Hoe telescopen van de volgende generatie ons zullen helpen bij de jacht op exoplaneten

De afgelopen jaren hebben we een verbazingwekkende reeks planeten buiten ons eigen zonnestelsel ontdekt. Naast degenen die dat wel zijn potentieel bewoonbaar, we hebben ook exoplaneten gevonden die dat wel zijn heter dan sterren, hebben ijzeren regen en gele luchten, en die hebben de dichtheid van suikerspin. Maar we hebben nog maar nauwelijks het oppervlak bekrast van wat er daarbuiten is.

De volgende generatie planeetjachtmissies zal nog verder gaan, waarbij exoplaneten worden geïdentificeerd en hun bewoonbaarheid wordt bepaald, zelfs op duizenden lichtjaren afstand. Om meer te weten te komen over hoe je te werk gaat op jacht naar de naald van een planeet in de hooiberg van onze Melkweg, spraken we met drie experts die werken aan baanbrekende exoplaneetprojecten.

Een explosie van exoplaneten

De eerste exoplaneten werden ontdekt in 1992, en in minder dan dertig jaar is het aantal bekende planeten buiten ons zonnestelsel geëxplodeerd. NASA schattingen dat het aantal bekende exoplaneten ongeveer elke 27 maanden verdubbelt.

De ontdekking van exoplaneten begon met behulp van telescopen op de grond, zoals de beroemde ontdekking van de exoplaneet 51 Peg b in 1995, waarvoor twee Zwitserse astronomen de Nobelprijs ontvingen. Maar de jacht op exoplaneten kwam pas echt in een hogere versnelling met de komst van in de ruimte gestationeerde telescopen voor het jagen op planeten, zoals die van NASA. Kepler En TESS missies.

Nu identificeren en onderzoeken nieuwe missies van NASA en ESA (European Space Agency) verre exoplaneten gedetailleerder dan ooit tevoren.

Het vinden van exoplaneten in onze Melkweg

PLATO is ESA’s volgende generatie ruimtetelescoop voor het jagen op planeten, en wordt momenteel gebouwd met het oog op een lancering in 2026. De missie zal zich concentreren op heldere sterren die relatief dichtbij ons in de Melkweg staan. doorgaans in het gebied tussen 300 en 1000 lichtjaar afstand, waarbij elk gebied minstens twee jaar.

De missie zal zoeken naar bewoonbare werelden met behulp van de transitmethode, waarbij onderzoekers de helderheid van een verre ster meten. Als de helderheid van de ster met regelmatige tussenpozen afneemt, betekent dit dat er een planeet tussendoor beweegt ons en de ster, waardoor een deel van het licht van de ster wordt geblokkeerd en de dip ontstaat helderheid. Door deze dip nauwkeurig te meten, kunnen instrumenten als PLATO zeer nauwkeurig de grootte van de planeet berekenen.

Dankzij de observatieperiode van twee jaar kunnen de wetenschappers zoeken naar planeten met een langere periode. Dus terwijl een missie als Kepler lange tijd naar een klein deel van de hemel keek, en TESS naar grote gebieden voor de lucht voor een korte periode, PLATO zal zowel naar een groot gebied als voor een lange tijd kijken tijd.

We hebben instrumenten nodig met een langere observatieperiode dan eerdere missies om planeten zoals de onze te spotten, legt Ana Heras, projectwetenschapper voor PLATO, uit aan Digital Trends in een interview. “We willen aardachtige planeten detecteren, en dit betekent dat als je een planeet wilt zien die lijkt op de aarde in de bewoonbare zonezal het een omlooptijd van een jaar hebben”, zei ze. “We moeten dus minstens twee jaar observeren, omdat we minstens twee transits willen zien.”

De huidige modellen suggereren dat het observeren van twee transits van een bepaalde ster voldoende gegevens zou moeten opleveren om deze tot op zekere hoogte te kunnen identificeren karakteriseren van een exoplaneet, maar er bestaat de mogelijkheid dat PLATO hetzelfde gebied drie of zelfs vier jaar zou kunnen observeren als nodig.

Naast deze aardachtige planeten zal PLATO ook kijken naar koelere rode dwergsterren, die dat mogelijk wel zouden kunnen hebben bewoonbare exoplaneten die eromheen draaien. De zeer nauwkeurige fotometer van de telescoop kan ook informatie meten over de oscillaties van sterren die worden waargenomen, wat wetenschappers informatie kan geven over hun interne structuur en leeftijd. “Dit zal ons in staat stellen om op een fantastische manier het begrip van de evolutie van sterren en de algemene kennis over de fysica van sterren te vergroten”, aldus Heras.

Een van de meest opwindende mogelijkheden van PLATO is dat het zo nauwkeurig is dat het zelfs in staat zou kunnen zijn om manen te detecteren die rond exoplaneten draaien, de zogenaamde exomanen. Het spreekt voor zich dat manen buiten ons zonnestelsel bestaan, maar de huidige methoden hebben de detectie ervan nog niet definitief bevestigd.

De kans dat PLATO zo’n maan zou kunnen vinden, opent de mogelijkheid om naar verschillende soorten bewoonbare omgevingen te zoeken – niet alleen naar aardachtige planeten, maar ook naar manen die hierop lijken. Saturnusmaan Enceladus wat een van de meest veelbelovende potentieel bewoonbare niet-aardse locaties in ons zonnestelsel is.

Hoeveel planeten zijn er in onze Melkweg?

We hebben tot nu toe ongeveer 4.200 exoplaneten ontdekt, en vrijwel elke maand worden er meer aangekondigd. Maar er blijft een open vraag over hoeveel planeten er precies in onze Melkweg zijn. Door methoden als de transitmethode te gebruiken, worden alleen planeten in bepaalde configuraties onthuld, vooral als ze dichtbij zijn draait om hun sterren – dus we hebben een algemeen beeld van de Melkweg nodig om een ​​beter idee te krijgen van hoeveel planeten er in de ruimte zijn. totaal.

Dat is wat NASA aanstaande is Romeinse ruimtetelescoop Nancy Grace, of eenvoudigweg Romeins, heeft tot doel te ontdekken. De telescoop wordt momenteel gebouwd en zodra hij eind 2025 of begin 2026 wordt gelanceerd, zal hij beginnen met een onderzoek naar de nachtelijke hemel, de Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Het doel van dit onderzoek is niet per se het ontdekken of onderzoeken van exoplaneten, maar eerder het verkrijgen van inzicht Een totaalbeeld van hoeveel sterren in onze Melkweg planetaire systemen herbergen, en hoe deze systemen zijn gedistribueerd.

Planeten detecteren door licht te buigen

Om zijn hemelonderzoek uit te voeren, zal Roman een techniek gebruiken die microlensing wordt genoemd en die exoplaneten kan oppikken, maar wetenschappers vooral vertelt over de sterren waar planeten omheen draaien.

“Microlensing is in veel opzichten uniek”, vertelde hoofdonderzoeker van RGES, Scott Gaudi, in een interview aan Digital Trends. Het is gebaseerd op een proces dat zwaartekrachtlensing wordt genoemd en dat wordt gebruikt om sterren te detecteren. “De manier waarop het werkt is dat als je lang genoeg (ongeveer 500.000 jaar) naar een ster staart, er toevallig een andere voorgrondster verschijnt. zweef dicht genoeg bij je gezichtslijn die achtergrondster om het licht van die achtergrondster in twee beelden te splitsen, 'hij uitgelegd.

“De achtergrondbronster wordt helderder als de voorgrondster ervoor komt, omdat de zwaartekracht van de voorgrondster lichtstralen afbuigt die anders zouden zijn verdwenen. uit het gezichtsveld.” Dit betekent dat als wetenschappers waarnemen dat een achtergrondster helderder wordt en vervolgens zwakker wordt, ze kunnen concluderen dat er een andere ster tussen deze ster is gepasseerd. ons.

Deze techniek kan verder worden verfijnd om exoplaneten te detecteren. ‘Als die voorgrondster toevallig een planeet heeft, dan heeft die planeet massa, wat betekent dat hij die ster ook door zwaartekracht kan lensen’, zei Gaudi. “Dus als een van die twee beelden van die achtergrondster, gemaakt door de voorgrondster, dicht langs de planeet passeert, zal dat een korte extra verheldering of verduistering, die tussen een paar uur duurt, in het geval van een planeet met de massa van de aarde, tot een paar dagen, in het geval van een planeet met de massa van Jupiter planeet."

Het probleem is dat deze gebeurtenissen, waarbij planeten en sterren precies op één lijn staan, zeldzaam en onvoorspelbaar zijn. Om ze vast te leggen moeten astronomen dus een groot aantal sterren bekijken. ‘Je krijgt één lensgebeurtenis per ster per 500.000 jaar, dus dat is lang wachten’, zei Gaudi. “Dus in plaats daarvan monitoren we grofweg 100 miljoen sterren in de galactische uitstulping [een dicht opeengepakt gebied van sterren in het midden van onze Melkweg] en op elk gegeven moment worden er vele duizenden gelenzen.”

Roman zal bijzonder geschikt zijn voor dit soort onderzoek, omdat het een zeer groot gezichtsveld heeft, waardoor het een groot deel van de galactische uitstulping kan waarnemen. Het kan deze miljoenen sterren ook monitoren op een tijdschaal van 15 minuten, waardoor de onderzoekers deze lensgebeurtenissen kunnen vastleggen terwijl ze zich voordoen.

Aanvullende missies

De belangrijkste gegevens die we tot nu toe hebben over hoeveel exoplaneten er in onze Melkweg zouden kunnen bestaan, zijn afkomstig van de inmiddels gepensioneerde Kepler-ruimtetelescoop. die tussen 2009 en 2018 de hemel onderzocht en de helderheid van zo'n 150.000 sterren meet om met behulp van de transit naar exoplaneten te zoeken methode.

Deze missie legde de basis voor het huidige exoplaneetonderzoek. Vanwege de methode die Kepler gebruikt, zijn er echter nog steeds veel exoplaneten die hij mogelijk heeft gemist. Het Romeinse project heeft tot doel dit werk uit te breiden en aan te vullen door een andere methode te gebruiken.

“Het RGES-onderzoek is belangrijk omdat het complementair zal zijn aan Kepler”, legt Gaudi uit. “De microlensmethode is intrinsiek gevoelig voor planeten die verder weg staan, dus planeten met banen die grofweg groter zijn dan die van de Aarde." Als deze methode bijvoorbeeld door verre buitenaardse wezens zou worden gebruikt om ons zonnestelsel te observeren, zou het alle planeten kunnen detecteren, behalve Kwik.

“Terwijl Kepler slechts nauwelijks gevoelig was voor planeten met een aardmassa. We moeten dus echt het RGES-onderzoek doen om deze statistische telling van exoplaneten in de Melkweg te doen, ‘zei Gaudi.

Microlensing is ook niet afhankelijk van het felle licht van de sterren die worden waargenomen, waardoor wetenschappers systemen kunnen observeren die zich zowel dichtbij ons als zo ver weg als het centrum van de Melkweg bevinden. Roman zal onderzoekers in staat stellen statistisch inzicht te krijgen in hoe planetenstelsels verspreid zijn over onze Melkweg, Gaudi zei: “We kunnen dus feitelijk de galactische verdeling van exoplanetaire systemen bepalen, wat in principe onmogelijk is met andere techniek."

Karakteriseren van exoplaneten met behulp van transits

De PLATO- en Roman-telescopen zullen van onschatbare waarde zijn voor het ontdekken van nieuwe exoplaneten en het schatten van het aantal exoplaneten dat er in totaal in onze Melkweg bestaan. Maar zodra we weten hoeveel planeten er zijn en waar ze zich bevinden, hebben we nieuwe hulpmiddelen nodig om meer over deze planeten te weten te komen – door kenmerken te onderzoeken zoals hun massa, grootte en leeftijd. Deze informatie kan ons helpen te zien wat voor soort planeten er bestaan, of het nu gasreuzen zijn zoals Jupiter of Saturnus, of rotsachtige werelden zoals de aarde en Mars.

ESA is onlangs gelanceerd een nieuwe ruimtetelescoop genaamd CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) die exoplaneten vanuit een baan om de aarde onderzoekt. Het CHEOPS-project zal tijdens zijn looptijd waarschijnlijk enkele nieuwe exoplaneten vinden, maar het belangrijkste doel is om exoplaneten die door andere onderzoeken zijn gevonden in meer detail te onderzoeken met behulp van de transitmethode.

“We zijn in feite een vervolgmissie”, legt Kate Isaak, projectwetenschapper bij CHEOPS, in een interview uit aan Digital Trends. “We doen onderzoek om onder andere de afmetingen van bekende exoplaneten te achterhalen.”

Dit betekent dat de wetenschappers in dit project een voordeel hebben bij hun waarnemingen, omdat ze al over de informatie beschikken die ze nodig hebben over wanneer een transit zal plaatsvinden. Ze kunnen het instrument precies op het juiste moment op de doelplaneet richten terwijl deze op doorreis is, om er informatie over vast te leggen.

CHEOPS werd pas een paar maanden geleden gelanceerd, maar heeft al nieuwe informatie over de planeet KELT-11 b, waarbij ze ontdekten dat deze eigenzinnige planeet een zo lage dichtheid heeft dat hij “op water zou drijven in een zwembad dat groot genoeg is”, aldus een verklaring van de onderzoekers.

Op zoek naar de aarde 2

Detectie en studie van exoplaneten gaat niet alleen over het vinden van vreemde werelden zoals KELT-9 b of AU microfoon b hoewel. Het gaat ook over de grootste vraag: of er buiten de aarde leven bestaat of niet. Het werk dat astronomen nu doen, begint niet alleen de vragen te onderzoeken waar planeten zich bevinden, maar ook of ze bewoonbaar kunnen zijn. Uiteindelijk zouden ze kunnen helpen bepalen of deze verre planeten inderdaad leven herbergen.

“Een van de heilige gralen van de exoplaneetwetenschap is het zoeken naar leven,” zei Isaak. “Een van de dingen waar mensen naar op zoek zijn, is een planeet die op de aarde lijkt. Een Earth 2, zou je kunnen zeggen.” Dat betekent dat je moet zoeken naar een rotsachtige planeet binnen de bewoonbare zone van een ster – de afstand tot een ster waarop vloeibaar water op het oppervlak van de planeet kan voorkomen. Toekomstige missies zoals de komende James Webb Space Telescope zullen zelfs kunnen onderzoeken of verre exoplaneten een atmosfeer hebben.

Heras, de PLATO-projectwetenschapper, was het eens met het belang van de zoektocht naar bewoonbaarheid. “De studie van mogelijk bewoonbare exoplaneten is echt de volgende stap om niet alleen te begrijpen hoe planeten evolueren, maar misschien ook hoe het leven is ontstaan,” zei ze. “Na alles wat we over exoplaneten hebben geleerd, is de volgende stap het leren van meer over de ontwikkeling van het leven en hoe het leven begon.”

Er is ook een grote open vraag of er andere zonnestelsels bestaan ​​die vergelijkbaar zijn met het onze. “We willen ook graag weten hoe uniek onze planeet is”, zegt Heras. Ze legde uit dat zelfs met de duizenden ontdekte exoplaneten, er maar heel weinig daarvan zich binnen de bewoonbare zone van hun sterren bevinden. “Dus we weten met onze kennis nog niet echt hoe uniek ons ​​zonnestelsel is en hoe uniek de aarde is.”

De ultieme vraag

Deze link tussen de ontdekking van exoplaneten en de zoektocht naar leven stimuleert zowel de wetenschappers die aan deze projecten werken als de honger van het publiek om over verre werelden te leren. Het is onmogelijk om over bizarre exoplaneten te horen en je niet voor te stellen hoe het zou zijn om op deze vreemde plekken te leven.

‘Exoplaneten zijn fascinerend, vooral omdat ze gemakkelijk te begrijpen zijn’, zegt Isaak. “Wij leven op een planeet. De vraag of we alleen zijn is een diepgaande vraag – filosofisch, fysiek, psychologisch – het is een fascinerende vraag die we gemakkelijk kunnen begrijpen. Het zoeken naar en bestuderen van exoplaneten zijn stappen in de richting van de vraag: zijn we alleen? Met CHEOPS gaan we geen leven vinden. We beëindigen de missie niet met de mededeling dat we kleine groene mannetjes op Planeet X hebben ontdekt. Maar wat wij wel gaan doen, is bijdragen aan het proces waarmee je dat op de langere termijn kunt doen.”

Zelfs als de zoektocht naar leven niets oplevert, zou dat nog steeds een diepgaande vondst zijn. En de zoektocht zelf kan wetenschappelijk onderzoek en diepe beschouwing van onze plaats in het universum stimuleren.

‘Ik denk dat we allemaal op zoek zijn naar betekenis’, zei Gaudi. “Als we op de een of andere manier een idee zouden kunnen krijgen over de vraag of leven, zelfs eenvoudig leven, op een andere planeet is ontstaan, onafhankelijk van het leven op aarde – of als dat niet het geval is en we kosmisch eenzaam zijn – beide zouden een zeer diepgaande invloed hebben op onze kijk op onszelf en onze plaats in de wereld. universum. Het is die betekenis die mij persoonlijk drijft om de zoektocht naar bewoonbaarheid en mogelijk leven te bestuderen.”