Ako nám teleskopy novej generácie pomôžu pri hľadaní exoplanét

V posledných rokoch sme objavili úžasné množstvo planét mimo našej vlastnej slnečnej sústavy. Okrem tých, ktoré sú potenciálne obývateľný, našli sme aj exoplanéty, ktoré sú horúcejšie ako hviezdy, mať železný dážď a žltá obloha, a ktoré majú hustota cukrovej vaty. Ale stále sme sotva poškriabali povrch toho, čo je tam vonku.

Ďalšia generácia misií na lov planét pôjde ešte ďalej, identifikuje exoplanéty a určí ich obývateľnosť aj zo vzdialenosti tisícok svetelných rokov. Ak sa chcete dozvedieť viac o tom, ako loviť ihlu planéty v kope sena našej galaxie, porozprávali sme sa s tromi odborníkmi pracujúcimi na špičkových projektoch exoplanét.

Výbuch exoplanét

Prvé exoplanéty boli objavené v roku 1992 a za menej ako tri desaťročia explodoval počet známych planét mimo našej slnečnej sústavy. NASA odhady že počet známych exoplanét sa každých 27 mesiacov zhruba zdvojnásobí.

Objavovanie exoplanét začalo pomocou pozemných ďalekohľadov, ako napríklad slávny objav exoplanéty 51 Peg b v roku 1995, za ktorý dvaja švajčiarski astronómovia dostali Nobelovu cenu. Ale lov exoplanét sa skutočne rozbehol na plné obrátky s príchodom vesmírnych teleskopov na lov planét, ako je NASA Kepler a TESS misie.

Teraz nové misie NASA a ESA (Európska vesmírna agentúra) identifikujú a skúmajú vzdialené exoplanéty podrobnejšie ako kedykoľvek predtým.

Hľadanie exoplanét v našej galaxii

PLATO je vesmírny teleskop novej generácie ESA na lov planét a v súčasnosti sa stavia s cieľom štartu v roku 2026. Misia sa sústredí na jasné hviezdy, ktoré sú relatívne blízko nás v galaxii, zvyčajne vo vzdialenosti 300 až 1 000 svetelných rokov, pričom sa na každú oblasť pozeráme aspoň dva roky.

Misia bude hľadať obývateľné svety pomocou tranzitnej metódy, pri ktorej výskumníci merajú jas vzdialenej hviezdy. Ak jas hviezdy klesá v pravidelných intervaloch, znamená to, že medzi nimi prechádza planéta nás a hviezdy, blokujúc časť svetla vyžarovaného hviezdou a spôsobujúcu pokles jas. Presné meranie tohto poklesu umožňuje prístrojom ako PLATO veľmi presne vypočítať veľkosť planéty.

Dvojročné obdobie pozorovania umožňuje vedcom hľadať planéty s dlhším obdobím. Takže zatiaľ čo misia ako Kepler sa na dlhú dobu pozerala na malú oblasť oblohy a TESS sa veľké oblasti na oblohe na krátky čas, PLATO sa bude pozerať na veľkú oblasť aj na dlhú dobu čas.

Budeme potrebovať nástroje s dlhším pozorovacím obdobím ako predchádzajúce misie, aby sme rozpoznali planéty, ako je tá naša, vysvetlila Ana Heras, projektová vedkyňa pre PLATO, pre Digital Trends v rozhovore. „Chceme odhaliť planéty podobné Zemi, a to znamená, že ak chcete vidieť planétu podobnú Zemi obývateľná zóna, bude mať obežnú dobu jeden rok,“ povedala. "Takže musíme pozorovať aspoň dva roky, pretože chceme vidieť aspoň dva tranzity."

Súčasné modely naznačujú, že pozorovanie dvoch prechodov danej hviezdy by malo poskytnúť dostatok údajov na identifikáciu a do určitej miery charakterizujú exoplanétu, ale existuje možnosť, že by PLATO mohla pozorovať rovnakú oblasť tri alebo dokonca štyri roky, ak nevyhnutné.

Okrem týchto planét podobných Zemi sa PLATO pozrie aj na chladnejšie červené trpasličie hviezdy, ktoré by mohli mať obývateľné exoplanéty, ktoré ich obiehajú. Vysoko presný fotometer ďalekohľadu dokáže merať aj informácie o osciláciách pozorovaných hviezd, ktoré môžu vedcom povedať o ich vnútornej štruktúre a veku. "To nám umožní fantastickým spôsobom pokročiť v chápaní hviezdneho vývoja a všeobecných poznatkov o fyzike hviezd," povedal Heras.

Jednou z najzaujímavejších možností PLATO je, že je taký presný, že môže byť dokonca schopný detekovať mesiace obiehajúce okolo exoplanét, nazývaných exomúny. Je logické, že mesiace existujú mimo našej slnečnej sústavy, ale súčasné metódy ešte definitívne nepotvrdili detekciu jedného.

Šanca, že PLATO dokáže nájsť takýto mesiac, otvára možnosť hľadania rôznych typov obývateľného prostredia – nielen planét podobných Zemi, ale aj mesiacov podobných týmto Saturnov mesiac Enceladus ktorý je jedným z najsľubnejších potenciálne obývateľných miest mimo Zeme v našej slnečnej sústave.

Koľko planét je v našej galaxii?

Doteraz sme objavili približne 4 200 exoplanét, pričom ďalšie sú oznamované prakticky každý mesiac. Otvorenou otázkou však zostáva, koľko presne planét je v našej galaxii. Použitie metód, ako je tranzitná metóda, odhaľuje iba planéty v konkrétnych konfiguráciách - najmä tie, ktoré sú blízko obieha k ich hviezdam – takže potrebujeme celkový pohľad na galaxiu, aby sme získali lepšiu predstavu o tom, koľko planét je tam vonku Celkom.

To je to, čo NASA pripravuje Rímsky vesmírny ďalekohľad Nancy Grace, alebo jednoducho Roman, má za cieľ objavovať. Ďalekohľad je v súčasnosti vo výstavbe a po spustení koncom roka 2025 alebo začiatkom roku 2026 začne prieskum nočnej oblohy s názvom Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Cieľom tohto prieskumu nie je objaviť alebo preskúmať exoplanéty ako také, ale skôr získať a veľký obraz o tom, koľko hviezd v našej galaxii hostí planetárne systémy a aké sú tieto systémy distribuované.

Detekcia planét ohýbaním svetla

Na vykonanie prieskumu oblohy použije Roman techniku ​​zvanú mikrošošovky, ktorá dokáže vybrať exoplanéty, no väčšinou vedcom povie o hviezdach, okolo ktorých planéty obiehajú.

„Mikrolensing je v mnohých ohľadoch jedinečný,“ povedal hlavný výskumník RGES Scott Gaudi v rozhovore pre Digital Trends. Je založená na procese nazývanom gravitačná šošovka, ktorý sa používa na detekciu hviezd. „Funguje to tak, že ak sa na hviezdu pozeráte dostatočne dlho (asi 500 000 rokov), potom sa náhodou objaví ďalšia hviezda v popredí. vznášať sa dostatočne blízko k vašej zornej línii hviezdy v pozadí, aby sa svetlo z tejto hviezdy v pozadí rozdelilo na dva obrázky,“ povedal vysvetlil.

„Zdrojová hviezda v pozadí sa rozjasní, keď sa hviezda v popredí dostane pred ňu, pretože gravitácia hviezdy v popredí ohýba svetelné lúče, ktoré by odišli. z priameho pohľadu." To znamená, že ak vedci pozorujú, že hviezda v pozadí sa stáva jasnejšou a potom slabšou, môžu usúdiť, že medzi ňou prešla iná hviezda. nás.

Táto technika môže byť ďalej vylepšená na detekciu exoplanét. "Ak má táto hviezda v popredí planétu, potom má táto planéta hmotnosť, čo znamená, že môže gravitačne šošovkovať aj túto hviezdu," povedal Gaudi. „Takže ak jeden z týchto dvoch obrázkov tejto hviezdy v pozadí vytvorený hostiteľskou hviezdou v popredí náhodou prejde blízko planéty, spôsobí to krátke dodatočné zjasnenie alebo stmievanie, ktoré trvá niekoľko hodín v prípade planét s hmotnosťou Zeme až niekoľko dní v prípade planéty s hmotnosťou Jupitera planéta.”

Problém je v tom, že tieto udalosti, pri ktorých sa planéty a hviezdy zoraďujú len tak, sú zriedkavé a nepredvídateľné. Na ich zachytenie musia astronómovia sledovať obrovské množstvo hviezd. "Dostanete jednu udalosť šošovky na hviezdu za 500 000 rokov, takže to je dlhá doba čakania," povedal Gaudi. "Namiesto toho monitorujeme približne 100 miliónov hviezd v galaktickej vydutine [husto zhustená oblasť hviezd v strede našej galaxie] a v každom danom čase sa šošoviek používa mnoho tisíc."

Roman bude obzvlášť vhodný na tento typ vyšetrovania, pretože má veľmi veľké zorné pole, čo mu umožňuje pozorovať veľký kus galaktickej vydutiny. Môže tiež monitorovať tieto milióny hviezd v časovom rámci 15 minút, čo umožňuje výskumníkom zachytiť tieto udalosti šošoviek tak, ako k nim dôjde.

Doplnkové misie

Primárne údaje, ktoré zatiaľ máme o tom, koľko exoplanét by mohlo existovať v našej galaxii, pochádzajú z už vyradeného Keplerovho vesmírneho teleskopu, ktorá v rokoch 2009 až 2018 skúmala oblohu a merala jas asi 150 000 hviezd s cieľom hľadať exoplanéty pomocou tranzitu metóda.

Táto misia položila základy dnešného výskumu exoplanét. Vďaka metóde, ktorú použil Kepler, však stále existuje veľa exoplanét, ktoré mohol prehliadnuť. Rímsky projekt má za cieľ rozšíriť a doplniť túto prácu použitím inej metódy.

"Prieskum RGES je dôležitý, pretože bude doplnkom ku Keplerovi," vysvetlil Gaudi. „Metóda mikrošošoviek je skutočne citlivá na planéty, ktoré sú ďalej, takže planéty s obežnými dráhami zhruba väčšími ako Zem.” Ak by túto metódu použili vzdialení mimozemšťania na pozorovanie našej slnečnej sústavy, bola by schopná odhaliť všetky planéty okrem Merkúr.

"Zatiaľ čo Kepler bol len veľmi málo citlivý na planéty s hmotnosťou Zeme." Takže naozaj musíme urobiť prieskum RGES, aby sme mohli urobiť štatistické sčítanie exoplanét v galaxii,“ povedal Gaudi.

Mikrošošovka tiež nezávisí od jasného svetla z pozorovaných hviezd, takže umožňuje vedcom pozorovať systémy, ktoré sú blízko nás aj ďaleko od stredu galaxie. Roman umožní výskumníkom získať štatistické pochopenie toho, ako sú planetárne systémy distribuované v našej galaxii, Gaudi povedal: „Takže môžeme skutočne určiť galaktické rozloženie exoplanetárnych systémov, čo je v podstate nemožné u žiadneho iného technika.”

Charakterizácia exoplanét pomocou tranzitov

Teleskopy PLATO a Rím budú neoceniteľné pri objavovaní nových exoplanét a odhadovaní počtu exoplanét, ktoré celkovo existuje v našej galaxii. Keď však vieme, koľko planét je a kde sa nachádzajú, potrebujeme nové nástroje, aby sme sa o týchto planétach dozvedeli viac – skúmali vlastnosti, ako je ich hmotnosť, veľkosť a vek. Tieto informácie nám môžu pomôcť zistiť, aké planéty sú tam vonku, či sú to plynní obri ako Jupiter alebo Saturn alebo skalnaté svety ako Zem a Mars.

Nedávno spustila ESA nový vesmírny ďalekohľad s názvom CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), ktorý skúma exoplanéty z obežnej dráhy. Projekt CHEOPS počas svojho pôsobenia pravdepodobne nájde nejaké nové exoplanéty, ale jeho hlavným cieľom je podrobnejšie preskúmať exoplanéty nájdené inými prieskumami pomocou tranzitnej metódy.

„V skutočnosti sme následnou misiou,“ vysvetlila Kate Isaak, projektová vedkyňa na CHEOPS, pre Digital Trends v rozhovore. "Sledujeme, aby sme okrem iného našli veľkosti známych exoplanét."

To znamená, že vedci na tomto projekte majú výhodu vo svojich pozorovaniach, pretože už majú potrebné informácie o tom, kedy dôjde k tranzitu. Môžu nasmerovať prístroj na cieľovú planétu práve v správnom okamihu, keď prechádza, aby o nej získali informácie.

CHEOPS bol spustený len pred niekoľkými mesiacmi, ale už objavil nové informácie o planéta KELT-11 b, zistili, že táto bizarná planéta má takú nízku hustotu, že by „plávala na vode v dostatočne veľkom bazéne“, podľa vyhlásenia výskumníkov.

Hľadá sa Zem 2

Detekcia a štúdium exoplanét nie je len o hľadaní zvláštnych svetov, ako sú KELT-9 b alebo AU Mic b predsa. Je to aj o najväčších otázkach: Či život existuje alebo neexistuje mimo Zeme. Práca, ktorú teraz vykonávajú astronómovia, začína skúmať nielen to, kde sa planéty nachádzajú, ale aj to, či by mohli byť obývateľné. Nakoniec by mohli pomôcť určiť, či tieto vzdialené planéty skutočne hostí život.

„Jeden zo svätých grálov vedy o exoplanéte je hľadanie života,“ povedal Isaak. „Jednou z vecí, ktoré ľudia hľadajú, je planéta podobná Zemi. Dalo by sa povedať Earth 2." To zahŕňa hľadanie kamennej planéty v obývateľnej zóne hviezdy - vzdialenosť od hviezdy, v ktorej môže na povrchu planéty existovať tekutá voda. Budúce misie, ako je pripravovaný vesmírny teleskop Jamesa Webba, budú dokonca schopné skúmať, či majú vzdialené exoplanéty atmosféru.

Heras, vedec projektu PLATO, súhlasil s dôležitosťou hľadania obývateľnosti. "Štúdium možno obývateľných exoplanét je naozaj ďalším krokom, aby sme pochopili nielen to, ako sa planéty vyvíjajú, ale možno aj to, ako sa objavil život," povedala. "Po všetkom, čo sme sa naučili o exoplanétach, ďalším krokom bude dozvedieť sa viac o vývoji života a o tom, ako život začal."

Je tu tiež veľká otvorená otázka, či existujú iné solárne systémy podobné našim vlastným. „Tiež by sme chceli vedieť, aká jedinečná je naša planéta,“ povedal Heras. Vysvetlila, že aj napriek tisíckam objavených exoplanét je len veľmi málo z nich v obývateľnej zóne ich hviezd. "Takže s našimi znalosťami naozaj ešte nevieme, aká jedinečná je naša slnečná sústava a aká jedinečná je Zem."

Posledná otázka

Toto spojenie medzi objavom exoplanét a hľadaním života poháňa vedcov pracujúcich na týchto projektoch a chuť verejnosti spoznávať vzdialené svety. Je nemožné počuť o bizarných exoplanétach a nepredstavovať si, aké by to bolo žiť na týchto podivných miestach.

"Exoplanéty sú fascinujúce, ak už nič iné, pretože sú ľahko pochopiteľné," povedal Isaak. „Žijeme na planéte. Otázka, či sme sami, je hlboká – filozoficky, fyzicky, psychologicky – je to fascinujúca otázka a ľahko ju pochopíme. Hľadanie a štúdium exoplanét sú kroky k otázke, či sme sami... S CHEOPSom nenájdeme život. Misiu neukončíme tvrdením, že sme na planéte X objavili malých zelených mužíkov. Čo však urobíme, je prispieť k procesu, ktorým by ste to mohli urobiť z dlhodobého hľadiska.“

Aj keby hľadanie života neprinieslo nič, stále by to bolo hlboké zistenie. A samotné hľadanie môže podnietiť vedecké skúmanie a hlboké uvažovanie o našom mieste vo vesmíre.

"Myslím, že všetci hľadáme zmysel," povedal Gaudi. „Ak by sme mohli nejako mať predstavu o tom, či život, dokonca aj jednoduchý život, vznikol alebo nevznikol na inej planéte nezávisle od života na Zemi – alebo ak nie a sme kozmicky osamelí – buď by to malo veľmi hlboký vplyv na náš pohľad na seba a naše miesto v vesmír. Práve tento význam ma osobne vedie k štúdiu hľadania obývateľnosti a potenciálneho života.“