Wie Teleskope der nächsten Generation uns bei der Suche nach Exoplaneten helfen werden

In den letzten Jahren haben wir eine erstaunliche Vielfalt an Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems entdeckt. Zusätzlich zu denen, die es sind potenziell bewohnbar, wir haben auch Exoplaneten gefunden, die es sind heißer als Sterne, haben Eisenregen und gelber Himmel, und das haben die Dichte von Zuckerwatte. Aber wir haben immer noch gerade erst an der Oberfläche dessen gekratzt, was da draußen ist.

Die nächste Generation von Planetenjagdmissionen wird noch weiter gehen und Exoplaneten identifizieren und ihre Bewohnbarkeit selbst aus Tausenden von Lichtjahren Entfernung bestimmen. Um mehr darüber zu erfahren, wie man im Heuhaufen unserer Galaxie nach der Nadel eines Planeten sucht, haben wir mit drei Experten gesprochen, die an hochmodernen Exoplanetenprojekten arbeiten.

Eine Explosion von Exoplaneten

Die ersten Exoplaneten wurden 1992 entdeckt und in weniger als drei Jahrzehnten ist die Zahl der bekannten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems explosionsartig angestiegen. NASA Schätzungen dass sich die Zahl der bekannten Exoplaneten etwa alle 27 Monate verdoppelt.

Die Entdeckung von Exoplaneten begann mit bodengestützten Teleskopen, beispielsweise bei der berühmten Entdeckung des Exoplaneten 51 Peg b im Jahr 1995, für die zwei Schweizer Astronomen den Nobelpreis erhielten. Mit dem Aufkommen weltraumgestützter Planetenjagdteleskope wie dem der NASA kam die Exoplanetenjagd jedoch richtig in Fahrt Kepler Und TESS Missionen.

Jetzt identifizieren und untersuchen neue Missionen der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation) entfernte Exoplaneten detaillierter als je zuvor.

Exoplaneten in unserer Galaxie finden

PLATO ist das Planetenjagd-Weltraumteleskop der nächsten Generation der ESA und wird derzeit mit dem Ziel gebaut, im Jahr 2026 zu starten. Die Mission wird sich auf helle Sterne konzentrieren, die in der Galaxie relativ nahe bei uns sind. typischerweise im Bereich zwischen 300 und 1.000 Lichtjahren entfernt, wobei man jeden Bereich mindestens einmal betrachten sollte 2 Jahre.

Die Mission wird mit der Transitmethode nach bewohnbaren Welten suchen, bei der Forscher die Helligkeit eines entfernten Sterns messen. Wenn die Helligkeit des Sterns in regelmäßigen Abständen abnimmt, deutet das darauf hin, dass sich ein Planet dazwischen bewegt Wir und der Stern blockieren einen Teil des vom Stern abgegebenen Lichts und verursachen den Einbruch Helligkeit. Die genaue Messung dieser Neigung ermöglicht es Instrumenten wie PLATO, die Größe des Planeten sehr genau zu berechnen.

Der zweijährige Beobachtungszeitraum ermöglicht den Wissenschaftlern die Suche nach Planeten mit längerer Periode. Während also eine Mission wie Kepler über einen längeren Zeitraum einen kleinen Bereich des Himmels betrachtete, blickt TESS darauf Während PLATO für kurze Zeit große Himmelsregionen betrachtet, wird er sowohl eine große Region als auch über einen längeren Zeitraum betrachten Zeit.

„Wir benötigen Instrumente mit einer längeren Beobachtungszeit als bei früheren Missionen, um Planeten wie unseren eigenen zu entdecken“, erklärte Ana Heras, Projektwissenschaftlerin für PLATO, Digital Trends in einem Interview. „Wir wollen erdähnliche Planeten erkennen, und das bedeutet, wenn man einen erdähnlichen Planeten im Weltraum sehen möchte bewohnbare Zone„Es wird eine Umlaufzeit von einem Jahr haben“, sagte sie. „Wir müssen also mindestens zwei Jahre lang beobachten, weil wir mindestens zwei Transite sehen wollen.“

Aktuelle Modelle legen nahe, dass die Beobachtung zweier Transite eines bestimmten Sterns genügend Daten liefern sollte, um ihn bis zu einem gewissen Grad zu identifizieren Charakterisieren eines Exoplaneten, aber es besteht die Möglichkeit, dass PLATO das gleiche Gebiet drei oder sogar vier Jahre lang beobachten könnte, wenn notwendig.

Zusätzlich zu diesen erdähnlichen Planeten wird PLATO auch kühlere Rote Zwergsterne untersuchen, was möglicherweise der Fall sein könnte bewohnbare Exoplaneten, die sie umkreisen. Das hochpräzise Photometer des Teleskops kann auch Informationen über die Schwingungen der beobachteten Sterne messen, die Wissenschaftlern Aufschluss über ihre innere Struktur und ihr Alter geben können. „Dies wird es uns ermöglichen, das Verständnis der Sternentwicklung und das allgemeine Wissen über die Sternphysik auf fantastische Weise voranzutreiben“, sagte Heras.

Eine der aufregendsten Möglichkeiten von PLATO besteht darin, dass es so genau ist, dass es möglicherweise sogar Monde erkennen kann, die um Exoplaneten kreisen, sogenannte Exomoons. Es liegt auf der Hand, dass Monde außerhalb unseres Sonnensystems existieren, aber aktuelle Methoden haben die Entdeckung eines Mondes noch nicht endgültig bestätigt.

Die Chance, dass PLATO einen solchen Mond finden könnte, eröffnet die Möglichkeit, nach verschiedenen Arten bewohnbarer Umgebungen zu suchen – nicht nur nach erdähnlichen Planeten, sondern auch nach ähnlichen Monden Saturnmond Enceladus Dies ist einer der vielversprechendsten potenziell bewohnbaren Orte außerhalb der Erde in unserem Sonnensystem.

Wie viele Planeten gibt es in unserer Galaxie?

Bisher haben wir etwa 4.200 Exoplaneten entdeckt, und praktisch jeden Monat werden weitere bekannt gegeben. Es bleibt jedoch die Frage offen, wie viele Planeten es genau in unserer Galaxie gibt. Mit Methoden wie der Transitmethode werden nur Planeten in bestimmten Konfigurationen sichtbar – insbesondere solche, die nahe beieinander liegen Sie kreisen um ihre Sterne – daher benötigen wir einen Gesamtüberblick über die Galaxie, um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, wie viele Planeten es dort draußen gibt gesamt.

Das ist es, was die NASA vorhat Römisches Weltraumteleskop Nancy Grace, oder einfach Roman, zielt darauf ab, etwas zu entdecken. Das Teleskop wird derzeit gebaut und wird nach seinem Start Ende 2025 oder Anfang 2026 mit einer Untersuchung des Nachthimmels namens Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES) beginnen.

Das Ziel dieser Umfrage ist nicht die Entdeckung oder Untersuchung von Exoplaneten an sich, sondern vielmehr die Gewinnung eines Gesamtansicht darüber, wie viele Sterne in unserer Galaxie Planetensysteme beherbergen und wie diese Systeme funktionieren verteilt.

Planeten durch Lichtbeugung erkennen

Um seine Himmelsdurchmusterung durchzuführen, wird Roman eine Technik namens Mikrolinsen verwenden, die Exoplaneten erkennen kann, den Wissenschaftlern aber vor allem Informationen darüber gibt, welche Sterne die Planeten umkreisen.

„Mikrolinsen sind in vielerlei Hinsicht einzigartig“, sagte der leitende Forscher von RGES, Scott Gaudi, in einem Interview mit Digital Trends. Es basiert auf einem Prozess namens Gravitationslinsen, der zur Erkennung von Sternen verwendet wird. „Es funktioniert so: Wenn man lange genug auf einen Stern starrt (ungefähr 500.000 Jahre), dann wird es zufällig ein anderer Stern im Vordergrund sein Schweben Sie nahe genug an diesem Hintergrundstern in Ihrer Sichtlinie, um das Licht dieses Hintergrundsterns in zwei Bilder aufzuteilen“, sagte er erklärt.

„Der Quellstern im Hintergrund wird heller, wenn der Vordergrundstern vor ihn kommt, weil die Schwerkraft des Vordergrundsterns Lichtstrahlen beugt, die sonst verschwunden wären aus der Sichtlinie.“ Das heißt, wenn Wissenschaftler beobachten, dass ein Hintergrundstern heller und dann schwächer wird, können sie daraus schließen, dass sich ein anderer Stern zwischen ihm und ihm bewegt hat uns.

Diese Technik kann weiter verfeinert werden, um Exoplaneten zu erkennen. „Wenn dieser Vordergrundstern zufällig einen Planeten hat, dann hat dieser Planet Masse, was bedeutet, dass er auch diesen Stern durch seine Gravitationslinse beeinflussen kann“, sagte Gaudi. „Wenn also eines dieser beiden Bilder dieses Hintergrundsterns, die vom Hauptstern im Vordergrund erstellt wurden, zufällig in der Nähe des Planeten vorbeifliegt, wird dies zu einem Kurzschluss führen zusätzliche Aufhellung oder Abschwächung, die zwischen einigen Stunden im Fall eines Planeten mit Erdmasse und einigen Tagen im Fall eines Planeten mit Jupitermasse anhält Planet."

Das Problem besteht darin, dass diese Ereignisse, bei denen Planeten und Sterne genau so ausgerichtet sind, selten und unvorhersehbar sind. Um sie einzufangen, müssen Astronomen also eine große Anzahl von Sternen beobachten. „Pro Stern kommt es alle 500.000 Jahre zu einem Linseneffekt, das ist also eine lange Wartezeit“, sagte Gaudi. „Stattdessen überwachen wir etwa 100 Millionen Sterne im galaktischen Bulge [einem dicht gepackten Sternengebiet in der Mitte unserer Galaxie] und zu jedem Zeitpunkt werden viele Tausende durch die Linse erfasst.“

Roman wird für diese Art von Untersuchung besonders geeignet sein, da es über ein sehr großes Sichtfeld verfügt und es ihm ermöglicht, einen großen Teil der galaktischen Ausbuchtung zu beobachten. Es kann diese Millionen von Sternen auch auf einer Zeitskala von 15 Minuten überwachen, sodass die Forscher diese Linsenereignisse sofort erfassen können, wenn sie stattfinden.

Ergänzende Missionen

Die primären Daten, die wir bisher darüber haben, wie viele Exoplaneten in unserer Galaxie existieren könnten, stammen vom inzwischen ausgemusterten Kepler-Weltraumteleskop. das zwischen 2009 und 2018 den Himmel untersuchte und die Helligkeit von rund 150.000 Sternen maß, um mithilfe des Transits nach Exoplaneten zu suchen Methode.

Diese Mission legte den Grundstein für die heutige Exoplanetenforschung. Aufgrund der von Kepler verwendeten Methode gibt es jedoch immer noch viele Exoplaneten, die möglicherweise übersehen wurden. Das römische Projekt zielt darauf ab, diese Arbeit durch eine andere Methode zu erweitern und zu ergänzen.

„Die RGES-Umfrage ist wichtig, weil sie die Kepler-Umfrage ergänzen wird“, erklärte Gaudi. „Die Mikrolinsenmethode ist von Natur aus empfindlich gegenüber Planeten, die weiter draußen sind, also Planeten mit Umlaufbahnen, die ungefähr größer sind als die des Planeten.“ Erde." Wenn diese Methode beispielsweise von weit entfernten Außerirdischen zur Beobachtung unseres Sonnensystems genutzt würde, wäre sie in der Lage, alle Planeten außer zu erkennen Quecksilber.

„Während Kepler nur wenig empfindlich auf Planeten mit Erdmasse reagierte. Wir müssen also unbedingt die RGES-Untersuchung durchführen, um diese statistische Zählung der Exoplaneten in der Galaxie durchzuführen“, sagte Gaudi.

Mikrolinsen sind außerdem nicht auf das helle Licht der beobachteten Sterne angewiesen und ermöglichen es Wissenschaftlern, Systeme zu beobachten, die sowohl in unserer Nähe als auch so weit entfernt wie das Zentrum der Galaxie liegen. Roman wird es Forschern ermöglichen, ein statistisches Verständnis darüber zu erlangen, wie Planetensysteme in unserer Galaxie, Gaudi, verteilt sind sagte: „So können wir tatsächlich die galaktische Verteilung exoplanetarer Systeme bestimmen, was mit keinem anderen System grundsätzlich unmöglich ist.“ Technik."

Charakterisierung von Exoplaneten mithilfe von Transiten

Die Teleskope PLATO und Roman werden von unschätzbarem Wert sein, um neue Exoplaneten zu entdecken und abzuschätzen, wie viele Exoplaneten insgesamt in unserer Galaxie existieren. Aber sobald wir wissen, wie viele Planeten es gibt und wo sie sich befinden, brauchen wir neue Werkzeuge, um mehr über diese Planeten zu erfahren – indem wir Eigenschaften wie ihre Masse, Größe und ihr Alter untersuchen. Diese Informationen können uns helfen zu erkennen, welche Art von Planeten es gibt, ob es sich um Gasriesen wie Jupiter oder Saturn oder um Gesteinswelten wie Erde und Mars handelt.

Die ESA ist kürzlich gestartet ein neues weltraumgestütztes Teleskop namens CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), das Exoplaneten aus der Umlaufbahn untersucht. Das CHEOPS-Projekt wird während seiner Laufzeit wahrscheinlich einige neue Exoplaneten finden, sein Hauptziel besteht jedoch darin, Exoplaneten, die bei anderen Untersuchungen gefunden wurden, mithilfe der Transitmethode detaillierter zu untersuchen.

„Wir sind praktisch eine Nachfolgemission“, erklärte Kate Isaak, Projektwissenschaftlerin bei CHEOPS, in einem Interview mit Digital Trends. „Wir verfolgen unter anderem die Größen bekannter Exoplaneten.“

Dies bedeutet, dass die Wissenschaftler dieses Projekts bei ihren Beobachtungen einen Vorteil haben, da sie bereits über die Informationen verfügen, die sie darüber benötigen, wann ein Transit stattfinden wird. Sie können das Instrument genau im richtigen Moment während des Transits auf den Zielplaneten richten, um Informationen über ihn zu erfassen.

CHEOPS wurde erst vor ein paar Monaten gestartet, hat aber bereits neue Informationen darüber entdeckt Planet KELT-11 bDabei wurde festgestellt, dass dieser eigenartige Planet eine so geringe Dichte aufweist, dass er „in einem ausreichend großen Schwimmbecken auf dem Wasser schwimmen würde“, heißt es in einer Aussage der Forscher.

Auf der Suche nach Erde 2

Bei der Entdeckung und Erforschung von Exoplaneten geht es nicht nur darum, fremde Welten zu finden KELT-9 b oder AU-Mikrofon b obwohl. Es geht auch um die größte aller Fragen: Ob es Leben außerhalb der Erde gibt oder nicht. Die Arbeit der Astronomen beginnt nun damit, nicht nur die Frage zu untersuchen, wo sich Planeten befinden, sondern auch, ob sie bewohnbar sein könnten. Letztendlich könnten sie dabei helfen herauszufinden, ob diese fernen Planeten tatsächlich Leben beherbergen.

„Einer der heiligen Grale der Exoplanetenwissenschaft ist die Suche nach Leben“, sagte Isaak. „Eines der Dinge, nach denen die Menschen suchen, ist ein erdähnlicher Planet. Eine Erde 2 könnte man sagen.“ Dazu gehört die Suche nach einem Gesteinsplaneten innerhalb der bewohnbaren Zone eines Sterns – der Entfernung von einem Stern, in der flüssiges Wasser auf der Oberfläche des Planeten existieren kann. Zukünftige Missionen wie das kommende James-Webb-Weltraumteleskop werden sogar untersuchen können, ob entfernte Exoplaneten eine Atmosphäre haben.

Heras, der PLATO-Projektwissenschaftler, stimmte der Bedeutung der Suche nach Bewohnbarkeit zu. „Die Untersuchung möglicherweise bewohnbarer Exoplaneten ist wirklich der nächste Schritt, um nicht nur zu verstehen, wie sich Planeten entwickeln, sondern vielleicht auch, wie Leben entstand“, sagte sie. „Nach allem, was wir über Exoplaneten gelernt haben, wird der nächste Schritt darin bestehen, mehr über die Entwicklung des Lebens und die Entstehung des Lebens zu erfahren.“

Es gibt auch eine große offene Frage, ob es da draußen noch andere Sonnensysteme gibt, die unserem eigenen ähneln. „Wir würden auch gerne wissen, wie einzigartig unser Planet ist“, sagte Heras. Sie erklärte, dass trotz der Tausenden entdeckten Exoplaneten nur sehr wenige davon in der bewohnbaren Zone ihrer Sterne liegen. „Mit unserem Wissen wissen wir also noch nicht, wie einzigartig unser Sonnensystem und wie einzigartig die Erde ist.“

Die ultimative Frage

Dieser Zusammenhang zwischen der Entdeckung von Exoplaneten und der Suche nach Leben treibt sowohl die Wissenschaftler, die an diesen Projekten arbeiten, als auch den Appetit der Öffentlichkeit an, etwas über ferne Welten zu lernen. Es ist unmöglich, von bizarren Exoplaneten zu hören und sich nicht vorzustellen, wie es wäre, an diesen seltsamen Orten zu leben.

„Exoplaneten sind nicht zuletzt deshalb faszinierend, weil sie leicht zu verstehen sind“, sagte Isaak. „Wir leben auf einem Planeten. Die Frage, ob wir allein sind, ist eine tiefgreifende Frage – philosophisch, physisch, psychisch – es ist eine faszinierende Frage, die wir leicht verstehen können. Die Suche nach und die Erforschung von Exoplaneten sind Schritte hin zur Frage, ob wir allein sind … Mit CHEOPS werden wir kein Leben finden. Wir werden die Mission nicht mit der Aussage beenden, dass wir kleine grüne Männchen auf Planet X entdeckt haben. Aber was wir tun werden, ist, zu dem Prozess beizutragen, mit dem Sie dies längerfristig erreichen können.“

Auch wenn die Suche nach Leben nichts ergibt, wäre das dennoch eine tiefgreifende Erkenntnis. Und die Suche selbst kann wissenschaftliche Untersuchungen und tiefe Überlegungen zu unserem Platz im Universum anregen.

„Ich denke, wir alle sind auf der Suche nach einem Sinn“, sagte Gaudi. „Wenn wir irgendwie eine Vorstellung davon bekommen könnten, ob Leben, selbst einfaches Leben, unabhängig vom Leben auf der Erde auf einem anderen Planeten entstanden wäre oder nicht – oder wenn nicht und wir kosmisch einsam sind – beides hätte einen sehr tiefgreifenden Einfluss auf unsere Sicht auf uns selbst und unseren Platz in der Welt Universum. Es ist diese Bedeutung, die mich persönlich antreibt, die Suche nach Bewohnbarkeit und potenziellem Leben zu untersuchen.“