita menjauh dari Matahari, celah es tumbuh lebih besar, benua tumbuh lebih reflektif dengan salju yang memanjang hingga ke garis lintang yang lebih rendah, dan dunia menjadi kurang hijau dalam warna keseluruhannya.

Sebaliknya, di musim panas, belahan bumi kita menghadap Matahari. Lapisan es menyusut sementara benua berubah hijau: warna dominan kehidupan tanaman di planet kita. Perubahan musiman yang serupa akan memengaruhi cahaya yang berasal dari planet ekstrasurya apa pun yang kita gambar, memungkinkan kita untuk menggoda tidak hanya variasi musiman, tetapi persen perubahan spesifik dalam distribusi warna dan reflektifitas.

Dalam gambar Titan ini, kabut metana dan atmosfer ditampilkan dalam warna biru yang hampir transparan, dengan fitur permukaan di bawah awan yang ditampilkan. Komposit sinar ultraviolet, optik, dan inframerah digunakan untuk membangun pandangan ini. Dengan menggabungkan set data yang serupa dari waktu ke waktu untuk sebuah planet ekstrasurya yang dicitrakan secara langsung, bahkan hanya dengan satu piksel, kita dapat merekonstruksi sejumlah besar properti atmosfer, permukaan, dan musimannya. (NASA / JPL / SPACE SCIENCE INSTITUTE)

Keseluruhan karakteristik planet dan orbital juga harus muncul. Kecuali jika kami telah mengamati transit planet dari sudut pandang kami - di mana planet tersebut melewati antara kita dan bintang yang mengorbitnya - kita tidak dapat mengetahui orientasi orbitnya. Ini berarti kita tidak bisa tahu apa itu massa planet; kita hanya bisa mengetahui beberapa kombinasi massanya dan sudut kemiringan orbitnya.

Tetapi jika kita dapat mengukur bagaimana cahaya dari itu berubah dari waktu ke waktu, kita dapat menyimpulkan seperti apa fase itu, dan bagaimana itu berubah dari waktu ke waktu. Kita dapat menggunakan informasi itu untuk memutus kemunduran itu, dan menentukan massa dan kemiringan orbitnya, serta ada atau tidak adanya bulan besar di sekitar planet itu. Dari bahkan hanya satu piksel, cara kecerahan berubah begitu warna, tutupan awan, rotasi, dan perubahan musiman dikurangi harus memungkinkan kita mempelajari semua ini.

Fase-fase Venus, sebagaimana dilihat dari Bumi, analog dengan fase-fase planet ekstrasurya ketika ia mengorbit bintangnya. Jika sisi ‘malam’ menunjukkan sifat suhu / inframerah tertentu, persis yang sifatnya sensitif terhadap James Webb, kita dapat menentukan apakah mereka memiliki atmosfer, serta secara spektroskopi menentukan apa isi atmosfer itu. Ini tetap benar bahkan tanpa mengukurnya secara langsung melalui transit. (WIKIMEDIA COMMONS MENGGUNAKAN NICHALP DAN SAGREDO)

Ini akan menjadi penting karena sejumlah besar alasan. Ya, harapan besar dan jelas adalah bahwa kita akan menemukan atmosfer yang kaya oksigen, mungkin bahkan ditambah dengan molekul inert tetapi umum seperti gas nitrogen, menciptakan atmosfer yang benar-benar mirip Bumi. Tapi kita bisa melampaui itu dan mencari keberadaan air. Tanda tangan lain dari kehidupan potensial, seperti metana dan karbon dioksida, dapat dicari juga. Dan kemajuan lain yang menyenangkan yang sangat dihargai hari ini adalah pencitraan langsung dunia super-Bumi. Yang mana yang memiliki amplop hidrogen dan gas helium raksasa dan mana yang tidak? Dengan cara langsung, kita akhirnya bisa menggambar garis yang konklusif.

Skema klasifikasi planet sebagai berbatu, seperti Neptunus, seperti Jupiter atau seperti bintang. Perbatasan antara mirip Bumi dan mirip Neptunus suram, tetapi pencitraan langsung calon dunia super-Bumi harus memungkinkan kita untuk menentukan apakah ada amplop gas di sekitar setiap planet yang dipertanyakan atau tidak. (CHEN AND KIPPING, 2016, VIA ARXIV.ORG/PDF/1603.08614V2.PDF)

Jika kita benar-benar ingin memotret fitur di planet di luar Tata Surya kita, kita membutuhkan teleskop ratusan kali lebih besar dari yang terbesar yang sedang direncanakan: diameter beberapa kilometer. Namun, sampai hari itu tiba, kita dapat berharap untuk belajar banyak hal penting tentang dunia mirip Bumi terdekat di galaksi kita. TESS ada di luar sana, menemukan planet-planet itu sekarang. James Webb selesai, menunggu tanggal peluncuran 2021. Tiga teleskop kelas 30-meter sedang dikerjakan, dengan yang pertama (GMT) dijadwalkan akan online pada 2024 dan yang terbesar (ELT) untuk melihat cahaya pertama pada 2025. Pada saat ini satu dekade dari sekarang, kita akan memiliki data gambar langsung (optik dan inframerah) pada lusinan dunia seukuran Bumi dan sedikit lebih besar, semuanya di luar Tata Surya kita.

Satu piksel mungkin tidak tampak banyak, tetapi ketika Anda memikirkan tentang seberapa banyak yang dapat kita pelajari - tentang musim, cuaca, benua, lautan, lapisan es, dan bahkan kehidupan - itu sudah cukup untuk menarik napas Anda.

Kirim pertanyaan Ajukan Ethan Anda ke startwababang di gmail dot com!

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.