Exoplanety ve vzdálené budoucnosti

Budoucnost výzkumu exoplanet se v tuto dobu zdá být velmi světlá a plná objevů. Svědčí pro to i statistická předpověď, že 30% hvězd na hlavní posloupnosti obíhá minimálně jedna "super Země".

Vypadá to, že v příštích 15 až 20ti letech přijdou dvě generace vesmírných misí schopných přímého zobrazení exoplanet.
1. první generace s 1,5 až 2 m koronografem, který bude schopen přímo zobrazovat obří planety o velikosti Jupitera a větší "super Země"
2. druhá generace vesmírných koronografů / interferometrů. V plánu je buď 8m zrcadlo nebo segmentované 20m zrcadlo

Paralelně s těmito vesmírnými misemi zaměřenými na přímé pozorování exoplanet lze očekávat vývoj i při pozorování ze Země. Koronografická kamera by měla být součástí i Extrémné velkého dalekohledu (Extremely Large Telescope) s 42 m velkým zrcadlem.

Tolik k blízké budoucnosti, kterou lze očekávat podle současné míry poznatků a naší technické vyspělosti. Co ale přinese vzdálenější budoucnost?

Především bude zapotřebí zvětšit dosah našich přístrojů pro přímé zobrazování a to z limitu cca 20 parseků (tento limit budou schopny dosáhnout přístroje zmíněné první a druhé generace) na vzdálenost alespoň 50 parseků ve třetí a čtvrté generaci přístrojů.

S růstem zrcadel a interferometrické základny budoucích vesmírných dalekohledů budeme umět pořídit přímé spektroskopické pozorování exoplanety. To nám umožní kromě studia složení atmosféry exoplanety rovněž měřit její radiální rychlost. Kromě bezprecedentního zvýšení přesnosti v určení hmotnosti planety nám to také umožní hledat pomocí metody radiálních rychlostí měsíce obíhající kolem obřích exoplanet typu Jupitera.

Přímá polarimetrie exoplanet nám pak dodá informaci o struktuře mraků, povrchu, případných oceánech, prstenců a pod.

Abychom byli schopni rozlišit ve vzdálenosti 50pc exoplanetu 1 AU vzdálenou od své hvězdy, potřebujeme k tomu interferometr o rozpětí B = 12 m (při pozorování na vlnové délce 600 nm), respektive B = 200 m (při pozorování v IR oblasti na 10 mikronech).

Pokud bychom chtěli přímo rozlišit exoměsíc obíhající 0,003 AU (vzdálenost Io od Jupitera) od exoplanety obíhající 10AU od hvězdy, potřebujeme základnu interferometru B = 400 m (na 600 nm) respektive B = 7 km (na 10 mikrometrech).

Pro astrometrické hledání exoměsíců okolo exoplanet bychom potřebovali základnu interferometru B = 150 000 km (na 600 nm).

S takto vyspělou technikou bychom byli schopni pozorovat přímo tvar hvězdy zdeformovaný přecházející tranzitující exoplanetou. Bylo by to důležité potvrzení velikosti exoplanety nezávislé na fotometrii. Eliminovali bychom tím závislost výsledků z fotometrie na vývojových modelech hvězd, ze kterých se určuje poloměr hvězdy a tím i tranzitujících exoplanet.

Přímé měření velikosti exoplanet - pouhým zobrazením kotoučku by bylo možné pro nejbližší exoplanety. Např. pro exoplanetu o velikosti 2 Země ve vzdálenosti 5 parseků bychom byli schopni přímo zobrazit její kotouček pomocí interferometru o základně B = 20 km (na 600 nm).

Zobrazení detailů na povrchu exoplanety.
Na řadu dále přijde čtvrtá generace vesmírných koronografů - interferometrů. Pro planetu vzdálenou 5 parseků bychom byli schopni detekovat kontinenty pomocí interferometru o základně B = 70 km (na 600 nm).

Jednou z činností exoplanetárních misí třetí a čtvrté generace budou dlouhodobá přímá fotometrická sledování exoplanet. V dnešní době jsme schopni fotometricky sledovat jen mateřské hvězdy a případné výkyvy jasnosti způsobené oběhem planet (střídání planetárních fází, tranzity). Pokud ale budeme mít k dispozici interferometrický přístroj schopný přímého zobrazení exoplanet, budeme moci provádět přímo fotometrii exoplanety samotné (nikoliv spojeného světla hvězda - planeta). Dlouhodobým měřením kolísání jasnosti budeme moci určit rotační periodu planety a případně jevy jako je zatmění tamních exo-měsíců nebo jejich tranzity přes exoplanetu.

Velmi vzdálený výhled
Pokud bychom předpokládali, že kolem roku 2020 až 2030 zachytíme spektroskopicky biologické znaky na některé z nejbližších exoplanet (řádově jednotky parseků daleko), budou následovat tyto projekty:
A) Přímé zobrazení žijících organismů
B) Prezenční průzkum na místě

Podívejme se, co by to obnášelo v prvním případě - přímé zobrazení žijících organismů na blízké exoplanetě dalekohledy ze Sluneční soustavy. Pokud budeme požadovat rozlišení cca 1m, tak ve vzdálenosti Alfa Centauri, tedy 4,3 světelného roku bychom při pozorování na 600 nm (v červené barvě) potřebovali interferometr o délce základny 600 tisíc km (téměř poloměr Slunce). A to není vše. Samozřejmě, že takový živý organismus nebude svítit nijak intenzivním světlem. Bereme-li v potaz jeho "osvětlení" pouze odraženým světlem, tak bychom při použití dalekohledu o velikosti zrcadla 100km zachytili přibližně 1 foton za rok! No a protože živý organismus se bude pohybovat, tak pokud budeme předpokládát, že nám "postojí" na místě alespoň 1000 sekund, budeme na jeho zachycení potřebovat dalekohled o průměru zrcadla 3 miliony km (průměr orbity Země)!

Je jasné, že všechna tato čísla jsou nereálná i ve vzdálené budoucnosti. Snad jen pokud by se podařilo zrealizovat v dnešní době již rozpracovanou koncepci laserové fixace interferometrického pole dalekohledů v kosmu. Tato koncepce je v dnešní době bohužel nefunkční kvůli slunečnímu větru, který laserovou fixaci zrcadel rozrušuje (i v teorii na papíře).

Druhou možností jak se podívat na cizí organismy přímo je prezenční průzkum blízkých hvězd. Občas se vynoří hypotézy, jak dosáhnout rychlosti 0,3 rychlosti světla. I kdybychom měli pohon, který dokáže urychlit vesmírnou loď na tuto rychlost, jsou tu další, v dnešní době nepřekonatelné překážky. Při tak vysoké rychlosti bude závažným problémem vysokoenergetické kosmické záření, které bude ničit elektroniku lodi a zdraví posádky. Jsou zde návrhy, jak proti kosmickému záření bojovat pomocí 1m široké vrstvy vody ve vnějším plášti lodi. Hmotnost lodi však tím dramaticky narůstá. A i kdybychom se vypořádali s problémem kosmického záření, zůstává zde stále problém mezihvězdného prachu. 100 mikrogramové zrnko prachu v mezihvězdném prostoru by při srážce s lodí letící rychlostí 0,3 rychlosti světla mělo kinetickou energii jako srážka se 100 tunovým tělesem letícím rychlostí 100 km / h.

Závěrem lze říci, že v příštím století, či dvou stoletích budeme schopni pořizovat přímé obrázky a spektroskopii exoplanet do vzdálenosti 50 parseků a to pomocí vesmírných interferometrických přístrojů o obrovských základnách. Je pravděpodobné, že pomocí spektroskopie budeme schopni nalézt (pokud existují) bilogické známky na těchto planetách a snad i znaky vyspělých civilizací. Dalším logickým krokem by bylo přímé zobrazení živočichů na těchto exoplanetách. Obě v dnešní době myslitelné varianty (přímé zobrazení dalekohledem či vesmírná návštěva u sousedů) však znamenají, že si na něco takového budeme muset počkat ještě mnoho století. A tak přímému pohledu na mimozemšťana, i přes dnešní a budoucí vyspělou techniku, jsme vzdáleni stejně, jako Epicurus, který 300 let před Kristem předpověděl přítomnost planet okolo cizích hvězd, od jejich skutečného objevu.

Zdroj: THE FAR FUTURE OF EXOPLANET DIRECT CHARACTERISATION, Jean Schneider a kol., 2009