NASA: s senaste metod för att jaga exoplaneter? Tar in dig

Av alla stora, ambitiösa mål inom astronomi just nu är ett av de mest spännande upptäckten och karaktäriseringen av exoplaneter, eller planeter utanför vårt solsystem. Vi vet att det sannolikt finns lika många exoplaneter som det finns stjärnor ute i universum, och att detta antal nästan säkert inkluderar några planeter som är som jorden. Faktum är att vi precis har börjat skrapa på ytan för att upptäcka dessa konstiga, nya världar.

Astronomer har verktyg som banbrytande James Webb rymdteleskop för att hjälpa dem att identifiera exoplaneter och titta in i deras atmosfärer, men det finns bara så mycket observationstid tillgänglig på dessa stora, berömda teleskop. Så för att hjälpa till att hitta nya exoplaneter vänder sig NASA till en underutnyttjad resurs: medborgarforskare.

Ett nyligen utökat NASA-program som heter Exoplanet Watch uppmanar allmänheten att hjälpa till att observera exoplaneter med samma dataanalysmetoder som används av yrkesverksamma. För att lära dig mer om hur det fungerar och potentialen för upptäckt med detta tillvägagångssätt pratade vi med Rob Zellem från NASA Jet Propulsion Laboratory, en astrofysiker och skapare av Exoplanet Watch program.

Amatör ögon på himlen

Med tanke på att det nu finns över 5 000 kända exoplaneter kan man tro att dessa planeter är lätta att observera. Men så är inte fallet. De flesta exoplaneter är omöjliga att observera direkt, eftersom de är så mycket mindre och svagare än de stjärnor som de kretsar runt. Så amatörastronomer, precis som proffsen, förlitar sig på indirekta observationer för att låta dem veta att en planet finns där.

Det primära fokuset för Exoplanet Watch är att titta på en typ av planet som kallas en het Jupiter - "stora planeter runt ljusa stjärnor", som Zellem beskriver dem - och observera deras transiter. En transitering sker när en av planeterna passerar mellan oss och dess värdstjärna, vilket tillfälligt gör ljuset från värdstjärnan svagare. Genom att observera den exakta tidpunkten och mängden av detta fall i ljusstyrka kan astronomer räkna ut hur stor planeten är och hur långt den kretsar från sin stjärna.

Detta är samma metod som används av många professionella exoplanetjaktteleskop, som NASA: s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) eller Europeiska rymdorganisationens karaktäriserande ExOPlanet Satellite (CHEOPS). Dessa är båda rymdbaserade teleskop, vilket innebär att de får en fantastisk utsikt över rymden utan hinder av jordens atmosfär, men att observera tiden på dem är extremt begränsad.

Andra markbaserade professionella teleskop observerar också exoplaneter, men de står inför ett stort och oförutsägbart hinder: vädret. Om det är molnig himmel över ett observatorium, kommer en hel natts observationer att gå förlorade - något som alla professionella astronomer har hanterat. "Det finns många nätter jag personligen har förlorat i sydvästra USA, eller Mauna Kea på Hawaii, på grund av vädret," sa Zellem. "Det är risken du löper genom att få tid på ett slumpmässigt professionellt observatorium."

Exoplanet Watch är dock ett nätverk av amatörastronomer från hela världen. Genom att låta observatörer ta avläsningar från så många olika platser mildras vädrets effekter. Även om det är molnigt på en plats kan observatörer på andra platser ha fri sikt.

Att arbeta tillsammans över hela världen

Nätverket tillåter också observation av exoplaneter som skulle vara omöjliga för en enskild användare att observera. En gasjätte exoplanet kallas HD 80606 b, till exempel, tar det över 12 timmar att passera sin stjärna. Astronomer behöver inte bara observera hela varaktigheten av denna transit, utan måste också göra observationer före och efter transiten till använda som baslinje, och det finns helt enkelt inte en tillräckligt lång natt för att observera heltid någon annanstans på planeten än den extrema stolpar.

I december 2021 arbetade medlemmar av Exoplanet Watch tillsammans för att observera denna fullständiga transit från början till slut, med början med användare i östra Asien, som sedan lämnade ut observationer till personer i Indien, sedan Europa och sedan Nordamerika, innan de gick tillbaka till användare i Japan.

Data från alla dessa observatörer som sträckte sig över 24 timmar sammanfördes för att få motsvarande data till ett teleskop kopplat till en ballong som flöt hela vägen runt jorden och observerade när den gick.

Underlätta observationer av andra

Zellem och andra medlemmar av Exoplanet Watch-teamet är angelägna om att se till att amatörastronomerna som arbetar med projektet får sina bidrag erkända, och många har presenterats som huvudförfattare i akademiska publikationer om deras arbete. Men mycket av projektets arbete handlar inte om flashiga rubriker som att upptäcka helt nya exoplaneter – istället handlar om att människor osjälviskt skänker sin tid och ansträngning för att göra det möjligt för stora vetenskapliga upptäckter att göras mer effektivt.

Ta rymdteleskopet James Webb. Detta fenomenalt kraftfulla teleskop kan inte bara identifiera exoplaneter, utan kan också observera deras atmosfärer, något som praktiskt taget inget annat verktyg inom astronomi kan göra. Men det är bara så många timmar på en dag, och att observera tid värderas högt.

"Vi har haft professionella astronomer som kommit till oss och sagt," Hej, det är det här målet som jag vill observera i de närmaste månaderna med James Webb, kan du hjälpa oss att observera detta mål och förfina timingen?’” Zellam sa.

Sedan arbetar amatörastronomerna i Exoplanet Watch för att hitta begränsningarna för exoplanetens transittider, så när Webb gör sina observationer har den bästa möjliga chans att se transiteringen och få lika mycket information om målet som den burk.

"Där Exoplanet Watch kommer in är genom att göra denna förhandsgranskning eller förobservationer. Vi hjälper till att förfina tiderna så att vi kan använda James Webb mer effektivt och förhoppningsvis få ut mycket mer vetenskap ur det, förklarade Zellem.

Teleskop på vinden

Många av de människor som har bidragit till Exoplanet Watch hittills är seriösa amatörastronomer som har ägnat år åt att bygga upp imponerande teleskop och är mycket erfarna i exoplanetobservationer. Men den nivån av engagemang och utrustning krävs inte alls, och Zellem och teamet välkomnar alla som är intresserade av att observera att gå med.

Det minsta teleskopet som hittills använts vid observationer är bara 3,5 tum, vilket är en typisk storlek för ett litet startteleskop. Eftersom de flesta observationer är gjorda av ljusa föremål, är mycket kraftfulla hemteleskop inte nödvändigt.

"Du behöver inte ett mycket stort teleskop för att göra dessa observationer," sa Zellem. "Du kan faktiskt använda många teleskop som folk kan ha hängande på sina vindar eller deras garage eller deras förråd."

Det är användbart för observatörer att ha en digitalkamera att fästa på sitt teleskop för att registrera sina observationer och en spårningsmekanism som hjälper till att följa ett mål när det rör sig över himlen. Men barriären för inträde i projektet är lägre än man kan föreställa sig.

Och för dem som är oroliga för att göra ett misstag och förstöra data, säger Zellam att en styrka med att ha flera användare är att data kan kontrolleras mot andra observationer: "Om du har en användare som av misstag gör ett misstag eller använder fel värden när han tolkar sin data, kan den informationen såras bort av den större gruppen av observatörer."

Bidrar utan teleskop

Även de som inte har tillgång till ett teleskop alls kan fortfarande engagera sig i Exoplanet Watch-projektet. En andra gren av projektet, förutom observationerna, är dataanalys. Projektet har tillgång till arkivdata som inkluderar 10 års data från en 6-tums robot teleskop, kallat ett autonomt observatorium, beläget i Tucson, Arizona, Det har donerats av en ringde gruppen DIY Planet Search.

I denna datamängd finns det över 2 000 ljuskurvor som kan tyda på en exoplanettransit, och allmänheten uppmanas att hjälpa till med denna dataanalys. Något speciellt med det här projektet är dock att det inte är en förenklad typ av dataanalys eller klassificering, som man kan se i andra medborgarvetenskapliga projekt som de på Zoouniversum. Istället kan medborgarforskare använda exakt samma databehandlingsprogram som används av proffsen på NASA.

Professionella astronomer vid NASA hade redan ägnat ett decennium åt att utveckla och använda en dataanalys verktyg som heter Exotic, som optimerades för att vara lika exakt och användbart för exoplanetforskning som möjlig. "Och det blev mycket uppenbart att det bästa sättet att se till att våra användare fick bra resultat av sina data var att låta dem använda exakt samma dataverktyg," sa Zellem.

Verktyget har laddats upp till molnet för att göra det lättare att komma åt även på en mobiltelefon, så nu är alla som har tid och intresse kan lära sig att bearbeta exoplanetdata med samma verktyg som proffs. De går igenom varje steg, från att ta rådata från ett teleskop till att bestämma egenskaperna hos en observerad exoplanet.

Inspirerar nästa generation

Att få hjälp med observationer och dataanalys är avgörande för professionella astronomer, men projektet syftar också till att få fler människor i fält.

"Som ett medborgarvetenskapligt projekt har vi naturvetenskapliga mål, men också utbildningsmål," sa Zellem, "för att inspirera nästa generation av STEM-elever, folk som förhoppningsvis kan gå in i astronomi."

Det inkluderar att engagera den passionerade och kapabla amatörastronomigemenskapen, men det innebär också att ta in nya människor som kanske hade liten eller ingen erfarenhet av denna typ av vetenskap tidigare.

"Vi engagerar människor som aldrig har gjort exoplanetavbildning, aldrig gjort astrofotografering eller ens tittat genom ett teleskop," sa Zellem. De mer erfarna gruppmedlemmarna undervisar och vägleder de nyare medlemmarna i projektets Slack-grupp, stöttar varandra och hjälper dem att lära sig. "Det är en riktigt bra grupp människor, och jag är så stolt över dem."

En guldålder av exoplanetforskning

Exoplanet Watch-projektet expanderar kontinuerligt, med nya datakällor som ständigt läggs till poolen så det finns alltid något nytt för människor att arbeta med. Men Zellem vill utöka det ytterligare och tänja på gränserna för vad som kan observeras med mindre teleskop.

En plan är att se om tillräckligt många små teleskop som arbetar tillsammans kan observera mindre planeter, som de som kallas superjordar. Ett annat långsiktigt mål är att ta fler observationer av värdstjärnor i en process som kallas övervakning av stjärnvariabilitet, vilket kan hjälpa till med mer exakta mätningar av exoplanetpassager.

Med fler exoplaneter som upptäcks varje månad är potentialen för både professionella och amatörastronomer att göra upptäckter oändlig.

"Det känns verkligen som att vi befinner oss i en guldålder av exoplanetforskning, och det är otroligt och mycket roligt att kunna arbeta inom det här området," sa Zellam. "Och jag tror verkligen att medborgarvetenskap kommer att fortsätta att vara en stor del av detta."

Redaktörens rekommendationer

• Kolla in den senaste versionen av NASA: s glidande ormrobot
• Superkänsligt exoplanetjaktinstrument fångar sina första ljusdata
• NASA: s TESS har upptäckt 5 000 exoplanetkandidater
• NASA avslöjar landningsplats för sin vattenjaktande månrover
• NASA vill använda en liten satellit för att undersöka exoplanetatmosfärer