NASA har indikerat att 5 030 extrasolära planeter har bekräftats i 3 772 system, med ytterligare 8 974 kandidater som väntar på bekräftelse. När nästa generations instrument som James Webb Space Telescope (JWST) kommer online, förväntas antalet och mångfalden av bekräftade exoplaneter växa exponentiellt. I synnerhet antar astronomer att antalet kända jordplaneter och superjordar kommer att öka drastiskt.

Under de kommande åren kommer möjligheterna för exoplanetstudier att öka avsevärt i takt med att tusentals fler upptäcks. I en nyligen genomförd studie beskrev ett team ledd av den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) ett nytt rymdteleskopkoncept som kallas Closeby Habitable Exoplanet Survey (CHES). Detta föreslagna observatorium kommer att söka efter jordliknande planeter i de beboeliga zonerna (HZ) av solliknande stjärnor inom cirka 33 ljusår (10 parsecs) med hjälp av en metod som kallas relativ astrometri för mikrobågesekund.

Den gren av astronomi som kallas astrometri består av att ta exakta mätningar av himlakropparnas positioner och egenrörelser genom att jämföra dem med bakgrundsreferensstjärnor. Exempel på denna metod är ESA:s Gaia-observatorium, som har mätt rörelsen för 1 miljard stjärnor i Vintergatan (samt 500 000 avlägsna kvasarer) sedan 2013. Dessa data kommer att användas för att skapa den mest exakta tredimensionella kartan över vår galax som någonsin skapats.

I det här fallet föreslår forskare från den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) och flera kinesiska observatorier och universitet ett rymdteleskop som kan ta högprecisionsastrometrimätningar av solliknande stjärnor för att upptäcka exoplaneter som kretsar kring dem. Det föreslagna CHES-uppdraget kommer att fungera vid solen-Jorden L2 Lagrange-punkten - där NASA:s James Webb Space Telescope (JWST) för närvarande finns - och observera målstjärnor i fem år. Dessa mål kommer att inkludera 100 stjärnor inom 33 ljusår från solsystemet som faller in i typerna F, G och K.

Medan stjärnor av F-typ (gul-vita dvärgar) är hetare, ljusare och mer massiva än vår sol, är stjärnor av G-typ (gul dvärg) förenliga med vår sol - en G2V-stjärna i huvudsekvensen. Samtidigt är stjärnor av K-typ (orange dvärg) något svagare, kallare och mindre massiva än vår sol. För varje stjärna den observerar kommer CHES att mäta de små och dynamiska störningar som induceras av kretsande exoplaneter, vilket kommer att ge exakta uppskattningar av deras massor och omloppsperioder.

Som ett rymdbaserat observatorium kommer CHES inte att utsättas för störningar på grund av jordens precession och atmosfär och kommer att kunna göra astrometrimätningar tillräckligt exakta för att falla in i mikrobågssekundsdomänen. Dr Jianghui Ji är professor vid CAS Key Laboratory of Planetary Sciences i Nanjing, University of Science and Technology, och huvudförfattaren till studien. Som han sa till Universe Today via e-post:

"För en planet med jordmassa vid 1 AU runt en stjärna av soltyp vid 10 pc, är stjärnans astrometriska vingling orsakad av Earth Twin 0,3 mikrobågsekund. Därför krävs en mätning av mikrobågsekundnivån. Den relativa astrometrin för CHES kan noggrant mäta vinkelseparation på mikrobågsekundnivå mellan en målstjärna och 6-8 referensstjärnor. Baserat på mätningarna av dessa små förändringar kan vi upptäcka om det finns jordlevande planeter runt dem."

Specifikt kommer CHES att göra de första direkta mätningarna av de verkliga massorna och lutningarna av jordanaloger och superjordar som kretsar inom deras stjärnors HZ och anses vara "potentiellt beboeliga". Den primära nyttolasten för detta uppdrag, sa Dr Ji, är en högkvalitativ spegel med en diameter på 1,2 meter (ft) och ett synfält (FOV) på 0,44° x 0,44°. Den här spegeln är en del av ett koaxialt tre-spegel-anastigmat-system (TMA), där tre böjda speglar används för att minimera optiska aberrationer.

CHES förlitar sig också på Mosaic Charge-Coupled Devices (CCDs) och lasermetrologitekniken för att utföra astrometriska mätningar i intervallet 500nm~900nm – som omfattar synligt ljus och det nära-infraröda spektrumet. Dessa möjligheter kommer att erbjuda betydande fördelar jämfört med transitmetoden, som fortfarande är den mest använda och effektiva metoden för att upptäcka exoplaneter. I denna metod övervakas stjärnor för periodiska sänkningar i ljusstyrka, vilket är möjliga indikationer på planeter som passerar framför stjärnan (aka. transiterande) i förhållande till observatören.

Dessutom kommer CHES att hjälpa till i den övergång som för närvarande äger rum i exoplanetstudier, där fokus skiftar från upptäcktsprocessen till karakterisering. Som Dr Ji förklarade:

"Först kommer CHES att genomföra en omfattande undersökning av de närliggande stjärnorna av soltyp på 10 PC från oss och upptäcka alla jordliknande planeter i den beboeliga zonen via astrometri, i det fall transitmetoden inte klarar sig (som TESS) eller PLATO). [Detta] kräver kantbanor för planeterna med avseende på observatörernas siktlinje.

"För det andra kommer CHES att erbjuda de första direkta mätningarna av verkliga massor för "Earth Twins" och superjordar som kretsar kring våra grannstjärnor, där planetmassan verkligen spelar roll för att karakterisera en planet. I jämförelse kan [transitmetoden] generellt ge planetens radie och bör bekräftas med andra markbaserade metoder, såsom radiell hastighet.

"Slutligen kommer CHES att tillhandahålla tredimensionella banor (t.ex. lutningar) för jordlevande planeter, som också fungerar som ett annat avgörande index involverat i planetbildning och karakterisering."

Dessa förmågor kommer att hjälpa astronomer att avsevärt utöka den nuvarande folkräkningen av exoplaneter, som till övervägande del består av gasjättar (Jupiter eller Saturnus-liknande), mini-Neptunes och superjordar. Men med den förbättrade upplösningen och känsligheten hos nästa generations instrument, förutser astronomer att antalet jordanaloger kommer att växa exponentiellt. Det kommer också att förbättra vår förståelse för den mångfaldiga naturen hos planeter som kretsar runt solliknande stjärnor och kastar ljus över solsystemets bildning och utveckling.

Men fördelarna med nästa generations rymdbaserade astrometriuppdrag slutar inte där. Som Dr Ji indikerade kommer den att kunna hjälpa till med undersökningar som bygger på den näst mest populära och effektiva exoplanetdetekteringsmetoden, känd som den radiella hastighetsmetoden (aka. Dopplerspektroskopi). För denna metod observerar astronomer stjärnor för tecken på skenbar rörelse fram och tillbaka ("wobble") som är ett resultat av de kretsande planeternas gravitationsinflytande. Dr Ji sa:"Dessutom kan CHES utföra gemensamma mätningar med högprecisionsinstrument med radiell hastighet såsom Extremely Large Telescope (ELT) och Thirty Meter Telescope (TMT). [Det kan också] verifiera beboeliga planetkandidater som upptäckts av [denna metod], och noggrant karakterisera planetmassor och orbitalparametrar."

Utöver det kommer CHES att hjälpa till att flytta fram gränserna för astronomi och kosmologi genom att hjälpa till i sökandet efter mörk materia, studiet av svarta hål och andra forskningsfält. Denna forskning kommer att ge nya insikter i fysiken som styr vårt universum, bildningen och utvecklingen av planetsystem och ursprunget till själva livet. Andra observatorier, som Nancy Grace Roman Space Telescope (och ELT och TMT), kommer att kunna utföra direkta avbildningsstudier av mindre exoplaneter som kretsar närmare sina stjärnor – precis där steniga HZ-planeter förväntas finnas.

I kombination med astrometrimätningar som kan avslöja hundratals steniga exoplaneter i närliggande system, kan astronomer vara på gränsen till att hitta liv bortom jorden. + Utforska vidare

Även stjärnor dömda att dö eftersom supernovor kan ha planeter