Mithilfe der „direkten Abbildung“ können Exoplaneten „geglaubt“ werden

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Dong Zhichuan (Nanjing Institut für Astronomische Optik und Technologie, Nationale Astronomische Observatorien, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Im täglichen Leben neigen wir dazu, an Dinge zu glauben, die wir direkt sehen können und intuitiver sind. Tatsächlich ist dies nicht nur im Leben der Fall, sondern auch in der wissenschaftlichen Forschung. Wissenschaftler sind bestrebt, ihre Forschungsergebnisse nach dem Motto „Sehen ist Glauben“ zu erzielen. Dabei handelt es sich nicht nur um ein Streben nach wissenschaftlicher Wahrheit, sondern es hat auch praktische Anwendungsbedeutung. Darüber hinaus besteht dringender Bedarf, große wissenschaftliche Ziele zu erreichen.

In der Astronomie ist es beispielsweise manchmal notwendig, „Sehen ist Glauben“.

Im Jahr 2008 nutzten Wissenschaftler die „Direktabbildungsmethode“, um ein extrasolares Planetensystem zu fotografieren – das Planetensystem HR8799. Nach 12 Jahren kontinuierlicher Beobachtung veröffentlichte Jason Wang, ein Astrophysiker an der Northwestern University in den USA, kürzlich ein Zeitraffervideo, das deutlich zeigt, wie die vier Planeten im Planetensystem HR8799 den Stern umkreisen.

Video von 4 Planeten, die den Stern im Planetensystem HR8799 umkreisen

(Bildquelle: ScienceNet)

Dies ist nur eines der Anwendungsszenarien der „Direktabbildungsmethode“. Eines der wichtigsten Ziele der Astronomen wird es sein, Exoplaneten genau zu beobachten und direkt abzubilden.

Worin besteht die Schwierigkeit, Exoplaneten direkt abzubilden?

Die direkte Abbildung von Exoplaneten stellt für Wissenschaftler eine große technische Herausforderung dar. Da das Planetenlicht sehr schwach und das Sternenlicht sehr stark ist, wird es normalerweise vom starken Sternenlicht übertönt und ist schwer direkt zu erkennen. Das direkte Aufspüren von Exoplaneten ist wie die Suche nach einem schwachen Glühwürmchen neben einem Suchscheinwerfer.

Um das Signal des Planeten direkt zu „sehen“, ist daher eine spezielle Methode erforderlich – die kontrastreiche bildgebende Koronagraphentechnologie. Ein Koronograph kann durch verschiedene Modulationstechniken das starke Licht von Sternen unterdrücken, kontrastreiche Bilder in bestimmten Bereichen der endgültigen Bildebene erzielen und so die Abbildung schwacher Planeten ermöglichen.

Dringendes Streben nach „direkter Bildgebung, Sehen ist Glauben“

Warum sind wir immer von dieser Besessenheit und dem Wunsch besessen, uns Dinge direkt vorzustellen und zu sehen, heißt zu glauben? Dies liegt daran, dass grundlegendere Probleme manchmal nicht gelöst werden können, wenn eine direkte Abbildung nicht möglich ist.

In vielen Filmen können einige Aufnahmen Fragen aufwerfen.

Im Film „Jurassic Park“ sind die Kampfjets offensichtlich hochtechnologisch genug, aber als sie Flugsaurier abschießen müssen, scheinen sie ihr Ziel aus den Augen zu verlieren. Im Film „Godzilla“ gelang es Infrarotraketen nicht, das kaltblütige Reptilienmonster Godzilla zu erfassen, sodass es sein Ziel häufig verfehlte.

Flugsaurier

Bildquelle: https://www.earth.com/

Diese Hightech-Kampfjets, die in Science-Fiction-Filmen auftauchen, sollten über die fortschrittlichsten Zielsysteme verfügen. Warum können sie nicht immer Dinosaurier oder riesige Bestien treffen, die das menschliche Auge leicht anvisieren kann?

Dies liegt daran, dass Flugzeuge und Raketen ursprünglich nicht dafür konzipiert waren, Flugsaurier oder Godzilla anzugreifen. Für das Radar konzentriert es sich nur auf die reflektierenden Metalloberflächen des Ziels. Doch aus der Sicht von Infrarot-gesteuerten Raketen ist ihr Ziel vielleicht nur eine Wärmequelle.

Infrarot-Wärmebildgebung

(Fotoquelle: veer)

Menschen können diese großen Lebewesen mit bloßem Auge deutlich erkennen. Warum sind dann hochentwickelte Technologien zur Waffenidentifizierung wie Radar und Wärmebildkameras unwirksam? Gibt es keine Raketen, die durch visuelle Führung oder Bilderkennung gesteuert werden?

Tatsächlich gibt es derzeit Raketen, die auf visueller oder Fernsehlenkung basieren, die meisten davon werden jedoch zum Angriff auf langsame Ziele wie gepanzerte Fahrzeuge und Panzer oder zum Angriff auf feste Ziele am Boden eingesetzt. Wenn wir uns beim Angriff auf fliegende Ziele ausschließlich auf das menschliche Auge verlassen, ist die Reichweite des „Angriffsfensters“ zudem wirklich begrenzt. Unser Ziel, „Sehen ist Glauben“, beschränkt sich nicht auf das, was wir sehen können, sondern präsentiert uns auch intuitive Bilder von Orten, die unsere Augen nicht erreichen können.

Die Schwierigkeit, „Wing Loong mit Raketen abzuschießen“, lehrt uns, dass „direkte Abbildung und Sehen ist Glauben“ immer noch sehr zuverlässige Mittel zur Zielidentifizierung und Methode zur Merkmalsprüfung sind.

Indirekte Sensorik: Aktuelle Methoden zur Erkennung von Exoplaneten

Dasselbe gilt für die astronomische Forschung. Zu unseren ausgereifteren Methoden zur Planetenerkennung zählen Okkultation, Radialgeschwindigkeit, Astrometrie, Gravitationsmikrolinseneffekt und direkte Abbildung. Mit wenigen Ausnahmen handelt es sich bei diesen Methoden um eine indirekte Wahrnehmung und Erkennung von Zielen.

Die indirekte Wahrnehmung und Erkennung lässt sich noch heute anhand von Szenen aus Filmen veranschaulichen. Der Flugsaurier, der auf dem Radarschirm des Kampfflugzeugs erscheint, ist nicht der Flugsaurier selbst, sondern lediglich das Radarreflexionswellensignal oder das Bild der Infrarot-Wärmequelle des Flugsauriers. Dabei handelt es sich lediglich um die Erkennung von „Nebeneffekten“ des Körpers des Flugsauriers, also um ein indirektes Mittel zur Erkennung und Wahrnehmung. Die meisten Exoplaneten, die wir bisher erfolgreich entdeckt haben, wurden mithilfe dieser indirekten Effekte entdeckt.

Der erste Exoplanet wurde 1992 von Menschen entdeckt, als polnische Wissenschaftler die „Pulsar-Timing-Methode“ verwendeten. Mit dieser Methode entdeckten Wissenschaftler zwei Planeten, die einen Pulsar namens PSR B1257+12 umkreisen. Obwohl dies eine von Menschenhand entdeckte Premiere war, handelt es sich bei Pulsaren strenggenommen nicht um sonnenähnliche Sterne.

Künstlerische Darstellung des Pulsars PSR B1257+12

(Bildquelle: Wiki)

Der erste im eigentlichen Sinne von Menschen entdeckte Exoplanet dürfte Pegasus 51b sein, den Wissenschaftler 1995 mithilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckten. Der Entdecker Michel Mayer und sein Schüler Didier Queloz erhielten dafür 2019 den Nobelpreis.

Die Okkultationsmethode ist derzeit die gebräuchlichste Methode zur Entdeckung von Exoplaneten. Mehr als 70 % aller Exoplaneten wurden mit dieser Methode entdeckt.

Obwohl die Astrometrie die älteste Methode zur Suche nach Exoplaneten war, ist seit 2018 nur die Entdeckung von HD 176051b aus dem Jahr 2010 der einzige Exoplanet, dessen Entdeckung durch Astrometrie bestätigt wurde.

Doch unsere Forschung beschränkt sich keineswegs darauf. Wir möchten immer „Sehen heißt Glauben“, damit wir den Gegenstand unserer Forschung besser verstehen und ihn dann untersuchen können. Dabei handelt es sich nicht um eine Obsession, sondern um die Notwendigkeit weiterer wissenschaftlicher Analysen.

Direkte Bildgebung: Astronomen wollen „Sehen ist Glauben“

Wenn es dem Menschen gelingt, einen Exoplaneten direkt abzubilden und ihn mit eigenen Augen zu sehen, können wir seine Form und Elementzusammensetzung besser analysieren und die direktesten und umfassendsten Informationen zu seiner Leuchtkraft, Temperatur, Atmosphäre, Umlaufbahn usw. erhalten und sogar seine Topografie direkt untersuchen (obwohl das Erreichen dieses Ziels ziemlich schwierig ist).

Wenn dies gelingen könnte, wäre dies zweifellos gleichbedeutend mit der Aufnahme eines extrem klaren „ID-Fotos“ mit hoher Pixelanzahl eines weit entfernten und unbekannten Exoplaneten, wodurch das „Abheften und Kardieren“ realisiert würde. Dadurch können Wissenschaftler leichter feststellen, ob es auf weit entfernten Exoplaneten Leben gibt.

Der eingangs erwähnte Physiker Jason Wang versuchte, mit dieser intuitiven Methode den Menschen die Bewegungsbahnen von Planeten aufzuzeigen. Er sagte einmal: „Astronomische Ereignisse geschehen entweder zu schnell oder zu langsam, um sie auf Video zu zeigen. Aber dieses ‚mit bloßem Auge sichtbare‘ Video zeigt intuitiv die Bewegung der Planeten im menschlichen Zeitmaßstab, und ich hoffe, dass die Menschen daran Freude haben werden.“

Experimentelle Plattform für kontrastreiche Bildgebung mit Koronographen hilft beim Glauben

Glücklicherweise haben chinesische Forscher auf dem Weg zur direkten Bildgebung einige Ergebnisse erzielt. Das Exoplanet Detection Technology Laboratory des Nanjing Institute of Astronomical Optics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat eine universelle experimentelle Plattform für kontrastreiche Koronagraphenbilder eingerichtet.

Um den Bildkontrast des Systems weiter zu verbessern, führten die Forscher Forschungsarbeiten zur Technologie zur Beseitigung von Speckle-Rauschen und zu Algorithmen zur Wellenfrontrekonstruktion auf der Grundlage von „Kernfunktionsgeräten“ durch. Das anfängliche Ziel besteht darin, den Abbildungskontrast des Systems um eine (bis zwei) Größenordnungen zu erhöhen, um eine direkte Abbildung junger Riesenplaneten zu ermöglichen. Das langfristige Ziel besteht weiterhin darin, mit dem Bildkontrastsystem eine direkte Abbildung terrestrischer Planeten zu erreichen.

Das allgemein bekanntere James-Webb-Teleskop kann die Aufgabe der direkten Bildgebung besser erfüllen, da es im Weltraum keine atmosphärischen Störungen gibt. Darüber hinaus hat das Webb-Teleskop bereits seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, Exoplaneten direkt abzubilden. Unsere chinesischen Wissenschaftler haben ebenfalls begonnen, die gleiche Idee aufzugreifen und das System in den Weltraum zu verpflanzen. Sie haben es in die Raumstation „verlagert“, die sich derzeit im Bau befindet und immer perfekter wird, um eine „ruhige“ Bildgebung unter kontrastreichen Bedingungen ohne Störungen durch atmosphärische Turbulenzen zu erreichen.

Webb-Teleskop

(Bildquelle: Wikipedia)

Ich bin überzeugt, dass Forscher in Zukunft einen höheren Bildkontrast erreichen und dieses System in größerem Umfang anwenden können und sogar Menschen dabei helfen können, ein bewohnbares zweites Zuhause zu finden.

Herausgeber: Guo Yaxin