Kako će nam teleskopi sljedeće generacije pomoći u lovu na egzoplanete

Posljednjih godina otkrili smo zadivljujući niz planeta izvan našeg Sunčevog sustava. Pored onih koji su potencijalno useljiv, također smo pronašli egzoplanete koji su topliji od zvijezda, imati željezna kiša i žuto nebo, i koji imaju gustoća šećerne vune. Ali još uvijek smo jedva zagrebali po površini onoga što je vani.

Sljedeća generacija misija lova na planete ići će još dalje, identificirajući egzoplanete i određujući njihovu nastanjivost čak i s tisućama svjetlosnih godina udaljenosti. Kako bismo saznali više o tome kako loviti iglu planeta u plastu sijena naše galaksije, razgovarali smo s tri stručnjaka koji rade na vrhunskim projektima egzoplaneta.

Eksplozija egzoplaneta

Prvi egzoplaneti otkriveni su 1992. godine, au manje od tri desetljeća broj poznatih planeta izvan našeg sunčevog sustava eksplodirao je. NASA procjene da se broj poznatih egzoplaneta otprilike udvostruči svakih 27 mjeseci.

Otkrivanje egzoplaneta počelo je korištenjem zemaljskih teleskopa, poput poznatog otkrića egzoplaneta 51 Peg b 1995. godine, za koje su dva švicarska astronoma dobila Nobelovu nagradu. Ali lov na egzoplanete stvarno je ušao u veliku brzinu s dolaskom svemirskih teleskopa za lov na planete poput NASA-inog Kepler i TESS misije.

Sada nove misije NASA-e i ESA-e (Europska svemirska agencija) identificiraju i ispituju udaljene egzoplanete detaljnije nego ikad prije.

Pronalaženje egzoplaneta u našoj galaksiji

PLATO je ESA-in svemirski teleskop sljedeće generacije za lov na planete, a trenutno se gradi s ciljem lansiranja 2026. godine. Misija će se usredotočiti na svijetle zvijezde koje su nam relativno blizu u galaksiji, obično u području udaljenom između 300 i 1000 svjetlosnih godina, gledajući svako područje najmanje dvije godine.

Misija će tražiti nastanjive svjetove koristeći tranzitnu metodu, u kojoj istraživači mjere sjaj daleke zvijezde. Ako sjaj zvijezde opada u pravilnim intervalima, to znači da između njih prolazi planet nas i zvijezde, blokirajući dio svjetlosti koju emitira zvijezda i uzrokujući uron svjetlina. Precizno mjerenje ovog pada omogućuje instrumentima poput PLATO-a da vrlo precizno izračunaju veličinu planeta.

Dvogodišnje razdoblje promatranja omogućuje znanstvenicima potragu za planetima duljeg razdoblja. Dakle, dok je misija poput Keplera dugo vremena promatrala mali dio neba, a TESS gleda velika područja za nebo za kratko vrijeme, PLATON će gledati i na veliko područje i na dugo vrijeme.

Trebat će nam instrumenti s dužim razdobljem promatranja od prethodnih misija da uočimo planete poput našeg, objasnila je Ana Heras, projektna znanstvenica za PLATO, u intervjuu za Digital Trends. “Želimo otkriti planete slične Zemlji, a to znači da ako želite vidjeti planet sličan Zemlji u naseljiva zona, imat će orbitalni period od godinu dana”, rekla je. "Dakle, moramo promatrati najmanje dvije godine, jer želimo vidjeti barem dva tranzita."

Trenutačni modeli sugeriraju da bi promatranje dva tranzita određene zvijezde trebalo dati dovoljno podataka za identifikaciju i do neke mjere karakterizira egzoplanet, ali postoji mogućnost da bi PLATO mogao promatrati isto područje tri ili čak četiri godine ako potrebno.

Osim ovih planeta sličnih Zemlji, PLATO će također promatrati hladnije crvene patuljaste zvijezde, koje bi potencijalno mogle imati nastanjivi egzoplanete koji kruže oko njih. Vrlo precizan fotometar teleskopa također može mjeriti informacije o oscilacijama zvijezda koje se promatraju, što znanstvenicima može reći o njihovoj unutarnjoj strukturi i starosti. "Ovo će nam omogućiti da unaprijedimo, na fantastičan način, razumijevanje zvjezdane evolucije i općeg znanja o zvjezdanoj fizici", rekao je Heras.

Jedna od najuzbudljivijih mogućnosti PLATO-a je to što je toliko precizan da bi čak mogao detektirati mjesece koji kruže oko egzoplaneta, zvanih egzomjeseci. Razumljivo je da mjeseci postoje izvan našeg sunčevog sustava, ali trenutne metode još nisu definitivno potvrdile njegovu detekciju.

Šansa da bi PLATO mogao pronaći takav mjesec otvara mogućnost potrage za različitim vrstama nastanjivog okoliša — ne samo planeta sličnih Zemlji, već i mjeseci sličnih onima poput Saturnov mjesec Enceladus koja je jedna od najperspektivnijih potencijalno nastanjivih lokacija izvan Zemlje u našem Sunčevom sustavu.

Koliko planeta ima u našoj galaksiji?

Do sada smo otkrili otprilike 4200 egzoplaneta, a više se najavljuje gotovo svaki mjesec. Ali ostaje otvoreno pitanje koliko točno planeta ima u našoj galaksiji. Korištenje metoda kao što je metoda tranzita samo otkriva planete u određenim konfiguracijama - osobito one koje su blizu kruži oko svojih zvijezda — pa nam je potreban cjelokupni pogled na galaksiju kako bismo dobili bolju predodžbu o tome koliko planeta ima vani u ukupno.

To je ono što NASA sprema Rimski svemirski teleskop Nancy Grace, ili jednostavno Roman, ima za cilj otkriti. Teleskop se trenutno gradi i, nakon što bude lansiran krajem 2025. ili početkom 2026., započet će istraživanje noćnog neba pod nazivom Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Cilj ovog istraživanja nije otkriti ili istražiti egzoplanete same po sebi, već dobiti široki prikaz koliko zvijezda u našoj galaksiji sadrži planetarne sustave i kakvi su ti sustavi distribuiran.

Otkrivanje planeta savijanjem svjetlosti

Kako bi izveo svoj pregled neba, Roman će koristiti tehniku ​​zvanu mikrolensiranje, koja može odabrati egzoplanete, ali uglavnom govori znanstvenicima o zvijezdama oko kojih planeti kruže.

"Mikroleće su jedinstvene na mnogo načina", rekao je glavni istraživač za RGES, Scott Gaudi, u intervjuu za Digital Trends. Temelji se na procesu zvanom gravitacijska leća, koji se koristi za otkrivanje zvijezda. “Način na koji to funkcionira je da ako buljite u zvijezdu dovoljno dugo (oko 500 000 godina) onda će slučajno druga zvijezda u prvom planu lebdite dovoljno blizu svog vidokruga te pozadinske zvijezde da podijelite svjetlost te pozadinske zvijezde u dvije slike," objasnio.

“Pozadinska izvorna zvijezda se posvjetljuje kako zvijezda u prednjem planu dolazi ispred nje, jer gravitacija zvijezde u prednjem planu savija svjetlosne zrake koje bi se udaljile iz vidnog polja.” To znači da ako znanstvenici promatraju kako pozadinska zvijezda postaje svjetlija, a zatim slabija, mogu zaključiti da je druga zvijezda prošla između nje i nas.

Ova se tehnika može dodatno poboljšati za otkrivanje egzoplaneta. "Ako ta zvijezda u prvom planu slučajno ima planet, onda taj planet ima masu, što znači da može gravitacijski usmjeriti i tu zvijezdu", rekao je Gaudi. "Dakle, ako jedna od te dvije slike te pozadinske zvijezde koju je stvorila glavna zvijezda u prednjem planu slučajno prođe blizu planeta, to će uzrokovati kratak dodatno posvjetljivanje ili zatamnjenje, koje traje između nekoliko sati, u slučaju planeta mase Zemlje, do nekoliko dana, u slučaju planeta mase Jupitera planeta."

Problem je u tome što su ti događaji, u kojima se planeti i zvijezde poredaju upravo tako, rijetki i nepredvidivi. Da bi ih uhvatili, astronomi moraju promatrati ogroman broj zvijezda. "Dobijate jedan događaj leće po zvijezdi na 500.000 godina, tako da je to dugo vrijeme za čekanje", rekao je Gaudi. "Umjesto toga pratimo otprilike 100 milijuna zvijezda u galaktičkoj izbočini [gusto zbijenom području zvijezda u sredini naše galaksije] i u bilo kojem trenutku, mnoge tisuće su pod objektivom."

Roman će biti posebno prikladan za ovu vrstu istraživanja jer ima vrlo veliko vidno polje, što mu omogućuje promatranje velikog dijela galaktičke izbočine. Također može pratiti te milijune zvijezda na vremenskoj skali od 15 minuta, omogućujući istraživačima da zabilježe ove događaje lećama dok se događaju.

Komplementarne misije

Primarni podaci koje do sada imamo o tome koliko bi egzoplaneta moglo postojati u našoj galaksiji dolaze iz sada umirovljenog svemirskog teleskopa Kepler, koja je istraživala nebo između 2009. i 2018., mjereći sjaj nekih 150.000 zvijezda kako bi tražila egzoplanete pomoću tranzita metoda.

Ova je misija postavila temelje za današnje istraživanje egzoplaneta. Međutim, zbog metode koju koristi Kepler, još uvijek postoji mnogo egzoplaneta koje je mogao promašiti. Rimski projekt ima za cilj proširiti i nadopuniti ovaj rad korištenjem drugačije metode.

"RGES istraživanje je važno jer će biti komplementarno Kepleru", objasnio je Gaudi. “Metoda mikroleće je intrinzično osjetljiva na planete koji su udaljeniji, tako da planeti s orbitama otprilike većim od orbita Zemlja." Ako bi ovu metodu koristili daleki izvanzemaljci za promatranje našeg sunčevog sustava, na primjer, mogli bi otkriti sve planete osim Merkur.

“Dok je Kepler bio jedva osjetljiv na planete Zemljine mase. Stoga stvarno trebamo napraviti RGES istraživanje kako bismo napravili ovaj statistički popis egzoplaneta u galaksiji,” rekao je Gaudi.

Mikroleće također ne ovise o jakom svjetlu zvijezda koje se promatraju, tako da znanstvenicima omogućuje promatranje sustava koji su i blizu nas i udaljeni kao središte galaksije. Roman će omogućiti istraživačima da dobiju statistički uvid u to kako su planetarni sustavi raspoređeni u našoj galaksiji, Gaudi je rekao: "Dakle, zapravo možemo odrediti galaktičku distribuciju egzoplanetarnih sustava, što je u osnovi nemoguće s bilo kojim drugim tehnika."

Karakterizacija egzoplaneta pomoću tranzita

PLATO i rimski teleskopi bit će neprocjenjivi za otkrivanje novih egzoplaneta i procjenu koliko egzoplaneta ukupno postoji u našoj galaksiji. Ali kada saznamo koliko ima planeta i gdje se nalaze, potrebni su nam novi alati kako bismo naučili više o tim planetima — istražujući karakteristike kao što su njihova masa, veličina i starost. Ove nam informacije mogu pomoći da vidimo kakvih planeta ima, jesu li plinoviti divovi poput Jupitera ili Saturna ili stjenoviti svjetovi poput Zemlje i Marsa.

ESA je nedavno lansirana novi svemirski teleskop nazvan CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) koji istražuje egzoplanete iz orbite. Projekt CHEOPS vjerojatno će pronaći neke nove egzoplanete tijekom svog mandata, ali njegov glavni cilj je detaljnije istražiti egzoplanete pronađene drugim istraživanjima koristeći metodu tranzita.

“Mi smo zapravo misija koja slijedi”, objasnila je Kate Isaak, projektna znanstvenica na CHEOPS-u, u intervjuu za Digital Trends. "Pratimo kako bismo pronašli veličine, između ostalog, poznatih egzoplaneta."

To znači da znanstvenici na ovom projektu imaju prednost u svojim promatranjima, jer već imaju potrebne informacije o tome kada će se tranzit dogoditi. Oni mogu usmjeriti instrument prema ciljnom planetu u pravom trenutku dok je u tranzitu kako bi uhvatili informacije o njemu.

CHEOPS je lansiran tek prije nekoliko mjeseci, ali je već otkrio nove informacije o planet KELT-11 b, otkrivši da je ovaj neobičan planet toliko niske gustoće da bi "plutao na vodi u dovoljno velikom bazenu", prema izjavi istraživača.

U potrazi za Zemljom 2

Otkrivanje i proučavanje egzoplaneta nije samo pronalaženje čudnih svjetova poput KELT-9 b ili AU mikrofon b iako. Također se radi o najvećem pitanju: postoji li život izvan Zemlje ili ne. Rad koji sada obavljaju astronomi počinje istraživati ​​pitanja ne samo gdje su planeti, već i mogu li biti nastanjivi. Na kraju bi mogli pomoći u određivanju jesu li ti daleki planeti doista domaćini života.

"Jedan od svetih gralova znanosti o egzoplanetima je traženje života", rekao je Isaak. “Jedna od stvari koju ljudi traže je planet sličan Zemlji. Zemlja 2, moglo bi se reći.” To uključuje traženje stjenovitog planeta unutar nastanjive zone zvijezde - udaljenosti od zvijezde na kojoj tekuća voda može postojati na površini planeta. Buduće misije poput nadolazećeg svemirskog teleskopa James Webb čak će moći istražiti imaju li daleki egzoplanete atmosferu.

Heras, znanstvenik projekta PLATO, složio se s važnošću potrage za naseljivošću. “Proučavanje egzoplaneta koji bi mogli biti nastanjivi doista je sljedeći korak u razumijevanju ne samo kako se planeti razvijaju, već možda i kako se pojavio život”, rekla je. "Nakon svega što smo naučili o egzoplanetima, sljedeći korak bit će učenje više o razvoju života i kako je život nastao."

Također postoji veliko otvoreno pitanje o tome postoje li drugi solarni sustavi slični našem. "Također bismo željeli znati koliko je naš planet jedinstven", rekao je Heras. Objasnila je da je čak i uz tisuće otkrivenih egzoplaneta, vrlo malo njih unutar nastanjive zone svojih zvijezda. "Tako da još uvijek ne znamo, s našim znanjem, koliko je jedinstven naš Sunčev sustav i koliko je jedinstvena Zemlja."

Krajnje pitanje

Ova veza između otkrića egzoplaneta i potrage za životom pokreće i znanstvenike koji rade na ovim projektima i apetit javnosti za učenjem o dalekim svjetovima. Nemoguće je slušati o bizarnim egzoplanetima, a ne zamisliti kako bi bilo živjeti na tim čudnim mjestima.

"Egzoplanete su fascinantne, ako ništa drugo zato što ih je lako razumjeti", rekao je Isaak. “Živimo na planetu. Pitanje jesmo li sami duboko je pitanje - filozofski, fizički, psihološki - to je fascinantno pitanje koje možemo lako razumjeti. Traženje i proučavanje egzoplaneta koraci su prema pitanju jesmo li sami… S CHEOPS-om nećemo pronaći život. Nećemo završiti misiju govoreći da smo otkrili zelene čovječuljke na Planetu X. Ali ono što ćemo učiniti jest pridonijeti procesu pomoću kojeg biste to mogli učiniti dugoročno.”

Čak i ako potraga za životom ne donese ništa, to bi i dalje bilo duboko otkriće. I sama potraga može potaknuti znanstveno istraživanje i duboko promišljanje o našem mjestu u svemiru.

“Mislim da svi tražimo smisao”, rekao je Gaudi. "Kad bismo nekako mogli imati ideju o tome je li život, čak i jednostavan život, nastao na drugom planetu neovisno o životu na Zemlji - ili ako ne i kozmički smo usamljeni — bilo koji bi imao vrlo dubok utjecaj na naše viđenje sebe i našeg mjesta u svemir. To je značenje koje me osobno pokreće da proučavam potragu za naseljivošću i potencijalno životom.”