Cum ne vor ajuta telescoapele de nouă generație să vânăm exoplanete

În ultimii ani, am descoperit o gamă uimitoare de planete în afara propriului nostru sistem solar. Pe lângă cele care sunt potenţial locuibilă, am găsit și exoplanete care sunt mai fierbinte decât stelele, avea ploaie de fier și cer galben, și care au densitatea vată de zahăr. Dar încă abia am zgâriat suprafața a ceea ce este acolo.

Următoarea generație de misiuni de vânătoare de planete va merge și mai departe, identificând exoplanete și determinând locuibilitatea acestora chiar și de la mii de ani lumină distanță. Pentru a afla mai multe despre cum să vânați acul unei planete din carul de fân al galaxiei noastre, am vorbit cu trei experți care lucrează la proiecte de ultimă oră pentru exoplanete.

O explozie de exoplanete

Primele exoplanete au fost descoperite în 1992, iar în mai puțin de trei decenii numărul planetelor cunoscute din afara sistemului nostru solar a explodat. NASA estimări că numărul de exoplanete cunoscute se dublează aproximativ la fiecare 27 de luni.

Descoperirea exoplanetelor a început folosind telescoape de la sol, cum ar fi faimoasa descoperire a exoplanetei 51 Peg b în 1995, pentru care doi astronomi elvețieni au primit Premiul Nobel. Dar vânătoarea de exoplanete a început cu adevărat odată cu apariția telescoapelor spațiale de vânătoare de planete, cum ar fi NASA. Kepler și TESS misiuni.

Acum, noi misiuni de la NASA și ESA (Agenția Spațială Europeană) identifică și examinează exoplanete îndepărtate mai detaliat decât oricând.

Găsesc exoplanete în galaxia noastră

PLATO este telescopul spațial de vânătoare de planete de ultimă generație al ESA și este în prezent construit cu scopul de a fi lansat în 2026. Misiunea se va concentra asupra stelelor strălucitoare care sunt relativ aproape de noi în galaxie, de obicei, în regiunea cuprinsă între 300 și 1.000 de ani lumină distanță, uitându-se la fiecare zonă cel puțin doi ani.

Misiunea va căuta lumi locuibile folosind metoda tranzitului, în care cercetătorii măsoară luminozitatea unei stele îndepărtate. Dacă luminozitatea stelei scade la intervale regulate, asta înseamnă că o planetă trece între ele noi și stea, blocând o parte din lumina emisă de stea și provocând cufundarea în interior luminozitatea. Măsurarea precisă a acestei căderi permite instrumentelor precum PLATO să calculeze foarte precis dimensiunea planetei.

Perioada de observație de doi ani le permite oamenilor de știință să caute planete cu perioade mai lungi. Deci, în timp ce o misiune precum Kepler a privit o mică zonă a cerului pentru o perioadă lungă de timp, iar TESS se uită la regiuni mari pentru cer pentru o perioadă scurtă de timp, PLATON va privi atât o regiune mare, cât și pentru o lungă perioadă de timp timp.

Vom avea nevoie de instrumente cu o perioadă de observare mai lungă decât misiunile anterioare pentru a identifica planete precum a noastră, a explicat Ana Heras, om de știință al proiectului pentru PLATO, pentru Digital Trends într-un interviu. „Vrem să detectăm planete asemănătoare Pământului și asta înseamnă că dacă doriți să vedeți o planetă asemănătoare Pământului în zona locuibila, va avea o perioadă orbitală de un an”, a spus ea. „Deci trebuie să observăm cel puțin doi ani, pentru că vrem să vedem cel puțin două tranzite.”

Modelele actuale sugerează că observarea a două tranzite ale unei stele date ar trebui să ofere suficiente date pentru a identifica și într-o oarecare măsură caracterizează o exoplanetă, dar există posibilitatea ca PLATO să observe aceeași zonă timp de trei sau chiar patru ani dacă necesar.

Pe lângă aceste planete asemănătoare Pământului, PLATO se va uita și la stele pitice roșii mai reci, care ar putea avea exoplanete locuibile care orbitează în jurul lor. Fotometrul extrem de precis al telescopului poate măsura și informații despre oscilațiile stelelor observate, ceea ce le poate spune oamenilor de știință despre structura și vârstele lor interne. „Acest lucru ne va permite să avansăm, într-un mod fantastic, înțelegerea evoluției stelare și cunoștințele generale despre fizica stelare”, a spus Heras.

Una dintre cele mai interesante posibilități ale lui PLATO este că este atât de precis, încât poate chiar să detecteze lunile care orbitează în jurul exoplanetelor, numite exoluni. Este de la sine înțeles că lunile există în afara sistemului nostru solar, dar metodele actuale nu au confirmat încă în mod definitiv detectarea uneia.

Șansa ca PLATO să găsească o astfel de lună deschide posibilitatea de a căuta diferite tipuri de mediu locuibil - nu numai planete asemănătoare Pământului, ci și luni asemănătoare celor ca Luna lui Saturn, Enceladus care este una dintre cele mai promițătoare locații non-pământene potențial locuibile din sistemul nostru solar.

Câte planete sunt în galaxia noastră?

Am descoperit până acum aproximativ 4.200 de exoplanete, iar mai multe fiind anunțate practic în fiecare lună. Dar rămâne o întrebare deschisă cu privire la exact câte planete există în galaxia noastră. Folosirea unor metode precum metoda de tranzit dezvăluie doar planete în anumite configurații - în special cele care sunt apropiate orbitează către stelele lor - așa că avem nevoie de o vedere de ansamblu a galaxiei pentru a ne face o idee mai bună despre câte planete sunt acolo în total.

Asta urmează NASA Telescopul spațial roman Nancy Grace, sau pur și simplu Roman, își propune să descopere. Telescopul este în curs de construcție și, odată ce va fi lansat la sfârșitul anului 2025 sau începutul lui 2026, va începe un studiu al cerului nocturn numit Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Scopul acestui sondaj nu este de a descoperi sau investiga exoplanete în sine, ci mai degrabă de a obține a imagine de ansamblu a câte stele din galaxia noastră găzduiesc sisteme planetare și cum sunt aceste sisteme distribuite.

Detectarea planetelor prin curbarea luminii

Pentru a-și efectua studiul cerului, Roman va folosi o tehnică numită microlensing, care poate identifica exoplanete, dar mai ales le spune oamenilor de știință despre stelele în jurul cărora orbitează planetele.

„Microlensing-ul este unic din multe puncte de vedere”, a declarat pentru Digital Trends, într-un interviu, investigatorul principal pentru RGES, Scott Gaudi. Se bazează pe un proces numit lentilă gravitațională, care este folosit pentru a detecta stelele. „Modul în care funcționează este că dacă te uiți la o stea suficient de mult (aproximativ 500.000 de ani), atunci din întâmplare o altă stea din prim-plan va plutește suficient de aproape de linia ta de vedere acea stea de fundal pentru a împărți lumina de la acea stea de fundal în două imagini”, el explicat.

„Steaua sursă de fundal este luminoasă pe măsură ce steaua din prim plan vine în fața ei, deoarece gravitația stelei din prim plan curbează razele de lumină care ar fi dispărut. din raza vizuală.” Aceasta înseamnă că, dacă oamenii de știință observă că o stea de fundal devine mai strălucitoare și apoi devine mai slabă, pot deduce că o altă stea a trecut între ea și S.U.A.

Această tehnică poate fi perfecționată și mai mult pentru a detecta exoplanete. „Dacă acea stea din prim-plan se întâmplă să aibă o planetă, atunci planeta respectivă are masă, ceea ce înseamnă că poate reflecta gravitațional și acea stea”, a spus Gaudi. „Așadar, dacă una dintre acele două imagini ale acelei stele de fundal create de steaua gazdă din prim plan se întâmplă să treacă aproape de planetă, va provoca o scurtă iluminare sau estompare suplimentară, care durează între câteva ore, în cazul unei planete cu masa Pământului, până la câteva zile, în cazul unei planete cu masă Jupiter planetă."

Problema este că aceste evenimente, în care planetele și stelele se aliniază exact așa, sunt rare și imprevizibile. Deci, pentru a le captura, astronomii trebuie să urmărească un număr mare de stele. „Primești un eveniment de lensing per stea la 500.000 de ani, așa că este mult timp de așteptat”, a spus Gaudi. „Așa că, în schimb, monitorizăm aproximativ 100 de milioane de stele din umflătura galactică [o zonă dens de stele din mijlocul galaxiei noastre] și, în orice moment, multe mii sunt vizate.”

Roman va fi deosebit de potrivit pentru acest tip de investigație, deoarece are un câmp vizual foarte mare, permițându-i să observe o bucată mare din umflătura galactică. De asemenea, poate monitoriza aceste milioane de stele pe o scară de timp de 15 minute, permițând cercetătorilor să surprindă aceste evenimente de lentilă pe măsură ce se întâmplă.

Misiuni complementare

Datele primare pe care le avem până acum despre câte exoplanete ar putea exista în galaxia noastră provin de la telescopul spațial Kepler, acum retras, care a cercetat cerul între 2009 și 2018, măsurând luminozitatea a aproximativ 150.000 de stele pentru a căuta exoplanete folosind tranzitul metodă.

Această misiune a pus bazele cercetării exoplanetelor de astăzi. Cu toate acestea, datorită metodei folosite de Kepler, există încă multe exoplanete pe care le-ar fi putut rata. Proiectul Roman își propune să extindă și să completeze această muncă prin utilizarea unei metode diferite.

„Sondajul RGES este important pentru că va fi complementar cu Kepler”, a explicat Gaudi. „Metoda de microlensing este intrinsec sensibilă la planetele care sunt mai departe, astfel încât planetele cu orbite aproximativ mai mari decât cea a Pământ." Dacă această metodă ar fi folosită de extratereștri îndepărtați pentru a observa sistemul nostru solar, de exemplu, ar fi capabil să detecteze toate planetele, cu excepția Mercur.

„În timp ce Kepler a fost abia sensibil la planetele de masa Pământului. Deci trebuie să facem sondajul RGES pentru a face acest recensământ statistic al exoplanetelor din galaxie”, a spus Gaudi.

Microlensing, de asemenea, nu depinde de lumina strălucitoare a stelelor observate, așa că permite oamenilor de știință să observe sisteme care sunt atât aproape de noi, cât și la fel de departe de centrul galaxiei. Roman va permite cercetătorilor să obțină o înțelegere statistică a modului în care sistemele planetare sunt distribuite în galaxia noastră, Gaudi a spus: „Deci putem determina de fapt distribuția galactică a sistemelor exoplanetare, ceea ce este practic imposibil cu orice alt sistem. tehnică."

Caracterizarea exoplanetelor folosind tranzite

Telescoapele PLATO și romane vor fi de neprețuit pentru a descoperi noi exoplanete și pentru a estima câte exoplanete există în total în galaxia noastră. Dar odată ce știm câte planete există și unde sunt situate, avem nevoie de noi instrumente pentru a afla mai multe despre aceste planete - investigând caracteristici precum masa, dimensiunea și vârsta lor. Aceste informații ne pot ajuta să vedem ce fel de planete sunt acolo, fie că sunt giganți gazosi precum Jupiter sau Saturn sau lumi stâncoase precum Pământul și Marte.

ESA lansat recent un nou telescop spațial numit CHEOPS (CHacterising ExOPlanets Satellite), care investighează exoplanete de pe orbită. Proiectul CHEOPS va găsi probabil câteva exoplanete noi în timpul mandatului său, dar scopul său principal este să investigheze exoplanetele găsite de alte sondaje mai detaliat folosind metoda de tranzit.

„Suntem, de fapt, o misiune ulterioară”, a explicat Kate Isaak, om de știință al proiectului la CHEOPS, pentru Digital Trends într-un interviu. „Urmărim pentru a găsi dimensiunile, printre altele, ale exoplanetelor cunoscute.”

Aceasta înseamnă că oamenii de știință din acest proiect au un avantaj în observațiile lor, deoarece au deja informațiile de care au nevoie despre momentul în care va avea loc un tranzit. Ei pot îndrepta instrumentul către planeta țintă exact la momentul potrivit, în timp ce aceasta este în tranzit, pentru a capta informații despre aceasta.

CHEOPS a fost lansat cu doar câteva luni în urmă, dar a descoperit deja noi informații despre planeta KELT-11 b, constatând că această planetă ciudată are o densitate atât de mică încât „ar pluti pe apă într-o piscină suficient de mare”, conform unei declarații a cercetătorilor.

În căutarea Pământului 2

Detectarea și studiul exoplanetelor nu înseamnă doar găsirea unor lumi ciudate ca KELT-9 b sau AU Mic b deşi. Este, de asemenea, despre cea mai mare întrebare: dacă viața există sau nu în afara Pământului. Munca pe care o fac acum astronomii începe să investigheze nu numai unde sunt planetele, ci și dacă acestea ar putea fi locuibile. În cele din urmă, ar putea ajuta la determinarea dacă aceste planete îndepărtate găzduiesc de fapt viață.

„Unul dintre sfântul Graal al științei exoplanetelor este în căutarea vieții”, a spus Isaak. „Unul dintre lucrurile pe care oamenii le caută este o planetă asemănătoare Pământului. Un Earth 2, ai putea spune.” Aceasta implică căutarea unei planete stâncoase în zona locuibilă a unei stele - distanța de la o stea la care apa lichidă poate exista pe suprafața planetei. Misiunile viitoare, cum ar fi viitorul telescop spațial James Webb, vor putea chiar să investigheze dacă exoplanetele îndepărtate au o atmosferă.

Heras, om de știință al proiectului PLATO, a fost de acord cu importanța căutării locuinței. „Studiul exoplanetelor posibil locuibile este cu adevărat următorul pas pentru a înțelege nu numai cum evoluează planetele, ci și cum a apărut viața”, a spus ea. „După tot ce am învățat despre exoplanete, următorul pas va fi să învățăm mai multe despre dezvoltarea vieții și despre cum a început viața.”

Există, de asemenea, o mare întrebare deschisă despre dacă există și alte sisteme solare similare cu ale noastre. „Ne-am dori, de asemenea, să știm cât de unică este planeta noastră”, a spus Heras. Ea a explicat că, chiar și cu miile de exoplanete descoperite, foarte puține dintre acestea se află în zona locuibilă a stelelor lor. „Deci nu știm încă, cu cunoștințele noastre, cât de unic este sistemul nostru solar și cât de unic este Pământul.”

Întrebarea supremă

Această legătură între descoperirea exoplanetelor și căutarea vieții îi determină atât pe oamenii de știință care lucrează la aceste proiecte, cât și pe apetitul publicului de a afla despre lumi îndepărtate. Este imposibil să auzi despre exoplanete bizare și să nu-ți imaginezi cum ar fi să trăiești în aceste locuri ciudate.

„Exoplanetele sunt fascinante, dacă nu altceva, pentru că sunt ușor de înțeles”, a spus Isaak. „Trăim pe o planetă. Întrebarea dacă suntem singuri este una profundă – filozofic, fizic, psihologic – este o întrebare fascinantă și pe care o putem înțelege cu ușurință. Căutarea și studierea exoplanetelor sunt pași către întrebarea dacă suntem singuri... Cu CHEOPS, nu vom găsi viață. Nu vom încheia misiunea spunând că am descoperit omuleți verzi pe Planeta X. Dar ceea ce vom face este să contribuim la procesul prin care poți face asta pe termen lung.”

Chiar dacă căutarea vieții nu dezvăluie nimic, aceasta ar fi totuși o descoperire profundă. Și căutarea în sine poate stimula investigația științifică și contemplarea profundă a locului nostru în univers.

„Cred că toți căutăm sens”, a spus Gaudi. „Dacă am putea avea cumva o idee dacă viața, chiar și viața simplă, a apărut sau nu pe o altă planetă independent de viața de pe Pământ - sau dacă nu și suntem singuratici din punct de vedere cosmic - oricare dintre ele ar avea un impact foarte profund asupra viziunii noastre despre noi înșine și asupra locului nostru în univers. Este acest sens care mă determină personal să studiez căutarea locuinței și, eventual, a vieții.”