¿Es teóricamente posible capturar imágenes de exoplanetas que están a años luz de distancia en una resolución relativamente alta? ¿Utilizar técnicas similares al campo ultra profundo de Hubble con un tiempo de exposición de años o décadas en lugar de semanas podría resolver algo más pequeño que una estrella?

Ahora mismo no. Ni siquiera cerca. El UDF del Hubble es visualmente impresionante, pero es fácil olvidar que todas esas galaxias de alta resolución son billones y billones de veces más grandes que cualquier exoplaneta. La resolución del Hubble, en realidad, no es tan buena. Incluso a la distancia de la luna, no puede resolver nada más pequeño que unos 100 m.

El exoplaneta más cercano a la Tierra (y su existencia está en disputa) se llama Alpha Centauri Bb. Está a 4.37 años luz de distancia. A esa distancia, lo más pequeño que el Hubble puede ver es de unos 4 millones de millas de ancho.

Las resoluciones angulares más altas se logran mediante conjuntos de telescopios, y la ecuación se expresa como R = λ / B, donde λ es la longitud de onda de la luz y B es la distancia máxima entre puntos en la matriz. R es la resolución angular en radianes.

Imaginemos que queremos ver un exoplaneta a 100 años luz de distancia, y queremos resolverlo para que las características más pequeñas visibles tengan una milla de largo. Esa es una resolución angular de 1.7 * 10 ^ -15 radianes. Con nuestra fórmula de telescopio, podemos resolver B, dada una longitud de onda de 500 nm, y obtener lo siguiente:

(1.7 * 10 ^ -15) = (500 nm) / B

Resolver esa ecuación nos dice que B, la distancia de referencia de nuestra matriz de telescopios, debe ser de aproximadamente 294,000 kilómetros.

Entonces, como dijo Richard Adkins, es teóricamente posible construir un telescopio que pueda resolver exoplanetas en los detalles que describas. Pero hasta que comencemos a construir matrices de telescopios de la mitad del ancho del Sol, no va a suceder.

¿Es teóricamente posible …”
Cualquier cosa que no esté explícitamente prohibida por las leyes de la física es teóricamente posible.

En este momento, no, ni siquiera podemos acercarnos. Algún día: esperaría que fuera inevitable.

No tenemos buenas imágenes de Plutón, y Plutón es un vecino de al lado en comparación con todos los exoplanetas.

Entonces la respuesta a tu pregunta es no.