Under de senaste decennierna, studiet av extrasolära planeter har vuxit med stormsteg, med bekräftelsen av över 4000 exoplaneter. Med så många planeter tillgängliga för studier, exoplanetforskarnas fokus skiftar från upptäckt till karakterisering. Under de kommande åren, ny teknik och nästa generations teleskop kommer också att möjliggöra direkta bildstudier, vilket avsevärt kommer att förbättra vår förståelse av exoplanetatmosfärer.

För att underlätta denna process, astronomer kommer att förlita sig på kostsamma tekniker som koronagrafer och stjärnskärmar, som blockerar ljuset från en stjärna så att alla planeter som kretsar runt den blir mer synliga. Dock, enligt en ny studie av ett internationellt team av astronomer och kosmologer, förmörkande dubbelstjärnor kan ge all skuggning som behövs för att direkt avbilda planeter som kretsar kring dem.

Studien, som nyligen dök upp på nätet, leddes av Stefano Bellotti, en Ph.D. student vid L'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) vid universitetet i Toulouse. Han fick sällskap av forskare från Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Steward Observatory, National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), och NASA:s Ames Research Center.

Som namnet antyder, Direktavbildningsmetoden består av att studera planeter direkt genom att analysera ljus som reflekteras från deras ytor och/eller atmosfärer. Denna metod är lukrativ när det gäller exoplanetstudier eftersom den tillåter astronomer att få spektra direkt från en planets atmosfär, på så sätt avslöjar dess kemiska sammansättning och om den kan vara beboelig eller inte.

Dessa och andra fördelar skrevs ut av Bellotti som pratade med Universe Today via e-post:"Först av allt, denna metod ger dig ett tillförlitligt "ja" eller "nej" svar:Planeten (eller planeterna) finns där eller inte. Vidare, eftersom denna metod tillåter oss att direkt samla ljuset som kommer från en planet, vi kan direkt undersöka den kemiska sammansättningen av dess atmosfär och få en uppfattning om dess egenskaper (moln). I sista hand, denna information gör det möjligt för oss att bedöma planetens beboelighet, som är det nuvarande huvudfokuset för exoplanetära vetenskaper."

Dock, denna metod innebär ett antal utmaningar eftersom stjärnljus sannolikt är 1 miljard gånger starkare än något ljus som reflekteras från dess planeter. Forskare kan minska denna avvikelse med en storleksordning (där stjärnorna verkar 1 miljon gånger ljusare) genom att undersöka reflekterat ljus i det infraröda spektrumet.

På grund av dessa begränsningar, hittills har endast 50 planeter upptäckts med hjälp av direktavbildningsmetoden. För det mesta, dessa planeter har varit gasjättar som har breda banor runt sina stjärnor. Astronomer förutser att nästa generations teleskop som förlitar sig på adaptiv optik, koronagrafier, eller en till och med en kretsande rymdfarkost (som NASAs föreslagna Starshade), kommer att kunna avbilda mindre, steniga planeter som kretsar närmare sina planeter.

För deras studiers skull, dock, Bellotti och hans kollegor undersökte potentialen för att förmörka binärer för att göra samma jobb, men utan något av de dyra verktygen inblandade. Som namnet antyder, förmörkande binära system består av två stjärnor som periodvis passerar framför varandra i förhållande till betraktaren. När detta händer, ljusstyrkan för en stjärna i systemet är tillfälligt blockerad, leder till en minskning av ljusstyrkan.

Genom att använda eclipsing binärer, förklarade Bellotti, astronomer kan dra fördel av det faktum att stjärnsystemet redan genomgår periodisk avbländning – vilket är förutsägbart och kan tidsbestämmas exakt.

"I det här sammanhanget, förmörkelsehändelsen undertrycker stjärnljuset som kommer från binären på ett naturligt sätt, och resulterar därför i en förbättrad kontrast mellan den binära och en potentiell planet. Dock, förmörkelsehändelsen betraktas inte som en ersättning för koronagrafier eller konstgjorda stjärnskärmar, men det kan ses som ett extra verktyg att använda tillsammans med dem för att uppnå förbättrade kontrastnivåer. Verkligen, för under [en] förmörkelse blir binärsystemet punktlikt som en enda stjärna, tekniker som koronografi kan användas för att blockera ljuset från hela binären i ett skott."

För att testa detta, teamet valde förmörkande binärer från flera stjärnkataloger vars ljusstyrka sjunker med en faktor 10 under en förmörkelse. De skilde också mellan typer av exoplaneter baserat på om de sänder ut sitt eget ljus - aka. självlysande (SL) – eller reflektera ljus (RL). De simulerade sedan hur ljusa kretsande planeter skulle se ut baserat på deras massa, och om de skulle vara synliga med nuvarande eller framtida teleskop.

"Omkring två mål, [U Cephei] respektive [AC Scuti] vi är [känsliga] för planeter med ungefär 4,5 Jupitermassor och nio Jupitermassor med nuvarande markbaserade eller nära framtida rymdbaserade instrument, och ungefär 1,5 Jupitermassor och sex Jupitermassor med framtida markbaserade observatorier (som [Extremely Large Telescope (ELT)], sa Bellotti.

För planeter med reflekterat ljus, de valde ut tre förmörkande binärer som var närmast jorden:V1412 Aquilae, RR Caeli, och RT Pictoris. För dessa system, de använde Jupiter, Venus och jorden som mallar för alla möjliga exoplaneter. Även här, de fick några positiva resultat.

"Vi drog slutsatsen att en Jupiter-liknande planet vid en planet-stjärna-separation på 20 [milli bågsekunder] kan avbildas med framtida mark- och rymdbaserade teknologier runt alla tre målen, " tillade Bellotti. "En Venus-liknande planet vid samma separation kan upptäckas runt RR Cae och RT Pic, men en beboelig jordliknande planet är utmanande, eftersom planet-stjärna-separationen är för liten jämfört med vinkelseparationens gräns för modern koronografi."

Under de kommande åren, markbaserade observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), Thirty Meter Telescope (TMT), och Giant Magellan Telescope (GMT) förväntas möjliggöra direkta avbildningsstudier av jordliknande exoplaneter. Liknande, James Webb Space Telescope (JWST) och Nancy Grace Roman Space Telescope (RST) kommer att ha banbrytande infraröda instrument som också kommer att kunna studera exoplanetatmosfärer direkt.

Medan dessa nästa generations teleskop kommer att ha bättre möjligheter att observera exoplaneter direkt, det är uppmuntrande att veta att mindre avancerade observatorier fortfarande kan utföra direkta avbildningsstudier när det gäller förmörkande binärer. Vad mer, dessa stjärnsystem skulle kunna ge möjligheter för avancerade teleskop också eftersom de kommer att kunna få en bättre titt på exoplaneter när deras stjärnor förmörkas.