Hvordan næste generations teleskoper vil hjælpe os med at jage efter exoplaneter

I de senere år har vi opdaget en forbløffende række af planeter uden for vores eget solsystem. Ud over dem, der er potentielt beboelige, har vi også fundet exoplaneter, der er varmere end stjerner, har jernregn og gul himmel, og det har tæthed af bomuld. Men vi har stadig lige knap ridset overfladen af, hvad der er derude.

Den næste generation af planetjagtmissioner vil gå endnu længere, identificere exoplaneter og bestemme deres beboelighed selv fra tusindvis af lysår væk. For at lære mere om, hvordan du går på jagt efter en planets nål i høstaken i vores galakse, talte vi med tre eksperter, der arbejder på banebrydende exoplanetprojekter.

En eksplosion af exoplaneter

De første exoplaneter blev opdaget i 1992, og på mindre end tre årtier er antallet af kendte planeter uden for vores solsystem eksploderet. NASA skøn at antallet af kendte exoplaneter groft fordobles hver 27. måned.

Exoplanetopdagelse begyndte at bruge jordbaserede teleskoper, såsom den berømte opdagelse af exoplaneten 51 Peg b i 1995, som to schweiziske astronomer modtog Nobelprisen for. Men eksoplanetjagten blev virkelig sat i høj kurs med fremkomsten af ​​rumbaserede planetjagtteleskoper som NASAs Kepler og TESS missioner.

Nu identificerer og undersøger nye missioner fra NASA og ESA (European Space Agency) fjerne exoplaneter mere detaljeret end nogensinde før.

At finde exoplaneter i vores galakse

PLATO er ESAs næste generation af planetjagt-rumteleskop, og det bygges i øjeblikket med henblik på en opsendelse i 2026. Missionen vil koncentrere sig om klare stjerner, der er relativt tæt på os i galaksen, typisk i området mellem 300 og 1.000 lysår væk, når man ser på hvert område i mindst to år.

Missionen vil søge efter beboelige verdener ved hjælp af transitmetoden, hvor forskere måler lysstyrken af ​​en fjern stjerne. Hvis stjernens lysstyrke falder med jævne mellemrum, betyder det, at en planet passerer imellem os og stjernen, blokerer noget af det lys, stjernen afgiver, og forårsager dykket lysstyrke. At måle denne dyk præcist giver instrumenter som PLATO mulighed for meget nøjagtigt at beregne størrelsen af ​​planeten.

Den to-årige observationsperiode giver forskerne mulighed for at søge efter planeter med længere perioder. Så mens en mission som Kepler kiggede på et lille område af himlen i lang tid, og TESS ser på store regioner for himlen i en kort periode, vil PLATO se både på en stor region og i lang tid tid.

Vi får brug for instrumenter med en længere observationsperiode end tidligere missioner for at spotte planeter som vores egen, forklarede Ana Heras, projektforsker for PLATO, til Digital Trends i et interview. "Vi ønsker at opdage jordlignende planeter, og det betyder, at hvis du vil se en planet, der ligner Jorden i beboelig zone, den vil have en omløbsperiode på et år,” sagde hun. "Så vi skal observere i mindst to år, fordi vi vil se mindst to transitter."

Nuværende modeller tyder på, at observation af to transitter af en given stjerne bør give nok data til at identificere og til en vis grad karakterisere en exoplanet, men der er mulighed for, at PLATO kan observere det samme område i tre eller endda fire år, hvis nødvendig.

Ud over disse jordlignende planeter vil PLATO også se på køligere røde dværgstjerner, som potentielt kunne have beboelige exoplaneter, der kredser om dem. Teleskopets meget nøjagtige fotometer kan også måle information om de svingninger af stjerner, der observeres, hvilket kan fortælle forskerne om deres indre struktur og alder. "Dette vil give os mulighed for på en fantastisk måde at fremme forståelsen af ​​stjernernes evolution og generel viden om stjernernes fysik," sagde Heras.

En af de mest spændende muligheder ved PLATO er, at den er så præcis, at den måske endda er i stand til at detektere måner, der kredser om exoplaneter, kaldet eksomåner. Det er naturligt, at måner eksisterer uden for vores solsystem, men de nuværende metoder har endnu ikke endeligt bekræftet påvisningen af ​​en.

Chancen for, at PLATO kunne finde en sådan måne, åbner muligheden for at søge efter forskellige typer beboelige omgivelser - ikke kun jordlignende planeter, men også måner, der ligner dem som f.eks. Saturns måne Enceladus som er en af ​​de mest lovende potentielt beboelige ikke-jordiske steder i vores solsystem.

Hvor mange planeter er der i vores galakse?

Vi har opdaget cirka 4.200 exoplaneter indtil videre, og flere bliver annonceret næsten hver måned. Men der er stadig et åbent spørgsmål om, præcis hvor mange planeter der er i vores galakse. Brug af metoder som transitmetoden afslører kun planeter i bestemte konfigurationer - især dem, der er tæt på kredser om deres stjerner - så vi har brug for et overblik over galaksen for at få en bedre idé om, hvor mange planeter der er derude i Total.

Det er, hvad NASA er på vej Nancy Grace romerske rumteleskop, eller blot Roman, sigter efter at opdage. Teleskopet er i øjeblikket ved at blive bygget, og når det først er opsendt i slutningen af ​​2025 eller begyndelsen af ​​2026, vil det begynde en undersøgelse af nattehimlen kaldet Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Formålet med denne undersøgelse er ikke at opdage eller undersøge exoplaneter i sig selv, men snarere at opnå en stort billede af, hvor mange stjerner i vores galakse, der er vært for planetsystemer, og hvordan disse systemer er fordelt.

Detektering af planeter ved at bøje lys

For at udføre sin himmelundersøgelse vil Roman bruge en teknik kaldet mikrolinsing, som kan udvælge exoplaneter, men for det meste fortæller videnskabsmænd om de stjerner, som planeterne kredser omkring.

"Microlensing er unik på mange måder," fortalte hovedefterforsker for RGES, Scott Gaudi, til Digital Trends i et interview. Det er baseret på en proces kaldet gravitationslinser, som bruges til at detektere stjerner. "Sådan fungerer det, hvis du stirrer på en stjerne længe nok (ca. 500.000 år), så vil en anden forgrundsstjerne tilfældigt flyde tæt nok på din synslinje den baggrundsstjerne til at opdele lyset fra den baggrundsstjerne i to billeder,” han forklaret.

"Baggrundskildestjernen bliver lysere, når forgrundsstjernen kommer foran den, fordi forgrundsstjernens tyngdekraft bøjer lysstråler, der ville have været ved at forsvinde fra synsfeltet." Det betyder, at hvis forskerne observerer, at en baggrundsstjerne bliver lysere og derefter bliver svagere, kan de udlede, at en anden stjerne har passeret mellem den og os.

Denne teknik kan raffineres yderligere til at opdage exoplaneter. "Hvis den forgrundsstjerne tilfældigvis har en planet, så har den planet masse, hvilket betyder, at den også kan linse den stjerne gravitationsmæssigt," sagde Gaudi. "Så hvis et af de to billeder af den baggrundsstjerne skabt af værtsstjernen i forgrunden tilfældigvis passerer tæt på planeten, vil det forårsage en kort yderligere oplysning eller dæmpning, som varer mellem et par timer, hvis det drejer sig om en planet med jordmasse, til et par dage, når det drejer sig om en Jupiter-masse planet."

Problemet er, at disse begivenheder, hvor planeter og stjerner lige står i kø, er sjældne og uforudsigelige. Så for at fange dem skal astronomer se et stort antal stjerner. "Du får en linsebegivenhed per stjerne pr. 500.000 år, så det er lang tid at vente," sagde Gaudi. "Så i stedet overvåger vi omkring 100 millioner stjerner i den galaktiske bule [et tæt pakket område af stjerner i midten af ​​vores galakse], og på ethvert givet tidspunkt bliver mange tusinde objektiver."

Roman vil være særligt velegnet til denne type undersøgelser, da den har et meget stort synsfelt, hvilket gør det muligt for den at observere en stor del af den galaktiske bule. Den kan også overvåge disse millioner af stjerner på en tidsskala på 15 minutter, hvilket giver forskerne mulighed for at fange disse linsebegivenheder, efterhånden som de sker.

Supplerende missioner

De primære data, vi indtil videre har om, hvor mange exoplaneter der kan eksistere i vores galakse, kommer fra det nu pensionerede Kepler-rumteleskop, som undersøgte himlen mellem 2009 og 2018 og målte lysstyrken af ​​omkring 150.000 stjerner for at søge efter exoplaneter ved hjælp af transit metode.

Denne mission lagde grunden til exoplanetforskning i dag. Men på grund af den metode, som Kepler brugte, er der stadig mange exoplaneter, som den måske er gået glip af. Det romerske projekt har til formål at udvide og supplere dette arbejde ved at bruge en anden metode.

"RGES-undersøgelsen er vigtig, fordi den vil være komplementær til Kepler," forklarede Gaudi. "Mikrolinsemetoden er i sig selv følsom over for planeter, der er længere ude, så planeter med kredsløb, der er nogenlunde større end Jorden." Hvis denne metode blev brugt af fjerne rumvæsener til at observere vores solsystem, for eksempel, ville den være i stand til at detektere alle planeterne undtagen Merkur.

"Mens Kepler kun var følsom over for jordmasseplaneter. Så vi er virkelig nødt til at lave RGES-undersøgelsen for at lave denne statistiske optælling af exoplaneter i galaksen,” sagde Gaudi.

Mikrolinsing er heller ikke afhængig af skarpt lys fra stjernerne, der observeres, så det giver forskere mulighed for at observere systemer, der både er tæt på os og så langt væk som til centrum af galaksen. Roman vil give forskere mulighed for at få en statistisk forståelse af, hvordan planetsystemer er fordelt i hele vores galakse, Gaudi sagde: "Så vi kan faktisk bestemme den galaktiske fordeling af exoplanetariske systemer, hvilket dybest set er umuligt med andre teknik."

Karakterisering af exoplaneter ved hjælp af transitter

PLATO og romerske teleskoper vil være uvurderlige til at opdage nye exoplaneter og estimere, hvor mange exoplaneter der i alt findes i vores galakse. Men når vi først ved, hvor mange planeter der er, og hvor de er placeret, har vi brug for nye værktøjer til at lære mere om disse planeter - for at undersøge karakteristika som deres masse, størrelse og alder. Disse oplysninger kan hjælpe os med at se, hvilken slags planeter der er derude, uanset om de er gasgiganter som Jupiter eller Saturn eller klippeverdener som Jorden og Mars.

ESA lancerede for nylig et nyt rumbaseret teleskop kaldet CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), som undersøger exoplaneter fra kredsløb. CHEOPS-projektet vil sandsynligvis finde nogle nye exoplaneter i løbet af sin periode, men dets hovedmål er at undersøge exoplaneter fundet af andre undersøgelser mere detaljeret ved hjælp af transitmetoden.

"Vi er i virkeligheden en opfølgningsmission," forklarede Kate Isaak, projektforsker på CHEOPS, til Digital Trends i et interview. "Vi følger op for at finde størrelsen af ​​blandt andet kendte exoplaneter."

Det betyder, at forskerne på dette projekt har en fordel i deres observationer, da de allerede har den information, de har brug for, om hvornår en transit vil finde sted. De kan pege instrumentet mod målplaneten lige på det rigtige tidspunkt, mens det passerer for at fange information om det.

CHEOPS blev kun lanceret for et par måneder siden, men det har allerede opdaget ny information om planet KELT-11 b, og fandt ud af, at denne finurlige planet har så lav densitet, at den "ville flyde på vand i en stor nok swimmingpool," ifølge en erklæring fra forskerne.

Leder efter Earth 2

Påvisning og undersøgelse af exoplaneter handler ikke kun om at finde mærkelige verdener som KELT-9 b eller AU Mic b selvom. Det handler også om de største spørgsmål: Hvorvidt der eksisterer liv uden for Jorden. Det arbejde, der udføres af astronomer nu, begynder at undersøge spørgsmålene om ikke kun, hvor planeter er, men også om de kunne være beboelige. Til sidst kunne de hjælpe med at afgøre, om disse fjerne planeter faktisk er vært for liv.

"En af exoplanetvidenskabens hellige grale leder efter liv," sagde Isaak. "En af de ting, som folk leder efter, er en jordlignende planet. En Earth 2, kan man sige." Det indebærer at lede efter en stenet planet inden for en stjernes beboelige zone - afstanden fra en stjerne, hvor flydende vand kan eksistere på planetens overflade. Fremtidige missioner som det kommende James Webb-rumteleskop vil endda være i stand til at undersøge, om fjerne exoplaneter har en atmosfære.

Heras, PLATO-projektets videnskabsmand, var enig i vigtigheden af ​​søgen efter beboelighed. "Undersøgelsen af ​​muligvis beboelige exoplaneter er virkelig det næste skridt for at forstå ikke kun, hvordan planeter udvikler sig, men måske også hvordan livet opstod," sagde hun. "Efter alt, hvad vi har lært om exoplaneter, vil næste skridt være at lære mere om livets udvikling og hvordan livet startede."

Der er også et stort åbent spørgsmål om, hvorvidt der findes andre solsystemer derude, der ligner vores eget. "Vi vil også gerne vide, hvor unik vores planet er," sagde Heras. Hun forklarede, at selv med de tusindvis af opdagede exoplaneter, er meget få af disse inden for deres stjerners beboelige zone. "Så vi ved virkelig endnu ikke, med vores viden, hvor unikt vores solsystem er, og hvor unik Jorden er."

Det ultimative spørgsmål

Denne forbindelse mellem opdagelse af exoplaneter og søgen efter liv driver både de videnskabsmænd, der arbejder på disse projekter, og offentlighedens appetit på at lære om fjerne verdener. Det er umuligt at høre om bizarre exoplaneter og ikke at forestille sig, hvordan det ville være at leve på disse mærkelige steder.

"Exoplaneter er fascinerende, om ikke andet, fordi de er lette at forstå," sagde Isaak. "Vi bor på en planet. Spørgsmålet om, hvorvidt vi er alene, er et dybtgående spørgsmål - filosofisk, fysisk, psykologisk - det er et fascinerende spørgsmål, som vi let kan forstå. At søge efter og studere exoplaneter er skridt hen imod spørgsmålet om, er vi alene... Med CHEOPS kommer vi ikke til at finde liv. Vi vil ikke afslutte missionen med at sige, at vi har opdaget små grønne mænd på Planet X. Men det, vi vil gøre, er at bidrage til den proces, hvor du kan gøre det på længere sigt."

Selvom søgen efter liv ikke viser noget, ville det stadig være et dybt fund. Og selve søgningen kan anspore til videnskabelig undersøgelse og dyb kontemplation af vores plads i universet.

"Jeg tror, ​​vi alle søger efter mening," sagde Gaudi. "Hvis vi på en eller anden måde kunne have en idé om, hvorvidt liv, selv simpelt liv, opstod på en anden planet uafhængigt af livet på Jorden - eller hvis ikke, og vi er kosmisk ensomme - enten ville det have en meget dyb indvirkning på vores syn på os selv og vores plads i univers. Det er den mening, der driver mig personligt til at studere søgen efter beboelighed og potentielt liv."