Jak nám teleskopy nové generace pomohou při lovu exoplanet

V posledních letech jsme objevili úžasnou řadu planet mimo naši vlastní sluneční soustavu. Kromě těch, které jsou potenciálně obyvatelná, našli jsme také exoplanety, které jsou žhavější než hvězdy, mít železný déšť a žlutá obloha, a které mají hustota cukrové vaty. Ale stále jsme sotva poškrábali povrch toho, co je tam venku.

Další generace misí na lov planet půjde ještě dále, identifikuje exoplanety a určí jejich obyvatelnost i na tisíce světelných let daleko. Chcete-li se dozvědět více o tom, jak lovit jehlu planety v kupce sena naší galaxie, mluvili jsme se třemi odborníky pracujícími na špičkových projektech exoplanet.

Výbuch exoplanet

První exoplanety byly objeveny v roce 1992 a za méně než tři desetiletí počet známých planet mimo naši sluneční soustavu explodoval. NASA odhady že počet známých exoplanet se každých 27 měsíců zhruba zdvojnásobí.

Objevování exoplanet začalo pomocí pozemských dalekohledů, jako byl slavný objev exoplanety 51 Peg b v roce 1995, za který dva švýcarští astronomové dostali Nobelovu cenu. Ale lov exoplanet skutečně nastartoval s příchodem vesmírných teleskopů pro lov planet, jako je NASA Kepler a TESS misí.

Nyní nové mise NASA a ESA (European Space Agency) identifikují a zkoumají vzdálené exoplanety podrobněji než kdy předtím.

Hledání exoplanet v naší galaxii

PLATO je vesmírný dalekohled ESA nové generace pro lov planet a v současné době se buduje s cílem startu v roce 2026. Mise se zaměří na jasné hvězdy, které jsou relativně blízko nás v galaxii, typicky v oblasti mezi 300 a 1 000 světelnými roky daleko, při pohledu na každou oblast minimálně dva roky.

Mise bude hledat obyvatelné světy pomocí tranzitní metody, při které vědci měří jas vzdálené hvězdy. Pokud jas hvězdy klesá v pravidelných intervalech, znamená to, že mezi nimi prochází planeta my a hvězda, blokující část světla vydávaného hvězdou a způsobující propad jas. Přesné měření tohoto poklesu umožňuje přístrojům jako PLATO velmi přesně vypočítat velikost planety.

Dvouleté pozorovací období umožňuje vědcům hledat planety s delším obdobím. Takže zatímco mise jako Kepler se po dlouhou dobu dívala na malou oblast oblohy a TESS se dívá na velké oblasti na obloze na krátkou dobu, PLATO se podívá jak na velkou oblast, tak na dlouhou dobu čas.

Potřebujeme přístroje s delší dobou pozorování než předchozí mise, abychom objevili planety, jako je naše vlastní, vysvětlila Ana Heras, projektová vědkyně pro PLATO, pro Digital Trends v rozhovoru. „Chceme detekovat planety podobné Zemi, a to znamená, pokud chcete vidět planetu podobnou Zemi obyvatelná zóna, bude mít oběžnou dobu jeden rok,“ řekla. "Takže musíme pozorovat alespoň dva roky, protože chceme vidět alespoň dva tranzity."

Současné modely naznačují, že pozorování dvou přechodů dané hvězdy by mělo poskytnout dostatek dat k identifikaci a do určité míry charakterizují exoplanetu, ale existuje možnost, že by PLATO mohla stejnou oblast pozorovat tři nebo dokonce čtyři roky, pokud nutné.

Kromě těchto planet podobných Zemi se PLATO podívá také na chladnější červené trpaslíky, které by mohly mít obyvatelné exoplanety, které kolem nich obíhají. Vysoce přesný fotometr dalekohledu může také měřit informace o oscilacích pozorovaných hvězd, což může vědcům říci o jejich vnitřní struktuře a stáří. "To nám umožní fantastickým způsobem pokročit v chápání hvězdné evoluce a obecných znalostí o fyzice hvězd," řekl Heras.

Jednou z nejzajímavějších možností PLATO je, že je tak přesný, že může být dokonce schopen detekovat měsíce obíhající kolem exoplanet, nazývaných exoměsíce. Je logické, že měsíce existují mimo naši sluneční soustavu, ale současné metody zatím detekci jednoho definitivně nepotvrdily.

Šance, že PLATO najde takový měsíc, otevírá možnost hledání různých typů obyvatelného prostředí – nejen planet podobných Zemi, ale i měsíců podobných těm Saturnův měsíc Enceladus což je jedno z nejslibnějších potenciálně obyvatelných míst mimo Zemi v naší sluneční soustavě.

Kolik planet je v naší galaxii?

Dosud jsme objevili přibližně 4200 exoplanet, přičemž další jsou oznamovány prakticky každý měsíc. Otevřenou otázkou však zůstává, kolik přesně planet je v naší galaxii. Použití metod, jako je tranzitní metoda, odhaluje planety pouze v určitých konfiguracích - zejména ty, které jsou blízko obíhá k jejich hvězdám – takže potřebujeme celkový pohled na galaxii, abychom získali lepší představu o tom, kolik planet tam venku je celkový.

To je to, co NASA chystá Římský vesmírný dalekohled Nancy Grace, nebo prostě Roman, má za cíl objevit. Teleskop je v současné době ve výstavbě a jakmile bude koncem roku 2025 nebo začátkem roku 2026 vypuštěn, zahájí průzkum noční oblohy s názvem Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Cílem tohoto průzkumu není objevit nebo prozkoumat exoplanety jako takové, ale spíše získat a velkoplošný pohled na to, kolik hvězd v naší galaxii hostí planetární systémy a jaké jsou tyto systémy distribuováno.

Detekce planet ohýbáním světla

K provedení průzkumu oblohy použije Roman techniku ​​zvanou mikročočky, která dokáže zachytit exoplanety, ale většinou vědcům řekne o hvězdách, kolem kterých planety obíhají.

„Microlensing je v mnoha ohledech jedinečný,“ řekl v rozhovoru pro Digital Trends hlavní výzkumník pro RGES Scott Gaudi. Je založen na procesu zvaném gravitační čočka, který se používá k detekci hvězd. „Funguje to tak, že když se díváte na hvězdu dostatečně dlouho (asi 500 000 let), pak se jen náhodou objeví jiná hvězda v popředí. vznášet se dostatečně blízko k vaší zorné linii hvězdy v pozadí, aby se světlo z této hvězdy v pozadí rozdělilo na dva obrazy,“ řekl vysvětlil.

„Zdrojová hvězda v pozadí se zjasňuje, když se hvězda v popředí dostává před ni, protože gravitace hvězdy v popředí ohýbá světelné paprsky, které by odešly. z přímého pohledu." To znamená, že pokud vědci pozorují, že hvězda v pozadí je jasnější a poté slabší, mohou usuzovat, že mezi ní a hvězdou prošla jiná hvězda. nás.

Tato technika může být dále zdokonalena pro detekci exoplanet. "Pokud má tato hvězda v popředí planetu, pak má tato planeta hmotnost, což znamená, že může gravitačně zrcadlit i tuto hvězdu," řekl Gaudi. Takže pokud jeden z těchto dvou snímků hvězdy v pozadí vytvořených hostitelskou hvězdou v popředí náhodou projde blízko planety, způsobí to krátké dodatečné zjasnění nebo ztmavení, které trvá od několika hodin v případě planet o hmotnosti Země až po několik dní v případě o hmotnosti Jupitera planeta."

Problém je v tom, že tyto události, při kterých se planety a hvězdy jen tak seřadí, jsou vzácné a nepředvídatelné. Aby je astronomové mohli zachytit, potřebují sledovat obrovské množství hvězd. "Dostanete jednu čočku na hvězdu za 500 000 let, takže čekání je dlouhá doba," řekl Gaudi. "Namísto toho sledujeme zhruba 100 milionů hvězd v galaktické výduti [hustě zaplněná oblast hvězd uprostřed naší galaxie] a v kteroukoli danou chvíli je jich mnoho tisíc."

Roman bude pro tento typ vyšetřování obzvláště vhodný, protože má velmi velké zorné pole, což mu umožňuje pozorovat velký kus galaktické výdutě. Může také monitorovat tyto miliony hvězd v časovém měřítku 15 minut, což umožňuje výzkumníkům zachytit tyto události čočky tak, jak k nim dochází.

Doplňkové mise

Primární údaje, které zatím máme o tom, kolik exoplanet by mohlo existovat v naší galaxii, pocházejí z dnes již vysloužilého Keplerova vesmírného dalekohledu, která v letech 2009 až 2018 zkoumala oblohu a měřila jas asi 150 000 hvězd, aby pomocí tranzitu hledala exoplanety metoda.

Tato mise položila základy dnešního výzkumu exoplanet. Díky metodě, kterou Kepler použil, však stále existuje mnoho exoplanet, které mohl minout. Římský projekt si klade za cíl tuto práci rozšířit a doplnit použitím jiné metody.

"Průzkum RGES je důležitý, protože bude komplementární s Keplerem," vysvětlil Gaudi. „Metoda mikročoček je vnitřně citlivá na planety, které jsou dále, takže planety s oběžnými dráhami zhruba většími než Země." Pokud by tuto metodu použili vzdálení mimozemšťané k pozorování naší sluneční soustavy, například by byla schopna detekovat všechny planety kromě Rtuť.

"Zatímco Kepler byl jen stěží citlivý na planety o hmotnosti Země." Takže opravdu potřebujeme provést průzkum RGES, abychom provedli toto statistické sčítání exoplanet v galaxii,“ řekl Gaudi.

Mikročočka také není závislá na jasném světle z pozorovaných hvězd, takže umožňuje vědcům pozorovat systémy, které jsou jak blízko nás, tak daleko od středu galaxie. Roman umožní výzkumníkům získat statistické informace o tom, jak jsou planetární systémy distribuovány v celé naší galaxii, Gaudi řekl: „Takže můžeme skutečně určit galaktické rozložení exoplanetárních systémů, což je v podstatě nemožné s žádným jiným technika."

Charakterizace exoplanet pomocí tranzitů

Teleskopy PLATO a Římské dalekohledy budou neocenitelné pro objevování nových exoplanet a odhadování, kolik exoplanet celkem existuje v naší galaxii. Jakmile však víme, kolik planet existuje a kde se nacházejí, potřebujeme nové nástroje, abychom se o těchto planetách dozvěděli více – zkoumali vlastnosti, jako je jejich hmotnost, velikost a stáří. Tyto informace nám mohou pomoci zjistit, jaké planety tam jsou, ať už jsou to plynní obři jako Jupiter nebo Saturn nebo kamenné světy jako Země a Mars.

Nedávno byla spuštěna ESA nový vesmírný dalekohled nazvaný CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), který zkoumá exoplanety z oběžné dráhy. Projekt CHEOPS během svého působení pravděpodobně najde nějaké nové exoplanety, ale jeho hlavním cílem je prozkoumat exoplanety nalezené jinými průzkumy podrobněji pomocí tranzitní metody.

"Jsme ve skutečnosti následnou misí," vysvětlila Kate Isaak, projektová vědkyně na CHEOPS, v rozhovoru pro Digital Trends. "Sledujeme mimo jiné velikosti známých exoplanet."

To znamená, že vědci na tomto projektu mají ve svých pozorováních výhodu, protože již mají potřebné informace o tom, kdy dojde k tranzitu. Mohou nasměrovat přístroj na cílovou planetu právě ve správný okamžik, když prochází, aby o ní získali informace.

CHEOPS byl spuštěn teprve před několika měsíci, ale již o něm objevil nové informace planeta KELT-11 b, zjistili, že tato podivná planeta má tak nízkou hustotu, že „by plavala na vodě v dostatečně velkém bazénu“, podle prohlášení výzkumníků.

Hledá se Země 2

Detekce a studium exoplanet není jen o hledání podivných světů KELT-9 b nebo AU Mic b ačkoli. Je to také o největších otázkách: Zda existuje život mimo Zemi nebo ne. Práce, kterou nyní vykonávají astronomové, začíná zkoumat otázky nejen toho, kde planety jsou, ale také zda by mohly být obyvatelné. Nakonec by mohli pomoci určit, zda tyto vzdálené planety skutečně hostí život.

"Jeden ze svatých grálů exoplanetové vědy je hledání života," řekl Isaak. „Jednou z věcí, které lidé hledají, je planeta podobná Zemi. Dalo by se říci Země 2." To zahrnuje hledání kamenné planety v obyvatelné zóně hvězdy - vzdálenost od hvězdy, ve které může na povrchu planety existovat kapalná voda. Budoucí mise, jako je připravovaný vesmírný teleskop Jamese Webba, budou dokonce schopny zkoumat, zda vzdálené exoplanety mají atmosféru.

Heras, vědec projektu PLATO, souhlasil s důležitostí hledání obyvatel. "Studium možná obyvatelných exoplanet je skutečně dalším krokem k pochopení nejen toho, jak se planety vyvíjejí, ale také možná, jak se objevil život," řekla. "Po tom všem, co jsme se naučili o exoplanetách, bude dalším krokem dozvědět se více o vývoji života a o tom, jak život začal."

Existuje také velká otevřená otázka, zda existují jiné solární systémy podobné naší. "Také bychom rádi věděli, jak jedinečná je naše planeta," řekl Heras. Vysvětlila, že i přes tisíce objevených exoplanet se jen velmi málo z nich nachází v obyvatelné zóně jejich hvězd. "Takže s našimi znalostmi opravdu ještě nevíme, jak jedinečná je naše sluneční soustava a jak jedinečná je Země."

Poslední otázka

Toto spojení mezi objevem exoplanet a hledáním života pohání jak vědce pracující na těchto projektech, tak i touhu veřejnosti poznávat vzdálené světy. Je nemožné slyšet o bizarních exoplanetách a nepředstavit si, jaké by to bylo žít na těchto podivných místech.

"Exoplanety jsou fascinující, když už nic jiného, ​​protože jsou snadno pochopitelné," řekl Isaak. "Žijeme na planetě." Otázka, zda jsme sami, je hluboká – filozoficky, fyzicky, psychologicky – je to fascinující otázka a můžeme jí snadno porozumět. Hledání a studium exoplanet jsou kroky k otázce, zda jsme sami... S CHEOPS nenajdeme život. Misi neukončíme tím, že jsme objevili malé zelené mužíčky na planetě X. Ale co uděláme je, že přispějeme k procesu, kterým byste to mohli udělat z dlouhodobého hlediska.“

I kdyby hledání života nic nepřineslo, stále by to bylo hluboké zjištění. A samotné hledání může podnítit vědecké zkoumání a hluboké rozjímání o našem místě ve vesmíru.

"Myslím, že všichni hledáme smysl," řekl Gaudi. "Kdybychom mohli mít představu o tom, zda život, i prostý život, vznikl na jiné planetě nezávisle na životě na Zemi - nebo pokud ne a jsme vesmírně osamělí – obojí by mělo velmi hluboký dopad na náš pohled na sebe a naše místo v vesmír. Je to tento význam, který mě osobně vede ke studiu hledání obyvatelnosti a potenciálně života."