Jak teleskopy nowej generacji pomogą nam w polowaniu na egzoplanety

W ostatnich latach odkryliśmy zdumiewającą gamę planet poza naszym Układem Słonecznym. Oprócz tych, które są potencjalnie nadające się do zamieszkania, znaleźliśmy także egzoplanety, które są gorętsze niż gwiazdy, Posiadać żelazny deszcz i żółte niebo, i które mają gęstość waty cukrowej. Ale wciąż ledwo zarysowaliśmy powierzchnię tego, co tam jest.

Następna generacja misji poszukiwania planet pójdzie jeszcze dalej, identyfikując egzoplanety i określając, czy nadają się do zamieszkania nawet z odległości tysięcy lat świetlnych. Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak polować na igłę planety w stogu siana naszej galaktyki, rozmawialiśmy z trzema ekspertami pracującymi nad najnowocześniejszymi projektami egzoplanet.

Eksplozja egzoplanet

Pierwsze egzoplanety odkryto w 1992 r., a w niecałe trzydzieści lat liczba znanych planet poza Układem Słonecznym eksplodowała. NASA szacunki że liczba znanych egzoplanet podwaja się mniej więcej co 27 ​​miesięcy.

Odkrycie egzoplanet rozpoczęto za pomocą teleskopów naziemnych, tak jak słynne odkrycie egzoplanety 51 Peg b w 1995 r., za które dwóch szwajcarskich astronomów otrzymało Nagrodę Nobla. Jednak polowanie na egzoplanety naprawdę nabrało tempa wraz z pojawieniem się kosmicznych teleskopów do polowań na planety, takich jak NASA Keplera I TESS misje.

Obecnie nowe misje NASA i ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) identyfikują i badają odległe egzoplanety bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej.

Znalezienie egzoplanet w naszej galaktyce

PLATO to należący do ESA teleskop kosmiczny nowej generacji do polowań na planety, obecnie budowany z myślą o wystrzeleniu w 2026 roku. Misja skoncentruje się na jasnych gwiazdach, które są stosunkowo blisko nas w galaktyce, zazwyczaj w obszarze od 300 do 1000 lat świetlnych stąd, obserwując każdy obszar przez co najmniej dwa lata.

Misja będzie szukać planet nadających się do zamieszkania, korzystając z metody tranzytowej, podczas której badacze mierzą jasność odległej gwiazdy. Jeśli jasność gwiazdy spada w regularnych odstępach czasu, oznacza to, że pomiędzy nimi przechodzi planeta nas i gwiazdę, blokując część światła emitowanego przez gwiazdę i powodując spadek światła jasność. Precyzyjny pomiar tego spadku umożliwia instrumentom takim jak PLATO bardzo dokładne obliczenie wielkości planety.

Dwuletni okres obserwacji pozwala naukowcom na poszukiwanie planet o dłuższym okresie. Tak więc, podczas gdy misja taka jak Kepler obserwowała niewielki obszar nieba przez długi okres czasu, a TESS przygląda się dużych obszarów na niebie przez krótki okres czasu, PLATO będzie patrzeć zarówno na duży obszar, jak i przez długi czas czas.

Będziemy potrzebować instrumentów o dłuższym okresie obserwacji niż poprzednie misje, aby wykryć planety takie jak nasza – wyjaśniła w wywiadzie dla Digital Trends Ana Heras, naukowiec projektu PLATO. „Chcemy wykryć planety podobne do Ziemi, a to oznacza, że ​​jeśli chcemy zobaczyć planetę podobną do Ziemi w strefa mieszkalna, okres orbitalny będzie wynosił jeden rok” – powiedziała. „Musimy zatem obserwować przez co najmniej dwa lata, ponieważ chcemy zobaczyć co najmniej dwa tranzyty”.

Obecne modele sugerują, że obserwacja dwóch tranzytów danej gwiazdy powinna dostarczyć wystarczających danych do identyfikacji i w pewnym stopniu charakteryzują egzoplanetę, ale istnieje możliwość, że PLATO będzie mógł obserwować ten sam obszar przez trzy, a nawet cztery lata, jeśli niezbędny.

Oprócz planet podobnych do Ziemi, PLATO będzie także przyglądał się chłodniejszym czerwonym karłom, które potencjalnie mogą je posiadać krążące wokół nich nadające się do zamieszkania egzoplanety. Bardzo dokładny fotometr teleskopu może również mierzyć informacje o oscylacjach obserwowanych gwiazd, co może dostarczyć naukowcom informacji o ich wewnętrznej strukturze i wieku. „Pozwoli nam to w fantastyczny sposób pogłębić zrozumienie ewolucji gwiazd i ogólną wiedzę na temat fizyki gwiazd” – powiedział Heras.

Jedną z najbardziej ekscytujących możliwości PLATO jest to, że jest tak dokładny, że może nawet wykryć księżyce krążące wokół egzoplanet, zwanych egzoksiężycami. Jest oczywiste, że księżyce istnieją poza naszym Układem Słonecznym, ale obecne metody nie potwierdziły jeszcze ostatecznie ich wykrycia.

Szansa, że ​​PLATO mógł znaleźć taki księżyc, otwiera możliwość poszukiwania różnych typów środowiska nadającego się do zamieszkania — nie tylko planet podobnych do Ziemi, ale także księżyców podobnych do tych Księżyc Saturna Enceladus która jest jedną z najbardziej obiecujących, potencjalnie nadających się do zamieszkania lokalizacji poza Ziemią w naszym Układzie Słonecznym.

Ile planet jest w naszej galaktyce?

Do tej pory odkryliśmy około 4200 egzoplanet, a praktycznie co miesiąc ogłaszane są kolejne. Otwartym pozostaje jednak pytanie, ile dokładnie planet znajduje się w naszej galaktyce. Stosowanie metod takich jak metoda tranzytu pozwala odkryć jedynie planety w określonych konfiguracjach – szczególnie te, które znajdują się blisko siebie orbituje do swoich gwiazd — dlatego potrzebujemy ogólnego obrazu galaktyki, aby lepiej zorientować się, ile planet znajduje się w całkowity.

To właśnie nadchodzi NASA Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace, lub po prostu Roman, ma na celu odkrycie. Teleskop jest obecnie w budowie, a po wystrzeleniu na przełomie 2025 i 2026 roku rozpocznie badanie nocnego nieba zwane Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Celem tego badania nie jest odkrywanie ani badanie egzoplanet jako takich, ale raczej zdobycie wiedzy o nich szerszy obraz tego, ile gwiazd w naszej galaktyce posiada układy planetarne i jaka jest ich struktura Rozpowszechniane.

Wykrywanie planet poprzez zaginanie światła

Aby przeprowadzić przegląd nieba, Roman wykorzysta technikę zwaną mikrosoczewkowaniem, która może wykrywać egzoplanety, ale przede wszystkim dostarcza naukowcom informacji o gwiazdach, wokół których krążą planety.

„Mikrosoczewkowanie jest wyjątkowe pod wieloma względami” – powiedział w wywiadzie dla Digital Trends główny badacz RGES, Scott Gaudi. Opiera się na procesie zwanym soczewkowaniem grawitacyjnym, który służy do wykrywania gwiazd. „Działa to tak, że jeśli patrzysz na gwiazdę wystarczająco długo (około 500 000 lat), to przez przypadek pojawi się inna gwiazda na pierwszym planie unosić się wystarczająco blisko gwiazdy tła, aby rozdzielić światło tej gwiazdy tła na dwa obrazy” – on wyjaśnione.

„Gwiazda źródłowa tła rozjaśnia się, gdy gwiazda na pierwszym planie pojawia się przed nią, ponieważ grawitacja gwiazdy na pierwszym planie zagina promienie światła, które byłyby zanikające z linii wzroku.” Oznacza to, że jeśli naukowcy zaobserwują, że gwiazda tła staje się jaśniejsza, a następnie słabnie, mogą wywnioskować, że między nią a gwiazdą przeszła inna gwiazda. nas.

Technikę tę można dalej udoskonalać w celu wykrywania egzoplanet. „Jeśli tak się składa, że ​​gwiazda na pierwszym planie ma planetę, to planeta ta ma masę, co oznacza, że ​​może soczewkować grawitacyjnie również tę gwiazdę” – powiedział Gaudi. „Jeśli więc jedno z dwóch zdjęć gwiazdy tła utworzonej przez gwiazdę macierzystą na pierwszym planie przeleci blisko planety, spowoduje to krótką przerwę dodatkowe rozjaśnienie lub przyciemnienie, które trwa od kilku godzin w przypadku planety o masie Ziemi do kilku dni w przypadku planety o masie Jowisza planeta."

Problem w tym, że takie zdarzenia, podczas których planety i gwiazdy układają się dokładnie w jedną całość, są rzadkie i nieprzewidywalne. Aby je uchwycić, astronomowie muszą obserwować ogromną liczbę gwiazd. „Występuje jedno zjawisko soczewkowania na gwiazdę na 500 000 lat, więc jest to długi czas oczekiwania” – powiedział Gaudi. „Zamiast tego monitorujemy około 100 milionów gwiazd w zgrubieniu galaktycznym [gęsto upakowany obszar gwiazd w środku naszej galaktyki] i w dowolnym momencie soczewkowane jest wiele tysięcy gwiazd”.

Roman będzie szczególnie odpowiedni do tego typu badań, ponieważ ma bardzo duże pole widzenia, umożliwiające obserwację dużego fragmentu zgrubienia galaktycznego. Może także monitorować te miliony gwiazd w skali czasowej 15 minut, umożliwiając badaczom uchwycenie zachodzących zjawisk soczewkowania.

Misje uzupełniające

Podstawowe dane, jakie posiadamy dotychczas na temat liczby egzoplanet, które mogą istnieć w naszej galaktyce, pochodzą z wycofanego już Kosmicznego Teleskopu Keplera, która badała niebo w latach 2009–2018, mierząc jasność około 150 000 gwiazd w celu poszukiwania egzoplanet za pomocą tranzytu metoda.

Misja ta położyła podwaliny pod dzisiejsze badania egzoplanet. Jednak ze względu na metodę zastosowaną przez Keplera nadal istnieje wiele egzoplanet, które mógł przeoczyć. Projekt Roman ma na celu rozszerzenie i uzupełnienie tych prac przy użyciu innej metody.

„Badanie RGES jest ważne, ponieważ będzie uzupełnieniem badania Keplera” – wyjaśnił Gaudi. „Metoda mikrosoczewkowania jest z natury wrażliwa na planety znajdujące się dalej, więc planety o orbitach mniej więcej większych niż orbita Ziemia." Gdyby na przykład tę metodę zastosowali odlegli kosmici do obserwacji naszego Układu Słonecznego, byłaby w stanie wykryć wszystkie planety z wyjątkiem Rtęć.

„Podczas gdy Kepler był ledwo wrażliwy na planety o masie Ziemi. Dlatego naprawdę musimy przeprowadzić badanie RGES, aby dokonać statystycznego spisu egzoplanet w galaktyce” – powiedział Gaudi.

Mikrosoczewkowanie nie jest również zależne od jasnego światła obserwowanych gwiazd, dlatego umożliwia naukowcom obserwację układów znajdujących się zarówno blisko nas, jak i tak odległych, jak centrum galaktyki. Roman umożliwi naukowcom uzyskanie statystycznego zrozumienia rozmieszczenia układów planetarnych w naszej galaktyce, Gaudi powiedział: „Dzięki temu możemy faktycznie określić rozmieszczenie galaktyczne układów egzoplanetarnych, co jest w zasadzie niemożliwe w przypadku żadnego innego technika."

Charakterystyka egzoplanet za pomocą tranzytów

Teleskopy PLATO i Rzymskie będą nieocenione w odkrywaniu nowych egzoplanet i szacowaniu, ile w sumie egzoplanet istnieje w naszej galaktyce. Kiedy jednak dowiemy się, ile jest planet i gdzie się znajdują, potrzebujemy nowych narzędzi, aby dowiedzieć się więcej o tych planetach – badając ich cechy, takie jak ich masa, rozmiar i wiek. Informacje te mogą pomóc nam zobaczyć, jakie planety istnieją, niezależnie od tego, czy są to gazowe olbrzymy, takie jak Jowisz czy Saturn, czy skaliste światy, takie jak Ziemia i Mars.

Niedawno uruchomiona została ESA nowy kosmiczny teleskop o nazwie CHEOPS (CHAracterising ExOPlanets Satellite), który bada egzoplanety z orbity. Projekt CHEOPS prawdopodobnie odkryje w trakcie swojej kadencji kilka nowych egzoplanet, ale jego głównym celem jest bardziej szczegółowe badanie egzoplanet znalezionych w ramach innych przeglądów przy użyciu metody tranzytu.

„W rzeczywistości jesteśmy misją kontynuacyjną” – wyjaśniła w wywiadzie dla Digital Trends Kate Isaak, naukowiec pracujący nad projektem CHEOPS. „Monitorujemy, między innymi, rozmiary znanych egzoplanet”.

Oznacza to, że naukowcy biorący udział w tym projekcie mają przewagę w swoich obserwacjach, ponieważ posiadają już potrzebne informacje na temat tego, kiedy nastąpi tranzyt. Mogą skierować instrument w stronę docelowej planety we właściwym momencie jej tranzytu, aby uchwycić o niej informacje.

CHEOPS został uruchomiony zaledwie kilka miesięcy temu, ale już odkrył nowe informacje na temat planeta KELT-11 b, stwierdzając, że ta dziwaczna planeta ma tak małą gęstość, że „unosiłaby się na wodzie w wystarczająco dużym basenie” – wynika z oświadczenia badaczy.

W poszukiwaniu Ziemi 2

Wykrywanie i badanie egzoplanet nie polega tylko na znajdowaniu dziwnych światów, takich jak np KELT-9 b Lub Mikrofon AU b chociaż. Dotyczy także najważniejszego pytania: czy życie istnieje poza Ziemią. Prace wykonywane obecnie przez astronomów zaczynają badać kwestie nie tylko tego, gdzie znajdują się planety, ale także czy nadają się do zamieszkania. Ostatecznie mogą pomóc w ustaleniu, czy na tych odległych planetach rzeczywiście istnieje życie.

„Jednym ze świętych Graali nauki o egzoplanetach jest poszukiwanie życia” – powiedział Isaak. „Jedną z rzeczy, których szukają ludzie, jest planeta podobna do Ziemi. Można powiedzieć, że to Ziemia 2. Wiąże się to z poszukiwaniem skalistej planety w ekosferze gwiazdy – odległości od gwiazdy, w której na powierzchni planety może znajdować się woda w stanie ciekłym. Przyszłe misje, takie jak nadchodzący Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, będą w stanie nawet zbadać, czy odległe egzoplanety mają atmosferę.

Heras, naukowiec uczestniczący w projekcie PLATO, zgodził się ze znaczeniem poszukiwania miejsc do zamieszkania. „Badanie egzoplanet nadających się do zamieszkania to tak naprawdę kolejny krok w kierunku zrozumienia nie tylko ewolucji planet, ale być może także tego, jak pojawiło się życie” – powiedziała. „Po tym, jak dowiedzieliśmy się o egzoplanetach, następnym krokiem będzie zdobycie większej wiedzy o rozwoju życia i jego początkach”.

Pozostaje również otwarte pytanie, czy istnieją inne układy słoneczne podobne do naszego. „Chcielibyśmy również wiedzieć, jak wyjątkowa jest nasza planeta” – powiedział Heras. Wyjaśniła, że ​​nawet pomimo tysięcy odkrytych egzoplanet bardzo niewiele z nich znajduje się w ekosferze swoich gwiazd. „Więc tak naprawdę nie wiemy jeszcze, na podstawie naszej wiedzy, jak wyjątkowy jest nasz Układ Słoneczny i jak wyjątkowa jest Ziemia”.

Ostateczne pytanie

To powiązanie między odkryciem egzoplanet a poszukiwaniem życia napędza zarówno naukowców pracujących nad tymi projektami, jak i apetyt społeczeństwa na poznawanie odległych światów. Niemożliwe jest słuchanie o dziwnych egzoplanetach i nie wyobrażanie sobie, jak by to było żyć w tych dziwnych miejscach.

„Egzoplanety są fascynujące przede wszystkim dlatego, że są łatwe do zrozumienia” – powiedział Isaak. „Żyjemy na planecie. Pytanie, czy jesteśmy sami, jest głębokie – z filozoficznego, fizycznego, psychologicznego punktu widzenia – jest fascynującym pytaniem, które możemy łatwo zrozumieć. Wyszukiwanie i badanie egzoplanet to krok w stronę pytania, czy jesteśmy sami… Dzięki CHEOPS nie znajdziemy życia. Nie zakończymy misji stwierdzeniem, że na Planecie X odkryliśmy małych zielonych ludzików. My jednak zrobimy wkład w proces, dzięki któremu będzie można tego dokonać w dłuższej perspektywie”.

Nawet jeśli poszukiwania życia nic nie przyniosą, będzie to i tak głębokie odkrycie. A same poszukiwania mogą pobudzić badania naukowe i głęboką kontemplację naszego miejsca we wszechświecie.

„Myślę, że wszyscy szukamy sensu” – powiedział Gaudi. „Gdybyśmy w jakiś sposób mieli pojęcie o tym, czy życie, nawet proste, powstało na innej planecie niezależnie od życia na Ziemi… a jeśli nie i jesteśmy kosmicznie samotni – jedno i drugie będzie miało bardzo głęboki wpływ na nasz pogląd na siebie i nasze miejsce w świecie. wszechświat. To właśnie to znaczenie skłania mnie osobiście do studiowania poszukiwań możliwości zamieszkania i potencjalnego życia.