Kuidas järgmise põlvkonna teleskoobid aitavad meil eksoplaneete jahtida

Viimastel aastatel oleme avastanud hämmastava hulga planeete väljaspool meie enda päikesesüsteemi. Lisaks neile, mis on potentsiaalselt elamiskõlbulik, oleme leidnud ka eksoplaneete, mis on kuumem kui tähed, on raudne vihm ja kollane taevas, ja millel on suhkruvati tihedus. Kuid me oleme ikka veel vaevu kriimustanud, mis seal on.

Järgmise põlvkonna planeediotsimismissioonid lähevad veelgi kaugemale, tuvastades eksoplaneete ja määrates nende elamiskõlblikkuse isegi tuhandete valgusaastate kauguselt. Et saada lisateavet meie galaktika heinakuhjas oleva planeedi nõela jahtimise kohta, rääkisime kolme eksperdiga, kes töötavad tipptasemel eksoplaneediprojektide kallal.

Eksoplaneetide plahvatus

Esimesed eksoplaneedid avastati 1992. aastal ja vähem kui kolme aastakümnega on teadaolevate planeetide arv väljaspool meie päikesesüsteemi plahvatuslikult kasvanud. NASA hinnangud et teadaolevate eksoplaneetide arv ligikaudu kahekordistub iga 27 kuu järel.

Eksoplaneedi avastamisel hakati kasutama maapealseid teleskoope, nagu näiteks kuulus eksoplaneedi 51 Peg b avastus 1995. aastal, mille eest kaks Šveitsi astronoomi said Nobeli preemia. Kuid eksoplaneetide jaht läks tõesti hoogu, kui tulid kosmosepõhised planeedijahtimise teleskoobid, nagu NASA Kepler ja TESS missioonid.

Nüüd tuvastavad ja uurivad NASA ja ESA (Euroopa Kosmoseagentuur) uued missioonid kaugeid eksoplaneete üksikasjalikumalt kui kunagi varem.

Eksoplaneetide leidmine meie galaktikast

PLATO on ESA järgmise põlvkonna planeete jahtiv kosmoseteleskoop, mida praegu ehitatakse eesmärgiga startida 2026. aastal. Missioon keskendub eredatele tähtedele, mis on meie galaktikas suhteliselt lähedal, tavaliselt 300–1000 valgusaasta kaugusel, vaadates iga piirkonda vähemalt kaks aastat.

Missioon otsib elamiskõlblikke maailmu transiidimeetodil, mille käigus teadlased mõõdavad kauge tähe heledust. Kui tähe heledus langeb korrapäraste ajavahemike järel, tähendab see, et planeet liigub nende vahelt meid ja tähte, blokeerides osa tähe poolt eraldatavast valgusest ja põhjustades sisselangemise heledus. Selle languse täpne mõõtmine võimaldab sellistel instrumentidel nagu PLATO planeedi suuruse väga täpselt arvutada.

Kaheaastane vaatlusperiood võimaldab teadlastel otsida pikema perioodiga planeete. Nii et kui missioon nagu Kepler vaatas pikka aega väikest ala taevast, siis TESS vaatas suured piirkonnad taeva jaoks lühikeseks ajaks, PLATO vaatab nii suurt piirkonda kui ka pikka aega aega.

Meile sarnaste planeetide tuvastamiseks vajame instrumente, mille vaatlusperiood on pikem kui varasematel missioonidel, selgitas PLATO projektiteadlane Ana Heras intervjuus väljaandele Digital Trends. "Me tahame tuvastada Maa-sarnaseid planeete ja see tähendab, et kui soovite näha Maaga sarnast planeeti elamiskõlblik tsoon, on selle tiirlemisperiood üks aasta, ”ütles ta. "Seega peame jälgima vähemalt kaks aastat, sest tahame näha vähemalt kahte transiiti."

Praegused mudelid näitavad, et antud tähe kahe transiidi jälgimine peaks andma piisavalt andmeid tuvastamiseks ja teatud määral iseloomustada eksoplaneeti, kuid on võimalus, et PLATO võib vaadelda sama piirkonda kolm või isegi neli aastat, kui vajalik.

Lisaks nendele Maa-sarnastele planeetidele vaatab PLATO ka jahedamaid punaseid kääbustähti, millel võib olla nende ümber tiirlevad elamiskõlblikud eksoplaneedid. Teleskoobi ülitäpne fotomeeter suudab mõõta ka teavet vaadeldavate tähtede võnkumiste kohta, mis võib teadlastele öelda nende sisemise struktuuri ja vanuse kohta. "See võimaldab meil fantastiliselt edendada tähtede evolutsiooni mõistmist ja üldisi teadmisi tähtede füüsika kohta," ütles Heras.

Üks PLATO põnevamaid võimalusi on see, et see on nii täpne, et see võib isegi tuvastada eksoplaneetide ümber tiirlevaid kuud, mida nimetatakse eksokuudeks. On loogiline, et kuud eksisteerivad väljaspool meie päikesesüsteemi, kuid praegused meetodid ei ole veel lõplikult kinnitanud nende tuvastamist.

Võimalus, et PLATO võiks sellise kuu leida, avab võimaluse otsida erinevat tüüpi elamiskõlblikku keskkonda – mitte ainult Maa-sarnaseid planeete, vaid ka sarnaseid kuid. Saturni kuu Enceladus mis on üks lootustandvamaid potentsiaalselt elamiskõlbulikke mitte-Maa asukohti meie päikesesüsteemis.

Mitu planeeti on meie galaktikas?

Oleme seni avastanud ligikaudu 4200 eksoplaneeti, millest teatatakse peaaegu iga kuu rohkem. Kuid lahtiseks jääb küsimus, kui palju planeete meie galaktikas täpselt on. Selliste meetodite kasutamine nagu transiidimeetod paljastab planeedid ainult teatud konfiguratsioonides, eriti nendes, mis on lähedal tiirleb oma tähtede poole – seega vajame galaktikast üldist vaadet, et saada parem ülevaade sellest, kui palju planeete seal on. kokku.

See on NASA tulemas Nancy Grace Rooma kosmoseteleskoop, või lihtsalt Roman, eesmärk on avastada. Teleskoopi ehitatakse praegu ja pärast seda, kui see 2025. aasta lõpus või 2026. aasta alguses käivitatakse, alustab see öise taeva uuringut, mida nimetatakse Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Selle uuringu eesmärk ei ole avastada ega uurida eksoplaneete per se, vaid pigem saada a suur pilt sellest, kui palju tähti meie galaktikas on planeedisüsteemides ja kuidas need süsteemid on jaotatud.

Planeetide tuvastamine valguse painutamise teel

Taevauuringu läbiviimiseks kasutab Roman tehnikat, mida nimetatakse mikroläätsemiseks, mis suudab välja selgitada eksoplaneete, kuid enamasti räägib teadlastele tähtedest, mille ümber planeedid tiirlevad.

"Mikroläätsimine on mitmel viisil ainulaadne," ütles RGES-i juhtivuurija Scott Gaudi intervjuus Digital Trendsile. See põhineb protsessil, mida nimetatakse gravitatsiooniläätsedeks, mida kasutatakse tähtede tuvastamiseks. "See toimib nii, et kui vaatate tähte piisavalt kaua (umbes 500 000 aastat), siis juhtub juhuslikult mõni teine ​​esiplaanil täht. hõljuge see taustatäht teie vaateväljale piisavalt lähedal, et jagada selle taustatähe valgus kaheks pildiks," selgitas.

"Tausta lähtetäht muutub heledamaks, kui esiplaani täht tuleb selle ette, sest esiplaanil oleva tähe gravitatsioon painutab valguskiiri, mis oleksid lahkunud vaateväljast." See tähendab, et kui teadlased jälgivad, et taustatäht muutub heledamaks ja seejärel nõrgemaks, võivad nad järeldada, et selle ja tähe vahel on möödunud mõni teine ​​täht. meie.

Seda tehnikat saab eksoplaneetide tuvastamiseks veelgi täiustada. "Kui sellel esiplaanil oleval tähel juhtub olema planeet, siis sellel planeedil on mass, mis tähendab, et see võib gravitatsiooniliselt ka seda tähte objektiivi anda," ütles Gaudi. "Nii et kui üks nendest kahest esiplaanil asuva peremeestähe taustapildi kujutisest möödub planeedi lähedalt, põhjustab see lühiajalise täiendav heledamaks muutumine või tuhmumine, mis kestab mõnest tunnist Maa massiga planeedi puhul kuni mõne päevani Jupiteri massi korral planeet."

Probleem on selles, et need sündmused, kus planeedid ja tähed asetsevad just nii, on haruldased ja ettearvamatud. Nii et nende jäädvustamiseks peavad astronoomid jälgima tohutul hulgal tähti. "Te saate ühe objektiivi iga tähe kohta 500 000 aasta jooksul, nii et see on pikk aeg oodata," ütles Gaudi. "Nii et me jälgime selle asemel umbes 100 miljonit tähte galaktika mõhnas [tihedalt täidetud tähtede ala meie galaktika keskel] ja igal ajahetkel on palju tuhandeid objektiive."

Roman sobib seda tüüpi uurimiseks eriti hästi, kuna sellel on väga suur vaateväli, mis võimaldab vaadelda suurt osa galaktilisest mõhnast. Samuti saab see jälgida neid miljoneid tähti 15 minuti jooksul, võimaldades teadlastel jäädvustada neid objektiivi sündmusi, kui need juhtuvad.

Täiendavad missioonid

Peamised andmed, mis meil seni on selle kohta, kui palju eksoplaneete meie galaktikas eksisteerida võib, pärinevad nüüdseks kasutusest kõrvaldatud Kepleri kosmoseteleskoobist, mis uuris taevast aastatel 2009–2018, mõõtes umbes 150 000 tähe heledust, et otsida transiidi abil eksoplaneete meetod.

See missioon pani aluse eksoplaneetide uurimisele täna. Kuid Kepleri kasutatud meetodi tõttu on endiselt palju eksoplaneete, millest ta võis mööda vaadata. Rooma projekti eesmärk on laiendada ja täiendada seda tööd teistsugust meetodit kasutades.

"RGES-uuring on oluline, kuna see täiendab Keplerit," selgitas Gaudi. "Mikroläätsemise meetod on oma olemuselt tundlik planeetide suhtes, mis asuvad kaugemal, nii et planeedid, mille orbiidid on ligikaudu suuremad kui Maa." Kui kauged tulnukad kasutaksid seda meetodit näiteks meie päikesesüsteemi vaatlemiseks, suudaks see tuvastada kõik planeedid, välja arvatud Elavhõbe.

"Képler oli Maa massiga planeetide suhtes vaid vaevu tundlik. Nii et galaktika eksoplaneetide statistilise loenduse tegemiseks peame tõesti läbi viima RGES-uuringu, ”ütles Gaudi.

Mikroläätsemine ei sõltu ka vaadeldavate tähtede eredast valgusest, nii et see võimaldab teadlastel jälgida süsteeme, mis asuvad nii meie lähedal kui ka galaktika keskpunktist kaugel. Roman võimaldab teadlastel saada statistilist arusaama planeedisüsteemide jaotumisest meie galaktikas Gaudi ütles: "Seega saame tegelikult määrata eksoplanetaarsete süsteemide galaktilise jaotuse, mis on põhimõtteliselt võimatu ühegi teisega. tehnikat."

Eksoplaneetide iseloomustamine transiitide abil

PLATO ja Rooma teleskoobid on hindamatu väärtusega uute eksoplaneetide avastamiseks ja meie galaktikas kokku eksisteerivate eksoplaneetide arvu hindamiseks. Kuid kui me teame, kui palju planeete on ja kus need asuvad, vajame uusi tööriistu, et nende planeetide kohta rohkem teada saada – uurida omadusi, nagu nende mass, suurus ja vanus. See teave aitab meil näha, millised planeedid seal on, olgu need gaasihiiglased nagu Jupiter või Saturn või kivised maailmad nagu Maa ja Marss.

ESA käivitas hiljuti uus kosmosepõhine teleskoop CHEOPS (Characterising ExOPlanets Satellite), mis uurib eksoplaneete orbiidilt. CHEOPS-projekt leiab tõenäoliselt oma tegevusaja jooksul mõned uued eksoplaneedid, kuid selle peamine eesmärk on uurida üksikasjalikumalt teiste uuringute käigus leitud eksoplaneete, kasutades transiidimeetodit.

"Me oleme tegelikult järelmissioon," selgitas CHEOPSi projektiteadlane Kate Isaak intervjuus väljaandele Digital Trends. "Jälgime muu hulgas teadaolevate eksoplaneetide suuruse leidmiseks."

See tähendab, et selle projekti teadlastel on oma vaatlustes eelis, kuna neil on juba vajalik teave transiidi toimumise kohta. Nad saavad suunata instrumendi sihtplaneedi poole just õigel hetkel, kui see läbib, et koguda selle kohta teavet.

CHEOPS käivitati alles paar kuud tagasi, kuid see on juba avastanud uut teavet selle kohta planeet KELT-11 b, leides, et see omapärane planeet on nii madala tihedusega, et "hõljuks vee peal piisavalt suures basseinis", selgub teadlaste avaldusest.

Otsin Earth 2

Eksoplaneetide tuvastamine ja uurimine ei seisne ainult selliste kummaliste maailmade leidmises KELT-9 b või AU mikrofon b kuigi. See puudutab ka suurimaid küsimusi: kas elu eksisteerib väljaspool Maad või mitte. Astronoomide praegune töö hakkab uurima küsimusi mitte ainult selle kohta, kus planeedid asuvad, vaid ka selle kohta, kas need võiksid olla elamiskõlblikud. Lõpuks võiksid need aidata kindlaks teha, kas need kauged planeedid ka tegelikult elavad.

"Üks eksoplaneediteaduse püha graalid otsib elu," ütles Isaak. "Üks asi, mida inimesed otsivad, on Maa-sarnane planeet. Võib öelda, et Maa 2. See hõlmab kivise planeedi otsimist tähe elamiskõlblikust tsoonist – kaugusest tähest, mille juures võib planeedi pinnal eksisteerida vedel vesi. Tulevased missioonid, nagu eelseisev James Webbi kosmoseteleskoop, suudavad isegi uurida, kas kaugetel eksoplaneetidel on atmosfäär.

PLATO projekti teadlane Heras nõustus elamiskõlblikkuse otsimise tähtsusega. "Võimalike elamiskõlblike eksoplaneetide uurimine on tõesti järgmine samm, et mõista mitte ainult seda, kuidas planeedid arenevad, vaid võib-olla ka seda, kuidas elu tekkis," ütles ta. "Pärast kõike, mida oleme eksoplaneetide kohta õppinud, on järgmine samm elu arengu ja elu alguse kohta rohkem teada saada."

Samuti on suur lahtine küsimus selle kohta, kas seal on teisi meiega sarnaseid päikesesüsteeme. "Samuti tahaksime teada, kui ainulaadne on meie planeet," ütles Heras. Ta selgitas, et isegi tuhandete avastatud eksoplaneetide korral on väga vähesed neist oma tähtede elamiskõlblikus tsoonis. "Nii et me ei tea oma teadmistega veel, kui ainulaadne on meie päikesesüsteem ja kui ainulaadne on Maa."

Lõplik küsimus

See seos eksoplaneedi avastamise ja elu otsimise vahel ajendab nii nende projektidega tegelevaid teadlasi kui ka avalikkuse isu kaugete maailmade tundmaõppimiseks. On võimatu kuulda veidratest eksoplaneetidest ja mitte ette kujutada, mis tunne oleks nendes kummalistes kohtades elada.

"Eksoplaneedid on põnevad, kui mitte muud, sest neid on lihtne mõista," ütles Isaak. "Me elame planeedil. Küsimus, kas me oleme üksi, on sügav – filosoofiliselt, füüsiliselt, psühholoogiliselt – see on põnev küsimus ja sellest saame kergesti aru. Eksoplaneetide otsimine ja uurimine on sammud küsimuse poole, kas me oleme üksi… CHEOPSiga me elu ei leia. Me ei lõpeta missiooni sellega, et oleme avastanud planeedilt X väikesed rohelised mehikesed. Kuid me anname oma panuse protsessi, mille abil saate seda pikemas perspektiivis teha.

Isegi kui eluotsingutest ei tule midagi välja, oleks see ikkagi sügav leid. Ja otsing ise võib ärgitada teaduslikku uurimist ja sügavat mõtisklemist meie koha üle universumis.

"Ma arvan, et me kõik otsime tähendust," ütles Gaudi. "Kui meil oleks kuidagi ettekujutus sellest, kas elu, isegi lihtne elu, tekkis teisel planeedil Maa elust sõltumatult või mitte - või kui mitte ja me oleme kosmiliselt üksildased – mõlemal oleks väga sügav mõju meie nägemusele endast ja oma kohast maailmas. universum. See on see tähendus, mis sunnib mind isiklikult uurima elamiskõlblikkuse ja potentsiaalselt elu otsimist.