Druga Ziemia może być około dziesięciu miliardów razy słabsza od swojej gwiazdy
Bezpośrednie sfotografowanie odpowiednika Ziemi nie polega tylko na zebraniu wystarczającej liczby fotonów. Trzeba przede wszystkim usunąć blask gwiazdy znajdującej się bardzo blisko na niebie. NASA szacuje, że obserwowana w świetle widzialnym Ziemia z innego układu byłaby około 10 miliardów razy słabsza od Słońca. To dlatego rozwija się koronografy, deformowalne zwierciadła i koncepcje zewnętrznych osłon typu starshade. Największym problemem nie jest więc „ciemność planety”, lecz kontrast z niemal sąsiadującym źródłem oślepiającego światła.
Dlaczego planeta jest tak słaba
Ziemia nie świeci własnym światłem widzialnym w sposób porównywalny ze Słońcem. Widzimy przede wszystkim odbite promieniowanie gwiazdy. Tylko niewielka część światła słonecznego padającego na planetę wraca w kierunku obserwatora, a powierzchnia Ziemi jest maleńka w porównaniu z tarczą Słońca. W rezultacie stosunek jasności planety do gwiazdy jest ekstremalnie niekorzystny.
Odległość kątowa jest drugim problemem
Nie wystarczy zablokować gwiazdy. Planeta znajduje się na niebie bardzo blisko niej, zwłaszcza dla systemów odległych o dziesiątki lat świetlnych. Instrument musi jednocześnie osiągnąć ogromne tłumienie światła gwiazdy i zachować zdolność rozdzielenia słabego punktu oddalonego o ułamek sekundy łuku. Najmniejsze błędy optyczne tworzą spekle — jasne artefakty mogące być silniejsze od planety.
Koronograf tworzy sztuczne „zaćmienie”
Koronograf wykorzystuje maski i układ optyczny, aby stłumić światło gwiazdy wewnątrz teleskopu. Deformowalne zwierciadła z wieloma aktuatorami korygują mikroskopijne niedoskonałości fali świetlnej i pomagają tworzyć w obrazie bardzo ciemny obszar, w którym można szukać planety. Roman ma demonstrować zaawansowane technologie koronograficzne, choć bezpośrednie obrazowanie prawdziwych odpowiedników Ziemi wymaga jeszcze wyższego poziomu kontrastu.
Starshade przenosi problem poza teleskop
Inna koncepcja zakłada duży, precyzyjnie ukształtowany ekran lecący tysiące kilometrów przed teleskopem. Ustawiony dokładnie na linii gwiazda–teleskop blokowałby jej światło, a światło znajdującej się obok planety docierałoby do optyki. Rozwiązanie ma własne trudności: ogromną precyzję formacji, przemieszczanie osłony między celami i konstrukcję dużej struktury kosmicznej.
Po co walczyć o pojedyncze fotony planety
Jeśli uda się odseparować światło skalistej planety od jej gwiazdy, można rozłożyć je na widmo i szukać pary wodnej, tlenu, metanu, chmur oraz właściwości powierzchni. Bezpośrednie obrazowanie może objąć układy, które z naszej perspektywy nie tranzytują. To jeden z powodów, dla których przyszłe koncepcje obserwatoriów nastawionych na zamieszkiwalne światy traktują tłumienie światła gwiazdy jako kluczową technologię.
Najcenniejszą nagrodą nie jest samo zdjęcie, lecz widmo odseparowane od gwiazdy
Bezpośrednio zobrazowana planeta przy odległej gwieździe zwykle nie byłaby tarczą z kontynentami i oceanami, lecz słabym punktem światła. Samo oddzielenie tego punktu ma jednak ogromną wartość, bo pozwala skierować analizę na fotony pochodzące bezpośrednio od planety zamiast wydobywać jej atmosferę wyłącznie z tranzytu. Rozszczepienie tego światła na widmo może ujawnić pochłanianie przez parę wodną, tlen, metan czy dwutlenek węgla, a także dać informacje o chmurach i albedo. Dlatego problem kontrastu jest tak fundamentalny. Nie chodzi o wykonanie efektownej fotografii, lecz o stworzenie warunków, w których astronom może w ogóle policzyć wystarczająco dużo planetarnych fotonów, aby zbadać ich zależność od długości fali. Koronografy, deformowalne lustra i koncepcje zewnętrznych przesłon są więc elementami przyszłej „chemii na odległość”: mają odjąć gwiazdę na tyle skutecznie, by pozostałe światło stało się nośnikiem informacji o atmosferze małego świata.
Kontrast zależy od długości fali
Planeta nie jest równie trudna do odseparowania od gwiazdy w każdym zakresie promieniowania. W świetle widzialnym analog Ziemi jest skrajnie słaby, natomiast w podczerwieni różnica jasności jest mniejsza, choć pojawiają się inne problemy techniczne i rozdzielczościowe. Dlatego projekty przyszłych obserwatoriów dobierają metodę tłumienia światła do zakresu, w którym chcą badać atmosferę.