Der Wettlauf um die Entdeckung wirklich bewohnbarer erdähnlicher Welten ist eröffnet. Während wir mit den derzeit verfügbaren Teleskopen beginnen, die Atmosphären großer potenziell bewohnbarer Planeten wie der Hycean-Welten zu beobachten, werden die bedeutendsten Durchbrüche wahrscheinlich mit der Entwicklung fortschrittlicher Spezialteleskope erzielt. Diese neuen Designs werden wahrscheinlich einen Sternenschirm verwenden, um das grelle Licht eines Sterns zu verbergen und es uns zu ermöglichen, seine Exoplaneten direkt zu beobachten. Aber wird das ausreichen, um entfernte terrestrische Planeten zu untersuchen?
Seit den 1930er Jahren nutzen Astronomen verschiedene Methoden, um die Blendung eines hellen Objekts zu entfernen und so schwächere Objekte sichtbar zu machen. Um beispielsweise die Sonnenkorona ähnlich wie bei einer Sonnenfinsternis sichtbar zu machen, haben Astronomen einen Koronographen verwendet, der den Rand der Sonne innerhalb eines Teleskops präzise abdeckt. Die Idee wurde erweitert, um große Planeten um Sterne herum zu untersuchen, wobei ein kleiner Filter das Sternenlicht ausblendet, sodass nahe gelegene Planeten gesehen werden können. Allerdings wurden diese Filter im Allgemeinen im Teleskop selbst platziert, was die Präzision des Filters einschränkt.
Ein Sternenschirm würde den Filter vom Teleskop entfernen und ihn in erheblicher Entfernung vom Teleskop selbst platzieren. Für ein Weltraumteleskop bedeutet das, dass es zwei Raumschiffe hat, eines für das Teleskop und eines für den Schatten. Durch den Abstand von zweitausend Kilometern könnten Astronomen Planeten beobachten, die ihren Stern extrem nahe umkreisen. Dies wird besonders nützlich für erdähnliche Welten sein, die Rote Zwerge in ihrer bewohnbaren Zone umkreisen, die bei weitem die häufigsten potenziell bewohnbaren Welten sind.
Ein Problem dabei ist, dass Rote Zwerge viel schwächer sind als sonnenähnliche Sterne und das von ihren Planeten reflektierte Sternenlicht noch schwächer ist. Selbst wenn ein hochentwickelter Sternenschirm das Sternenlicht blockiert, sind die Planeten möglicherweise immer noch zu schwach, um beobachtet zu werden. Aber ein neues Papier zum Thema arXiv Preprint Server argumentiert, dass dieses Problem dank einer fortschrittlichen Art von Optik, der sogenannten Photonik, gelöst werden könnte.
Während herkömmliche Optiken schwaches Licht einfangen können, arbeitet die Photonik auf der Skala einzelner Photonen. Heutzutage wird es häufig in der Glasfaserkommunikation eingesetzt. Wenn Sie also zufällig über Glasfaser-Internet verfügen, danken Sie der Photonik. In der Astronomie wird Photonik beispielsweise für hochauflösende Spektroskopie und die Detektoren einiger Radioteleskope eingesetzt.
In diesem Artikel beschreiben die Autoren Möglichkeiten, wie Koronographen wie Sternschatten in Verbindung mit photonischen Detektoren verwendet werden könnten, wodurch ein Hybridsystem entsteht, mit dem sich viel schwächere Planeten beobachten lassen. Beispielsweise könnte Licht am Rand eines Sternenschattens durch Mikrolinsen in ein Bündel von Faserkabeln fokussiert werden, das dann zu einzelnen Fotodetektoren geleitet werden könnte. Die Autoren stellen fest, dass ein Teleskop bei sorgfältiger Konstruktion einen optischen Kontrast von mehr als 10 Milliarden erkennen könnte.
Sternschatten-Observatorien wie das geplante Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) sind noch in weiter Ferne. Es wird wahrscheinlich noch in den 2040er Jahren dauern, bis ein solches Teleskop auf den Markt kommen könnte. Es bleibt also genügend Zeit für die Weiterentwicklung und Verbesserung der astronomischen Photonik. Aber diese Studie zeigt, dass es die Art und Weise, wie wir das Universum sehen, revolutionieren könnte.
Mehr Informationen:
Niyati Desai et al., Integrierte photonische Koronographiesysteme für zukünftige Weltraumteleskope, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.04925