Kako nam bodo teleskopi naslednje generacije pomagali pri lovu na eksoplanete

V zadnjih letih smo odkrili osupljivo množico planetov zunaj našega sončnega sistema. Poleg tistih, ki so potencialno vseljiv, našli smo tudi eksoplanete, ki so bolj vroče od zvezd, imeti železni dež in rumeno nebo, in ki imajo gostota sladke vate. Toda še vedno smo komaj opraskali površje tega, kar je tam zunaj.

Naslednja generacija misij za lov na planete bo šla še dlje, identificirala bo eksoplanete in določila njihovo bivalno sposobnost tudi na tisoče svetlobnih let stran. Če želite izvedeti več o tem, kako se lotite lova na iglo planeta v kupu sena naše galaksije, smo se pogovarjali s tremi strokovnjaki, ki delajo na vrhunskih projektih eksoplanetov.

Eksplozija eksoplanetov

Prve eksoplanete so odkrili leta 1992, v manj kot treh desetletjih pa je število znanih planetov zunaj našega sončnega sistema eksplodirano. NASA ocene da se število znanih eksoplanetov približno podvoji vsakih 27 mesecev.

Odkrivanje eksoplanetov se je začelo z uporabo zemeljskih teleskopov, kot je znano odkritje eksoplaneta 51 Peg b leta 1995, za katerega sta dva švicarska astronoma prejela Nobelovo nagrado. Toda lov na eksoplanete se je s prihodom vesoljskih teleskopov za lov na planete, kot je Nasin, resnično dvignil v visoko prestavo Kepler in TESS misije.

Zdaj nove misije NASA in ESA (Evropske vesoljske agencije) identificirajo in preučujejo oddaljene eksoplanete bolj podrobno kot kdaj koli prej.

Iskanje eksoplanetov v naši galaksiji

PLATO je ESA-in vesoljski teleskop naslednje generacije za lov na planete in se trenutno gradi s ciljem izstrelitve leta 2026. Misija se bo osredotočila na svetle zvezde, ki so relativno blizu nas v galaksiji, običajno v območju med 300 in 1000 svetlobnimi leti stran, pri čemer vsako območje gledamo vsaj dve leti.

Misija bo iskala naseljive svetove z uporabo tranzitne metode, pri kateri raziskovalci merijo svetlost oddaljene zvezde. Če svetlost zvezde pada v rednih intervalih, to pomeni, da med njimi prehaja planet nas in zvezdo, ki blokira del svetlobe, ki jo oddaja zvezda, in povzroči potop svetlost. Natančno merjenje tega padca omogoča instrumentom, kot je PLATO, zelo natančen izračun velikosti planeta.

Dveletno obdobje opazovanja omogoča znanstvenikom, da iščejo planete z daljšo dobo. Medtem ko je misija, kot je Kepler, dolgo časa opazovala majhen del neba, TESS gleda velike regije za nebo za kratek čas, bo PLATO gledal tako na veliko regijo kot na dolgo čas.

Za opazovanje planetov, kot je naš, bomo potrebovali instrumente z daljšim obdobjem opazovanja kot prejšnje misije, je v intervjuju za Digital Trends pojasnila Ana Heras, projektna znanstvenica za PLATO. »Želimo zaznati planete, podobne Zemlji, in to pomeni, da če želite videti planet, podoben Zemlji, v bivalno območje, bo imel orbitalno obdobje enega leta,« je dejala. "Torej moramo opazovati vsaj dve leti, ker želimo videti vsaj dva tranzita."

Trenutni modeli kažejo, da bi moralo opazovanje dveh prehodov določene zvezde zagotoviti dovolj podatkov za identifikacijo in do neke mere označuje eksoplanet, vendar obstaja možnost, da PLATO opazuje isto območje tri ali celo štiri leta, če potrebno.

Poleg teh Zemlji podobnih planetov bo PLATO opazoval tudi hladnejše rdeče pritlikave zvezde, ki bi lahko imele naseljivih eksoplanetov, ki krožijo okoli njih. Zelo natančen fotometer teleskopa lahko meri tudi informacije o nihanju opazovanih zvezd, kar lahko znanstvenikom pove o njihovi notranji strukturi in starosti. "To nam bo omogočilo, da na fantastičen način izboljšamo razumevanje evolucije zvezd in splošno znanje o fiziki zvezd," je dejal Heras.

Ena najbolj vznemirljivih možnosti PLATO-ja je, da je tako natančen, da lahko celo zazna lune, ki krožijo okoli eksoplanetov, imenovane eksomone. Razumljivo je, da lune obstajajo zunaj našega sončnega sistema, vendar trenutne metode še niso dokončno potrdile odkritja ene.

Možnost, da bi PLATO našel takšno luno, odpira možnost iskanja različnih vrst bivalnega okolja - ne samo Zemlji podobnih planetov, ampak tudi lun, podobnih tistim, kot so Saturnova luna Enceladus ki je ena najbolj obetavnih potencialno bivalnih nezemeljskih lokacij v našem sončnem sistemu.

Koliko planetov je v naši galaksiji?

Doslej smo odkrili približno 4200 eksoplanetov, skoraj vsak mesec pa jih objavimo več. Toda ostaja odprto vprašanje, koliko točno planetov je v naši galaksiji. Uporaba metod, kot je tranzitna metoda, razkrije samo planete v določenih konfiguracijah - zlasti tiste, ki so blizu krožijo do svojih zvezd - zato potrebujemo splošen pogled na galaksijo, da bi dobili boljšo predstavo o tem, koliko planetov je tam zunaj skupaj.

To je tisto, kar NASA pripravlja Rimski vesoljski teleskop Nancy Grace, ali preprosto Roman, želi odkriti. Teleskop je trenutno v izgradnji in ko bo izstreljen konec leta 2025 ali v začetku leta 2026, bo začel raziskavo nočnega neba, imenovano Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Namen te raziskave ni odkriti ali raziskati eksoplanete same po sebi, temveč pridobiti velik pogled na to, koliko zvezd v naši galaksiji gosti planetarne sisteme in kako so ti sistemi razdeljen.

Zaznavanje planetov z upogibanjem svetlobe

Za izvedbo svojega pregleda neba bo Roman uporabil tehniko, imenovano mikroleče, ki lahko izbere eksoplanete, vendar znanstvenikom večinoma pove o zvezdah, okoli katerih krožijo planeti.

"Mikrolenziranje je edinstveno na več načinov," je v intervjuju za Digital Trends povedal glavni raziskovalec za RGES, Scott Gaudi. Temelji na procesu, imenovanem gravitacijske leče, ki se uporablja za zaznavanje zvezd. »To deluje tako, da če strmite v zvezdo dovolj dolgo (približno 500.000 let), potem bo po naključju druga zvezda v ospredju lebdite dovolj blizu svojega vidnega polja to zvezdo v ozadju, da razdelite svetlobo te zvezde v ozadju na dve sliki,« je pojasnil.

»Izvirna zvezda v ozadju je svetlejša, ko se zvezda v ospredju pojavi pred njo, ker gravitacija zvezde v ospredju ukrivi svetlobne žarke, ki bi se oddaljili iz vidnega polja." To pomeni, da če znanstveniki opazujejo, kako zvezda v ozadju postane svetlejša in nato postane šibkejša, lahko sklepajo, da je druga zvezda prešla med njo in nas.

To tehniko je mogoče še izboljšati za odkrivanje eksoplanetov. "Če ima ta zvezda v ospredju planet, potem ima ta planet maso, kar pomeni, da lahko gravitacijsko leči tudi to zvezdo," je dejal Gaudi. »Torej, če ena od teh dveh slik tiste zvezde v ozadju, ki jo je ustvarila zvezda gostiteljica v ospredju, slučajno preleti blizu planeta, bo to povzročilo kratek dodatno posvetlitev ali zatemnitev, ki traja od nekaj ur, v primeru planeta z maso Zemlje, do nekaj dni, v primeru mase Jupitra planet."

Težava je v tem, da so ti dogodki, v katerih se planeti in zvezde postavijo kar tako, redki in nepredvidljivi. Da bi jih ujeli, morajo astronomi opazovati ogromno število zvezd. "Dobite en dogodek leče na zvezdo na 500.000 let, tako da je to dolgo časa za čakanje," je dejal Gaudi. "Namesto tega spremljamo približno 100 milijonov zvezd v galaktični izboklini [gosto posejanem območju zvezd v sredini naše galaksije] in v danem trenutku jih je več tisoč opazovanih."

Roman bo še posebej primeren za to vrsto preiskave, saj ima zelo veliko vidno polje, kar mu omogoča opazovanje velikega dela galaktične izbokline. Prav tako lahko spremlja te milijone zvezd v časovni lestvici 15 minut, kar raziskovalcem omogoča, da zajamejo te dogodke z lečami, ko se zgodijo.

Komplementarne misije

Primarni podatki, ki jih imamo doslej o tem, koliko eksoplanetov bi lahko obstajalo v naši galaksiji, prihajajo iz zdaj upokojenega vesoljskega teleskopa Kepler, ki je med letoma 2009 in 2018 preiskoval nebo in izmeril svetlost približno 150.000 zvezd, da bi s pomočjo tranzita iskal eksoplanete metoda.

Ta misija je postavila temelje za današnje raziskave eksoplanetov. Vendar pa je zaradi metode, ki jo uporablja Kepler, še vedno veliko eksoplanetov, ki jih je morda zgrešil. Cilj rimskega projekta je razširiti in dopolniti to delo z uporabo drugačne metode.

"Raziskava RGES je pomembna, ker bo dopolnjevala Kepler," je pojasnil Gaudi. »Metoda mikrolenziranja je sama po sebi občutljiva na planete, ki so bolj oddaljeni, torej planeti z orbitami, ki so približno večje od orbit Zemlja." Če bi to metodo uporabljali oddaljeni nezemljani za opazovanje našega sončnega sistema, bi lahko zaznali vse planete razen Merkur.

»Medtem ko je bil Kepler le komaj občutljiv na planete z maso Zemlje. Zato moramo resnično opraviti raziskavo RGES, da naredimo ta statistični popis eksoplanetov v galaksiji,« je dejal Gaudi.

Mikrolenziranje tudi ni odvisno od močne svetlobe zvezd, ki jih opazujemo, zato znanstvenikom omogoča opazovanje sistemov, ki so tako blizu nas kot oddaljeni od središča galaksije. Roman bo raziskovalcem omogočil statistično razumevanje, kako so planetarni sistemi porazdeljeni po naši galaksiji, Gaudi je dejal: »Tako lahko dejansko določimo galaktično porazdelitev eksoplanetarnih sistemov, kar je v bistvu nemogoče pri katerem koli drugem tehnika."

Karakterizacija eksoplanetov z uporabo tranzitov

Teleskopa PLATO in Roman bosta neprecenljiva za odkrivanje novih eksoplanetov in oceno, koliko eksoplanetov skupaj obstaja v naši galaksiji. Ko pa izvemo, koliko planetov obstaja in kje se nahajajo, potrebujemo nova orodja, s katerimi bomo izvedeli več o teh planetih – raziskovanje značilnosti, kot so njihova masa, velikost in starost. Te informacije nam lahko pomagajo ugotoviti, kakšni planeti so zunaj, ali so plinasti velikani, kot sta Jupiter ali Saturn, ali kamniti svetovi, kot sta Zemlja in Mars.

ESA je pred kratkim začela nov vesoljski teleskop, imenovan CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), ki raziskuje eksoplanete iz orbite. Projekt CHEOPS bo med svojim delovanjem verjetno našel nekaj novih eksoplanetov, vendar je njegov glavni cilj podrobneje raziskati eksoplanete, ki so jih odkrile druge raziskave, z uporabo metode tranzita.

"Pravzaprav smo nadaljnja misija," je v intervjuju za Digital Trends pojasnila Kate Isaak, projektna znanstvenica pri CHEOPS. "Spremljamo, da bi našli velikosti, med drugim, znanih eksoplanetov."

To pomeni, da imajo znanstveniki na tem projektu prednost pri svojih opazovanjih, saj že imajo informacije, ki jih potrebujejo o tem, kdaj se bo tranzit zgodil. Instrument lahko usmerijo proti ciljnemu planetu ravno v pravem trenutku, ko je v tranzitu, da zajamejo informacije o njem.

CHEOPS je bil predstavljen šele pred nekaj meseci, vendar je že odkril nove informacije o planet KELT-11 b, pri čemer so ugotovili, da ima ta nenavadni planet tako nizko gostoto, da bi "plaval na vodi v dovolj velikem bazenu," so zapisali raziskovalci.

Iščem Zemljo 2

Odkrivanje in preučevanje eksoplanetov ne pomeni le iskanja čudnih svetov, kot je KELT-9 b oz AU mikrofon b čeprav. Gre tudi za največje vprašanje: ali obstaja življenje zunaj Zemlje ali ne. Delo, ki ga zdaj opravljajo astronomi, začenja raziskovati vprašanja ne samo o tem, kje so planeti, ampak tudi o tem, ali bi lahko bili naseljivi. Sčasoma bi lahko pomagali ugotoviti, ali ti oddaljeni planeti dejansko gostijo življenje.

"Eden od svetih gralov znanosti o eksoplanetih je iskanje življenja," je dejal Isaak. »Ena od stvari, ki jih ljudje iščejo, je Zemlji podoben planet. Zemlja 2, bi lahko rekli.« To vključuje iskanje kamnitega planeta znotraj bivalnega območja zvezde - razdalje od zvezde, na kateri lahko na površini planeta obstaja tekoča voda. Prihodnje misije, kot je prihajajoči vesoljski teleskop James Webb, bodo lahko celo raziskale, ali imajo oddaljeni eksoplanete atmosfero.

Heras, znanstvenik projekta PLATO, se je strinjal s pomenom iskanja primernosti za bivanje. "Študij morebitnih bivalnih eksoplanetov je res naslednji korak, da bi razumeli ne samo, kako se planeti razvijajo, ampak morda tudi, kako se je pojavilo življenje," je dejala. "Po vsem, kar smo se naučili o eksoplanetih, bo naslednji korak učenje več o razvoju življenja in o tem, kako se je življenje začelo."

Obstaja tudi veliko odprto vprašanje, ali obstajajo drugi sončni sistemi, podobni našemu. "Radi bi tudi vedeli, kako edinstven je naš planet," je dejal Heras. Pojasnila je, da je kljub tisočem odkritih eksoplanetov zelo malo teh v bivalnem območju svojih zvezd. "Z našim znanjem torej res še ne vemo, kako edinstven je naš sončni sistem in kako edinstvena je Zemlja."

Končno vprašanje

Ta povezava med odkrivanjem eksoplanetov in iskanjem življenja spodbuja tako znanstvenike, ki delajo na teh projektih, kot željo javnosti po spoznavanju oddaljenih svetov. Nemogoče je poslušati o bizarnih eksoplanetih in si ne predstavljati, kako bi bilo živeti v teh čudnih krajih.

"Eksoplaneti so fascinantni, če nič drugega zato, ker jih je enostavno razumeti," je dejal Isaak. »Živimo na planetu. Vprašanje, ali smo sami, je globoko - filozofsko, fizično, psihološko - to je zanimivo vprašanje, ki ga zlahka razumemo. Iskanje in preučevanje eksoplanetov sta koraka k vprašanju, ali smo sami... S CHEOPS-om ne bomo našli življenja. Misije ne bomo zaključili z besedami, da smo odkrili zelene možičke na Planetu X. Toda mi bomo prispevali k procesu, s katerim bi lahko to dosegli na dolgi rok.«

Tudi če iskanje življenja ne prinese nič, bi bila to še vedno globoka ugotovitev. In samo iskanje lahko spodbudi znanstveno raziskovanje in globoko razmišljanje o našem mestu v vesolju.

"Mislim, da vsi iščemo smisel," je dejal Gaudi. "Če bi lahko nekako imeli predstavo o tem, ali je življenje, celo preprosto življenje, nastalo na drugem planetu neodvisno od življenja na Zemlji - ali če ne in smo kozmično osamljeni – eno ali drugo bi zelo močno vplivalo na naš pogled nase in na naše mesto v vesolje. Ta pomen me osebno žene k preučevanju iskanja bivalnih in potencialno življenja.«