Hvordan neste generasjons teleskoper vil hjelpe oss å jakte på eksoplaneter

De siste årene har vi oppdaget en forbløffende rekke planeter utenfor vårt eget solsystem. I tillegg til de som er potensielt beboelig, vi har også funnet eksoplaneter som er det varmere enn stjerner, har jernregn og gul himmel, og som har tetthet av sukkerspinn. Men vi har fortsatt så vidt skrapet i overflaten av det som er der ute.

Den neste generasjonen av planetjaktoppdrag vil gå enda lenger, identifisere eksoplaneter og bestemme deres beboelighet selv fra tusenvis av lysår unna. For å lære mer om hvordan du går fram for å jakte på nålen til en planet i høystakken i galaksen vår, snakket vi med tre eksperter som jobber med banebrytende eksoplanetprosjekter.

En eksplosjon av eksoplaneter

De første eksoplanetene ble oppdaget i 1992, og på mindre enn tre tiår har antallet kjente planeter utenfor vårt solsystem eksplodert. NASA estimater at antallet kjente eksoplaneter omtrent dobles hver 27. måned.

Oppdagelse av eksoplaneter begynte å bruke bakkebaserte teleskoper, slik som den berømte oppdagelsen av eksoplaneten 51 Peg b i 1995, som to sveitsiske astronomer mottok Nobelprisen for. Men eksoplanetjakten ble virkelig satt i høygir med bruken av rombaserte planetjaktteleskoper som NASAs Kepler og TESS oppdrag.

Nå identifiserer og undersøker nye oppdrag fra NASA og ESA (European Space Agency) fjerne eksoplaneter mer detaljert enn noen gang før.

Finne eksoplaneter i galaksen vår

PLATO er ESAs neste generasjons planetjaktende romteleskop, og det bygges for tiden med sikte på en oppskyting i 2026. Oppdraget vil konsentrere seg om klare stjerner som er relativt nær oss i galaksen, typisk i området mellom 300 og 1000 lysår unna, og ser på hvert område i minst to år.

Oppdraget vil søke etter beboelige verdener ved hjelp av transittmetoden, der forskere måler lysstyrken til en fjern stjerne. Hvis lysstyrken til stjernen synker med jevne mellomrom, betyr det at en planet passerer mellom oss og stjernen, og blokkerer noe av lyset fra stjernen og forårsaker et fall lysstyrke. Ved å måle denne nedgangen nøyaktig, kan instrumenter som PLATO beregne størrelsen på planeten svært nøyaktig.

Den toårige observasjonsperioden lar forskerne lete etter planeter med lengre perioder. Så mens et oppdrag som Kepler så på et lite område av himmelen i lang tid, og TESS ser på store regioner for himmelen i en kort periode, vil PLATO se både på en stor region og i lang tid tid.

Vi trenger instrumenter med lengre observasjonsperiode enn tidligere oppdrag for å oppdage planeter som vår egen, forklarte Ana Heras, prosjektforsker for PLATO, til Digital Trends i et intervju. "Vi ønsker å oppdage jordlignende planeter, og dette betyr at hvis du vil se en planet som ligner på jorden i beboelig sone, den vil ha en omløpsperiode på ett år,» sa hun. "Så vi må observere i minst to år, fordi vi ønsker å se minst to transitter."

Gjeldende modeller antyder at observasjon av to passasjer av en gitt stjerne bør gi nok data til å identifisere og til en viss grad karakterisere en eksoplanet, men det er en mulighet for at PLATO kan observere det samme området i tre eller til og med fire år hvis nødvendig.

I tillegg til disse jordlignende planetene, vil PLATO også se på kjøligere røde dvergstjerner, som potensielt kan ha beboelige eksoplaneter som kretser rundt dem. Teleskopets svært nøyaktige fotometer kan også måle informasjon om svingningene til stjerner som blir observert, noe som kan fortelle forskerne om deres indre struktur og alder. "Dette vil tillate oss å fremme, på en fantastisk måte, forståelse av stjernenes evolusjon og generell kunnskap om stjernefysikk," sa Heras.

En av de mest spennende mulighetene til PLATO er at den er så nøyaktig at den kanskje til og med kan oppdage måner som kretser rundt eksoplaneter, kalt eksomåner. Det er naturlig at måner eksisterer utenfor vårt solsystem, men dagens metoder har ennå ikke definitivt bekreftet oppdagelsen av en.

Sjansen for at PLATO kan finne en slik måne åpner for muligheten for å søke etter forskjellige typer beboelige omgivelser - ikke bare jordlignende planeter, men også måner som ligner på slike som Saturns måne Enceladus som er en av de mest lovende potensielt beboelige ikke-jordiske stedene i vårt solsystem.

Hvor mange planeter er det i vår galakse?

Vi har oppdaget omtrent 4200 eksoplaneter så langt, og flere blir annonsert praktisk talt hver måned. Men et åpent spørsmål gjenstår om nøyaktig hvor mange planeter det er i vår galakse. Å bruke metoder som transittmetoden avslører bare planeter i bestemte konfigurasjoner - spesielt de som er i nærheten går i bane til stjernene deres - så vi trenger et overblikk over galaksen for å få et bedre inntrykk av hvor mange planeter som er der ute i Total.

Det er det NASA som kommer Nancy Grace romerske romteleskop, eller rett og slett Roman, har som mål å oppdage. Teleskopet bygges for tiden, og når det først er lansert sent i 2025 eller tidlig i 2026, vil det starte en undersøkelse av nattehimmelen kalt Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Målet med denne undersøkelsen er ikke å oppdage eller undersøke eksoplaneter i seg selv, men snarere å oppnå en stort bilde av hvor mange stjerner i galaksen vår som er vert for planetsystemer, og hvordan disse systemene er distribuert.

Oppdage planeter ved å bøye lys

For å utføre sin himmelundersøkelse vil Roman bruke en teknikk som kalles mikrolinsing, som kan plukke ut eksoplaneter, men for det meste forteller forskerne om stjernene som planetene kretser rundt.

"Mikrolensing er unik på mange måter," sa hovedetterforsker for RGES, Scott Gaudi, til Digital Trends i et intervju. Den er basert på en prosess kalt gravitasjonslinser, som brukes til å oppdage stjerner. "Måten det fungerer på er at hvis du stirrer på en stjerne lenge nok (omtrent 500 000 år), så vil en annen forgrunnsstjerne ved en tilfeldighet flyte nær nok til siktelinjen din bakgrunnsstjernen til å dele lyset fra bakgrunnsstjernen i to bilder," han forklart.

"Bakgrunnskildestjernen blir lysere når forgrunnsstjernen kommer foran den, fordi forgrunnsstjernens gravitasjon bøyer lysstråler som ville ha gått bort fra siktelinjen.» Dette betyr at hvis forskere observerer at en bakgrunnsstjerne blir lysere og deretter blir svakere, kan de antyde at en annen stjerne har passert mellom den og oss.

Denne teknikken kan videreutvikles for å oppdage eksoplaneter. "Hvis den forgrunnsstjernen tilfeldigvis har en planet, så har den planeten masse, noe som betyr at den kan gravitasjonsmessig linse den stjernen også," sa Gaudi. "Så hvis ett av de to bildene av bakgrunnsstjernen skapt av vertsstjernen i forgrunnen tilfeldigvis passerer nær planeten, vil det føre til en kort tilleggslys eller dimming, som varer mellom noen få timer, når det gjelder en planet med jordmasse, til noen få dager når det gjelder en Jupitermasse planet."

Problemet er at disse hendelsene, der planeter og stjerner står på linje, er sjeldne og uforutsigbare. Så for å fange dem, må astronomer se et stort antall stjerner. "Du får en linsehendelse per stjerne per 500 000 år, så det er lang tid å vente," sa Gaudi. "Så i stedet overvåker vi omtrent 100 millioner stjerner i den galaktiske bulen [et tettpakket område med stjerner i midten av vår galakse] og til enhver tid blir mange tusen linset."

Roman vil være spesielt egnet for denne typen undersøkelser ettersom den har et veldig stort synsfelt, slik at den kan observere en stor del av den galaktiske bulen. Den kan også overvåke disse millioner av stjerner på en tidsskala på 15 minutter, slik at forskerne kan fange disse linsehendelsene når de skjer.

Utfyllende oppdrag

De primære dataene vi har så langt om hvor mange eksoplaneter som kan eksistere i galaksen vår kommer fra det nå pensjonerte Kepler-romteleskopet, som undersøkte himmelen mellom 2009 og 2018, og målte lysstyrken til rundt 150 000 stjerner for å søke etter eksoplaneter ved hjelp av transitt metode.

Dette oppdraget la grunnlaget for eksoplanetforskning i dag. På grunn av metoden brukt av Kepler, er det imidlertid fortsatt mange eksoplaneter som den kan ha gått glipp av. Det romerske prosjektet har som mål å utvide og komplettere dette arbeidet ved å bruke en annen metode.

"RGES-undersøkelsen er viktig fordi den vil være komplementær til Kepler," forklarte Gaudi. "Mikrolinsemetoden er i seg selv følsom for planeter som er lenger ute, så planeter med omløpsbaner som er omtrent større enn banens Jord." Hvis denne metoden ble brukt av fjerne romvesener for å observere solsystemet vårt, for eksempel, ville den være i stand til å oppdage alle planetene bortsett fra Merkur.

"Mens Kepler bare var så vidt følsom for jordmasseplaneter. Så vi trenger virkelig å gjøre RGES-undersøkelsen for å gjøre denne statistiske tellingen av eksoplaneter i galaksen, sa Gaudi.

Mikrolinsing er heller ikke avhengig av sterkt lys fra stjernene som blir observert, så det lar forskere observere systemer som er både nær oss og så langt unna som til sentrum av galaksen. Roman vil tillate forskere å få en statistisk forståelse av hvordan planetsystemer er fordelt over hele galaksen vår, Gaudi sa: "Så vi kan faktisk bestemme den galaktiske fordelingen av eksoplanetære systemer, som i utgangspunktet er umulig med noen andre teknikk."

Karakterisere eksoplaneter ved hjelp av transitter

PLATO og romerske teleskoper vil være uvurderlige for å oppdage nye eksoplaneter og estimere hvor mange eksoplaneter som totalt finnes i vår galakse. Men når vi først vet hvor mange planeter det er og hvor de befinner seg, trenger vi nye verktøy for å lære mer om disse planetene – for å undersøke egenskaper som deres masse, størrelse og alder. Denne informasjonen kan hjelpe oss å se hva slags planeter som finnes der ute, enten de er gassgiganter som Jupiter eller Saturn eller steinete verdener som Jorden og Mars.

ESA lanserte nylig et nytt rombasert teleskop kalt CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) som undersøker eksoplaneter fra bane. CHEOPS-prosjektet vil sannsynligvis finne noen nye eksoplaneter i løpet av sin periode, men hovedmålet er å undersøke eksoplaneter funnet av andre undersøkelser mer detaljert ved å bruke transittmetoden.

"Vi er faktisk et oppfølgingsoppdrag," forklarte Kate Isaak, prosjektforsker på CHEOPS, til Digital Trends i et intervju. "Vi følger opp for å finne størrelsene på blant annet kjente eksoplaneter."

Dette betyr at forskerne på dette prosjektet har en fordel i sine observasjoner, da de allerede har informasjonen de trenger om når en transitt vil skje. De kan peke instrumentet mot målplaneten akkurat i rett øyeblikk mens det passerer for å fange informasjon om det.

CHEOPS ble lansert for bare noen måneder siden, men den har allerede oppdaget ny informasjon om planet KELT-11 b, og fant ut at denne sære planeten har så lav tetthet at den "ville flyte på vann i et stort nok svømmebasseng," ifølge en uttalelse fra forskerne.

Ser etter Earth 2

Deteksjon og studier av eksoplaneter handler ikke bare om å finne merkelige verdener som KELT-9 b eller AU Mic b selv om. Det handler også om de største spørsmålene: Hvorvidt liv eksisterer utenfor jorden eller ikke. Arbeidet som gjøres av astronomer nå begynner å undersøke spørsmålene om ikke bare hvor planetene er, men også om de kan være beboelige. Til slutt kunne de bidra til å avgjøre om disse fjerne planetene faktisk er vertskap for liv.

"En av de hellige gralene til eksoplanetvitenskapen leter etter liv," sa Isaak. "En av tingene folk leter etter er en jordlignende planet. En Earth 2, kan du si." Det innebærer å lete etter en steinete planet innenfor den beboelige sonen til en stjerne - avstanden fra en stjerne der flytende vann kan eksistere på planetens overflate. Fremtidige oppdrag som det kommende James Webb-romteleskopet vil til og med kunne undersøke om fjerne eksoplaneter har en atmosfære.

Heras, PLATO-prosjektforskeren, var enig i viktigheten av søket etter beboelighet. "Studien av muligens beboelige eksoplaneter er virkelig det neste trinnet for å forstå ikke bare hvordan planeter utvikler seg, men kanskje også hvordan livet dukket opp," sa hun. "Etter alt vi har lært om eksoplaneter, er neste trinn å lære mer om livets utvikling og hvordan livet startet."

Det er også et stort åpent spørsmål om det finnes andre solsystemer der ute som ligner på vårt eget. "Vi vil også gjerne vite hvor unik planeten vår er," sa Heras. Hun forklarte at selv med de tusenvis av eksoplaneter som er oppdaget, er svært få av disse innenfor den beboelige sonen til stjernene deres. "Så vi vet egentlig ikke ennå, med vår kunnskap, hvor unikt solsystemet vårt er og hvor unik jorden er."

Det ultimate spørsmålet

Denne koblingen mellom oppdagelse av eksoplaneter og søken etter liv driver både forskerne som jobber med disse prosjektene og publikums appetitt på å lære om fjerne verdener. Det er umulig å høre om bisarre eksoplaneter og ikke forestille seg hvordan det ville være å bo på disse merkelige stedene.

"Eksoplaneter er fascinerende, om ikke annet fordi de er enkle å forstå," sa Isaak. «Vi bor på en planet. Spørsmålet om vi er alene er et dyptgående spørsmål - filosofisk, fysisk, psykologisk - det er et fascinerende spørsmål og et vi lett kan forstå. Å lete etter og studere eksoplaneter er skritt mot spørsmålet om er vi alene... Med CHEOPS kommer vi ikke til å finne liv. Vi vil ikke avslutte oppdraget med å si at vi har oppdaget små grønne menn på Planet X. Men det vi vil gjøre er å bidra til prosessen der du kan gjøre det på lengre sikt.»

Selv om søken etter liv ikke viser noe, ville det fortsatt være et dypt funn. Og søket i seg selv kan stimulere til vitenskapelig undersøkelse og dyp kontemplasjon av vår plass i universet.

"Jeg tror vi alle søker etter mening," sa Gaudi. "Hvis vi på en eller annen måte kunne ha en idé om hvorvidt liv, til og med enkelt liv, oppsto på en annen planet uavhengig av livet på jorden - eller hvis ikke, og vi er kosmisk ensomme - enten ville det ha en veldig dyp innvirkning på vårt syn på oss selv og vår plass i univers. Det er den meningen som driver meg personlig til å studere søket etter beboelighet og potensielt liv.»