Det är nu möjligt att ta bilder av planeter som potentiellt kan upprätthålla liv runt närliggande stjärnor, tack vare framsteg som rapporterats av ett internationellt team av astronomer i tidskriften Naturkommunikation.

Med hjälp av ett nyutvecklat system för exoplanetavbildning i mitten av infraröd, i kombination med en mycket lång observationstid, studiens författare säger att de nu kan använda markbaserade teleskop för att direkt ta bilder av planeter som är ungefär tre gånger så stora som jorden inom de beboeliga zonerna av närliggande stjärnor.

Ansträngningar att direkt avbilda exoplaneter - planeter utanför vårt solsystem - har försvårats av tekniska begränsningar, vilket resulterar i en partiskhet mot upptäckten av lättare att se planeter som är mycket större än Jupiter och som är belägna runt mycket unga stjärnor och långt utanför den beboeliga zonen - den "söta fläcken" där en planet kan upprätthålla flytande vatten. Om astronomer vill hitta främmande liv, de måste leta någon annanstans.

"Om vi ​​vill hitta planeter med förhållanden som är lämpliga för liv som vi känner det, vi måste leta efter steniga planeter som är ungefär lika stora som jorden, inne i de beboeliga zonerna runt äldre, solliknande stjärnor, sa tidningens första författare, Kevin Wagner, en Sagan Fellow i NASA:s Hubble Fellowship Program vid University of Arizonas Steward Observatory.

Metoden som beskrivs i artikeln ger mer än en tiofaldig förbättring jämfört med befintliga möjligheter att direkt observera exoplaneter, sa Wagner. De flesta studier på exoplanetavbildning har tittat på infraröda våglängder på mindre än 10 mikron, stannar strax utanför det våglängdsområde där sådana planeter lyser starkast, sa Wagner.

"Det finns en bra anledning till det eftersom jorden själv lyser mot dig vid dessa våglängder, ", sa Wagner. "Infraröda utsläpp från himlen, kameran och själva teleskopet dränker i huvudsak din signal. Men den goda anledningen att fokusera på dessa våglängder är att det är där en jordliknande planet i den beboeliga zonen runt en solliknande stjärna kommer att lysa starkast."

Teamet använde Very Large Telescope, eller VLT, från European Southern Observatory i Chile för att observera vårt närmaste grannstjärnsystem:Alpha Centauri, bara 4,4 ljusår bort. Alpha Centauri är ett trippelstjärnsystem; den består av två stjärnor – Alpha Centauri A och B – som liknar solen i storlek och ålder och kretsar kring varandra som ett binärt system. Den tredje stjärnan, Alpha Centauri C, mer känd som Proxima Centauri, är en mycket mindre röd dvärg som kretsar kring sina två syskon på stort avstånd.

En planet som inte är dubbelt så stor som jorden och som kretsar i den beboeliga zonen runt Proxima Centauri har redan indirekt upptäckts genom observationer av stjärnans radiella hastighetsvariation, eller det lilla vinglandet en stjärna uppvisar under den osedda planetens ryck. Enligt studiens författare, Alpha Centauri A och B kan vara värd för liknande planeter, men indirekta detektionsmetoder är ännu inte tillräckligt känsliga för att hitta steniga planeter i deras mer vitt åtskilda beboeliga zoner, Wagner förklarade.

"Med direkt bildbehandling, vi kan nu trycka under dessa detektionsgränser för första gången, " han sa.

För att öka känsligheten i bilduppsättningen, teamet använde en så kallad adaptiv sekundär teleskopspegel som kan korrigera för förvrängningen av ljuset av jordens atmosfär. Dessutom, forskarna använde en stjärnljusblockerande mask som de optimerade för det mellaninfraröda ljusspektrumet för att blockera ljuset från en av stjärnorna åt gången. För att kunna observera båda stjärnornas beboeliga zoner samtidigt, de banade också för en ny teknik för att växla fram och tillbaka mellan att observera Alpha Centauri A och Alpha Centauri B mycket snabbt.

"Vi flyttar en stjärna på och en stjärna från koronagrafen var tionde sekund, ", sa Wagner. "Det gör att vi kan observera varje stjärna under hälften av tiden, och, viktigt, det tillåter oss också att subtrahera en bildruta från den efterföljande bildrutan, som tar bort allt som i huvudsak bara är brus från kameran och teleskopet."

Genom att använda detta tillvägagångssätt, det oönskade stjärnljuset och "bruset" - oönskad signal inifrån teleskopet och kameran - blir i huvudsak slumpmässigt bakgrundsljud, möjligt att ytterligare reducera genom att stapla bilder och subtrahera bruset med hjälp av specialiserad programvara.

Liknar effekten av brusreducerande hörlurar, som låter mjuk musik höras över en stadig ström av oönskat jetmotorljud, tekniken gjorde det möjligt för teamet att ta bort så mycket av det oönskade bruset som möjligt och upptäcka de mycket svagare signalerna som skapas av potentiella planetkandidater i den beboeliga zonen.

Teamet observerade Alpha Centauri-systemet i nästan 100 timmar under loppet av en månad 2019, samlar mer än 5 miljoner bilder. De samlade in cirka 7 terabyte data, som de gjorde allmänt tillgänglig på http://archive.eso.org .

"Detta är en av de första dedikerade multi-natt exoplanet avbildningskampanjer, där vi staplade all data vi samlat på oss under nästan en månad och använde den för att uppnå vår slutliga känslighet, sa Wagner.

Efter att ha tagit bort så kallade artefakter – falska signaler skapade av instrumenteringen och kvarvarande ljus från koronagrafen – avslöjade den slutliga bilden en ljuskälla betecknad som "C1" som potentiellt skulle kunna antyda närvaron av en exoplanetkandidat inne i den beboeliga zonen.

"Det finns en punktkälla som ser ut som hur vi skulle förvänta oss att en planet skulle se ut, som vi inte kan förklara med någon av de systematiska felkorrigeringarna, " sa Wagner. "Vi är inte på den nivå av självförtroende att säga att vi upptäckte en planet runt Alpha Centauri, men det finns en signal där som kan vara det med någon efterföljande verifiering."

Simuleringar av hur planeter inom data sannolikt kommer att se ut tyder på att "C1" kan vara en planet i storleken Neptunus till Saturnus på ett avstånd från Alpha Centauri A som liknar avståndet mellan jorden och solen, sa Wagner. Dock, författarna säger tydligt att utan efterföljande verifiering, möjligheten att C1 kan bero på någon okänd artefakt orsakad av själva instrumentet kan inte uteslutas ännu.

Att hitta en potentiellt beboelig planet inom Alpha Centauri har varit målet för initiativet Breakthrough Watch/NEAR, som står för New Earths in the Alpha Centauri Region. Breakthrough Watch är ett globalt astronomiskt program som letar efter jordliknande planeter runt närliggande stjärnor.

"Vi är mycket tacksamma mot Breakthrough Initiatives och ESO för deras stöd i att uppnå ännu en språngbräda mot avbildningen av jordliknande planeter runt våra grannstjärnor, sa Markus Kasper, huvudforskare i NEAR-projektet och en medförfattare på uppsatsen.

Teamet har för avsikt att inleda ytterligare en bildkampanj om några år, i ett försök att fånga denna potentiella exoplanet i Alpha Centauri-systemet på en annan plats, och för att se om det skulle stämma överens med vad som skulle förväntas baserat på modellering av dess förväntade omloppsbana. Ytterligare ledtrådar kan komma från uppföljande observationer med olika metoder.

Nästa generation av extremt stora teleskop, såsom Extremely Large Telescope of the European Southern Observatory, och Giant Magellan Telescope, för vilken University of Arizona producerar de primära speglarna, förväntas kunna öka direkta observationer av närliggande stjärnor som kan hysa planeter i deras beboeliga zoner med en faktor 10, Wagner förklarade. Kandidater att titta på inkluderar Sirius, den ljusaste stjärnan på natthimlen, och Tau Ceti, som är värd för ett indirekt observerat planetsystem som Wagner och hans kollegor kommer att försöka avbilda direkt.

"Att göra den förmåga som demonstreras här till ett rutinmässigt observationsläge - att kunna plocka upp värmesignaturer från planeter som kretsar i de beboeliga zonerna av närliggande stjärnor - kommer att vara en spelförändring för utforskningen av nya världar och för sökandet efter liv i universum , " sa studiens medförfattare Daniel Apai, en UArizona docent i astronomi och planetvetenskap som leder det NASA-finansierade programmet Earths in Other Solar Systems som delvis stödde studien.