NASAs seneste metode til at jage exoplaneter? At hverve dig

Af alle de store, ambitiøse mål inden for astronomi lige nu, er et af de mest spændende opdagelsen og karakteriseringen af ​​exoplaneter, eller planeter uden for vores solsystem. Vi ved, at der sandsynligvis er lige så mange exoplaneter, som der er stjerner ude i universet, og at dette tal næsten helt sikkert inkluderer nogle planeter, der er som Jorden. Faktisk er vi lige begyndt at ridse overfladen af ​​at opdage disse mærkelige, nye verdener.

Astronomer har værktøjer som banebrydende James Webb rumteleskop at hjælpe dem med at identificere exoplaneter og kigge ind i deres atmosfærer, men der er kun så meget observationstid til rådighed på disse store, berømte teleskoper. Så for at hjælpe med at finde nye exoplaneter, henvender NASA sig til en underudnyttet ressource: borgerforskere.

Et nyligt udvidet NASA-program kaldet Exoplanet Watch inviterer medlemmer af offentligheden til at hjælpe med at observere exoplaneter ved hjælp af de samme dataanalysemetoder, som de professionelle bruger. For at lære om, hvordan det virker og potentialet for opdagelse ved hjælp af denne tilgang, talte vi med Rob Zellem fra NASA Jet Propulsion Laboratory, en astrofysiker og skaberen af ​​Exoplanet Watch program.

Amatør øjne på himlen

I betragtning af at der nu er over 5.000 kendte exoplaneter, tror du måske, at disse planeter er nemme at observere. Men det er ikke tilfældet. De fleste exoplaneter er umulige at observere direkte, fordi de er så meget mindre og svagere end de stjerner, som de kredser omkring. Så amatørastronomer, ligesom de professionelle, er afhængige af indirekte observationer for at lade dem vide, at en planet er der.

Det primære fokus for Exoplanet Watch er at se på en type planet kaldet en varm Jupiter - "store planeter omkring lyse stjerner", som Zellem beskriver dem - og observere deres transitter. En transit sker, når en af ​​planeterne passerer mellem os og dens værtsstjerne, hvilket midlertidigt gør lyset fra værtsstjernen svagere. Ved at observere den nøjagtige timing og mængden af ​​dette fald i lysstyrke kan astronomer regne ud, hvor stor planeten er, og hvor langt den kredser fra sin stjerne.

Dette er den samme metode, der bruges af mange professionelle exoplanet-jagtteleskoper, som NASAs Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) eller Den Europæiske Rumorganisations karakteristiske ExOPlanet Satellite (CHEOPS). Disse er begge rumbaserede teleskoper, hvilket betyder, at de får en fantastisk udsigt over rummet uhindret af Jordens atmosfære, men at observere tiden på dem er ekstremt begrænset.

Andre jordbaserede professionelle teleskoper observerer også exoplaneter, men de står over for en stor og uforudsigelig hindring: vejret. Hvis der er overskyet himmel over et observatorium, vil en hel nats observationer gå tabt - noget enhver professionel astronom har beskæftiget sig med. "Der er mange nætter, jeg personligt har mistet i den sydvestlige del af USA eller Mauna Kea på Hawaii på grund af vejret," sagde Zellem. "Det er den risiko, du løber ved at få tid på et hvilket som helst tilfældigt professionelt observatorium."

Exoplanet Watch er imidlertid et netværk af amatørastronomer fra hele kloden. Ved at lade observatører tage aflæsninger fra så mange forskellige steder, afbødes virkningerne af vejret. Selvom det er overskyet ét sted, kan observatører andre steder have frit udsyn.

Arbejder sammen over hele kloden

Netværket tillader også observation af exoplaneter, som ville være umuligt for en enkelt bruger at observere. En gasgigantisk exoplanet kaldet HD 80606 b, for eksempel tager det over 12 timer at passere sin stjerne. Astronomer skal ikke kun observere hele varigheden af ​​denne transit, men skal også tage observationer før og efter transit til bruge som en baseline, og der er simpelthen ikke en lang nok nat til at observere fuld tid andre steder på planeten end det ekstreme stænger.

I december 2021 arbejdede medlemmer af Exoplanet Watch sammen for at observere denne fulde transit fra start til slut, startende med brugere i Østasien, som derefter afleverede observationer til dem i Indien, derefter Europa og derefter Nordamerika, før de gik tilbage til brugere i Japan.

Data fra alle disse observatører, der spænder over 24 timer, blev samlet for at få de tilsvarende data til et teleskop, der var fastgjort til en ballon, der svævede hele vejen rundt om verden og observerede, mens den gik.

Facilitering af andres observationer

Zellem og andre medlemmer af Exoplanet Watch-teamet er ivrige efter at sikre, at amatørastronomerne der arbejder på projektet, får deres bidrag anerkendt, og mange er blevet fremhævet som hovedforfattere i akademiske publikationer om deres arbejde. Men meget af projektets arbejde handler ikke om prangende overskrifter som at opdage helt nye exoplaneter - i stedet er det handler om, at mennesker uselvisk donerer deres tid og kræfter for at gøre det muligt at gøre større videnskabelige opdagelser mere effektivt.

Tag James Webb-rumteleskopet. Dette fænomenalt kraftfulde teleskop kan ikke kun identificere exoplaneter, men kan også observere deres atmosfærer, noget praktisk talt intet andet værktøj inden for astronomi kan gøre. Men der er kun så mange timer på et døgn, og det værdsættes højt at observere tid.

"Vi har fået professionelle astronomer til at komme til os og sige," Hej, der er dette mål, som jeg vil observere i de næste par måneder med James Webb, kan du hjælpe os med at observere dette mål og forfine timingen?’” Zellam sagde.

Derefter arbejder amatørastronomerne i Exoplanet Watch for at finde begrænsningerne på exoplanetens transittider, så når Webb gør sine observationer, har den den bedst mulige chance for at se transitten og få lige så meget information om målet som den kan.

"Der, hvor Exoplanet Watch kommer ind, er ved at udføre denne forhåndsvurdering eller forhåndsobservationer. Vi hjælper med at finpudse timingen, så vi kan bruge James Webb mere effektivt og forhåbentlig få meget mere videnskab ud af det," forklarede Zellem.

Teleskoper på loftet

Mange af de mennesker, der har bidraget til Exoplanet Watch hidtil, er seriøse amatørastronomer, der har brugt år på at bygge imponerende teleskoper op og er meget erfarne i exoplanetobservationer. Men det niveau af engagement og udstyr er slet ikke påkrævet, og Zellem og teamet byder alle, der er interesseret i at observere, velkommen til at slutte sig til dem.

Det mindste teleskop, der hidtil er brugt i observationer, er kun 3,5 tommer, hvilket er en typisk størrelse for et lille startteleskop. Fordi de fleste observationer er lavet af lyse objekter, er meget kraftfulde hjemmeteleskoper ikke nødvendige.

"Du behøver ikke et meget stort teleskop for at udføre disse observationer," sagde Zellem. "Du kan faktisk bruge en masse teleskoper, som folk måske har hængende ude på deres loftsrum eller deres garager eller deres opbevaring."

Det er nyttigt for observatører at have et digitalt kamera til at fastgøre til deres teleskop for at optage deres observationer og en sporingsmekanisme, der hjælper med at følge et mål, når det bevæger sig hen over himlen. Men barrieren for adgang til projektet er lavere, end du måske forestiller dig.

Og for dem, der er bekymrede for at begå en fejl og ødelægge dataene, siger Zellam, at en styrke ved at have flere brugere er, at data kan kontrolleres mod andre observationer: "Hvis du har én bruger, der ved et uheld laver en fejl eller bruger de forkerte værdier, når de fortolker deres data, kan disse data luges ud af den større gruppe af observatører."

Bidrag uden teleskop

Selv dem, der slet ikke har adgang til et teleskop, kan stadig blive involveret i Exoplanet Watch-projektet. En anden gren af ​​projektet, udover observationerne, er dataanalyse. Projektet har adgang til arkivdata, der inkluderer 10 års data fra en 6-tommer robot teleskop, kaldet et autonomt observatorium, beliggende i Tucson, Arizona, Det er blevet doneret af en gruppe kaldet DIY planetsøgning.

I dette datasæt er der over 2.000 lyskurver, der kan være tegn på en exoplanet-transit, og offentligheden er inviteret til at hjælpe med denne dataanalyse. Noget særligt ved dette projekt er dog, at det ikke er en forenklet form for dataanalyse eller klassificering, som det ses i andre borgervidenskabelige projekter som dem på Zoounivers. I stedet kan borgerforskere bruge nøjagtig det samme databehandlingsprogram, som de professionelle hos NASA bruger.

Professionelle astronomer ved NASA havde allerede brugt et årti på at udvikle og bruge en dataanalyse værktøj kaldet Exotic, som var optimeret til at være lige så præcist og nyttigt til exoplanetforskning som muligt. "Og det blev meget tydeligt, at den bedste måde at sikre, at vores brugere fik gode resultater ud af deres data, var at lade dem bruge det samme nøjagtige dataværktøj," sagde Zellem.

Værktøjet er blevet uploadet til skyen for at gøre det nemmere at få adgang til selv på en mobiltelefon, så nu er alle, der har tid og interesse kan lære at behandle exoplanetdata ved hjælp af de samme værktøjer som fagfolk. De gennemgår hvert trin, fra at tage rådata fra et teleskop til at bestemme træk ved en observeret exoplanet.

Inspiration til næste generation

At få hjælp til observationer og dataanalyse er afgørende for professionelle astronomer, men projektet har også til formål at bringe flere mennesker i felten.

"Som et borgervidenskabsprojekt har vi videnskabelige mål, men også uddannelsesmål," sagde Zellem, "for at inspirere den næste generation af STEM-elever, folk der forhåbentlig kan gå ind i astronomi."

Det inkluderer at engagere det lidenskabelige og dygtige amatør-astronomiske samfund, men det involverer også at bringe nye mennesker ind, som måske har haft ringe eller ingen erfaring med denne form for videnskab før.

"Vi får folk involveret, som aldrig har lavet exoplanet-billeddannelse, aldrig lavet astrofotografering eller endda kigget gennem et teleskop," sagde Zellem. De mere erfarne gruppemedlemmer underviser og vejleder de nyere medlemmer i projektets Slack-gruppe, støtter hinanden og hjælper dem med at lære. "Det er en rigtig stor gruppe mennesker, og jeg er så stolt af dem."

En guldalder for exoplanetforskning

Exoplanet Watch-projektet udvides løbende, og nye datakilder tilføjes konstant til puljen, så der altid er noget nyt for folk at arbejde på. Men Zellem ønsker at udvide det endnu mere og skubbe grænserne for, hvad der kan observeres med mindre teleskoper.

En plan er at se, om nok små teleskoper, der arbejder sammen, kan observere mindre planeter, såsom dem, der kaldes superjorder. Et andet langsigtet mål er at tage flere observationer af værtsstjerner i en proces kaldet stjernevariabilitetsovervågning, som kan hjælpe med mere præcise målinger af exoplanetpassager.

Med flere exoplaneter, der bliver opdaget hver måned, er potentialet for både professionelle og amatørastronomer til at gøre opdagelser ubegrænset.

"Det føles virkelig, som om vi er i en guldalder af exoplanetforskning, og det er utroligt og meget sjovt at kunne arbejde inden for dette felt," sagde Zellam. "Og jeg tror virkelig, at borgervidenskab vil fortsætte med at være en stor del af dette."

Redaktørens anbefalinger

• Tjek den seneste version af NASAs glidende slangerobot
• Superfølsomt exoplanetjagtinstrument fanger sine første lysdata
• NASAs TESS har opdaget 5.000 exoplanetkandidater
• NASA afslører landingssted for sin måne-rover på vandjagt
• NASA ønsker at bruge en lille satellit til at hjælpe med at undersøge exoplanetatmosfærer