Hur nästa generations teleskop hjälper oss att jaga efter exoplaneter

På senare år har vi upptäckt en häpnadsväckande mängd planeter utanför vårt eget solsystem. Förutom de som är potentiellt beboelig, vi har också hittat exoplaneter som är det varmare än stjärnor, har järnregn och gul himmel, och som har densitet av sockervadd. Men vi har fortfarande knappt skrapat på ytan av vad som finns där ute.

Nästa generation av planetjaktuppdrag kommer att gå ännu längre, identifiera exoplaneter och bestämma deras beboelighet även på tusentals ljusår bort. För att lära dig mer om hur du går tillväga för att jaga en planets nål i höstacken i vår galax, pratade vi med tre experter som arbetar med banbrytande exoplanetprojekt.

En explosion av exoplaneter

De första exoplaneterna upptäcktes 1992, och på mindre än tre decennier har antalet kända planeter utanför vårt solsystem exploderat. NASA uppskattningar att antalet kända exoplaneter ungefär fördubblas var 27:e månad.

Exoplanetupptäckten började använda markbaserade teleskop, som den berömda upptäckten av exoplaneten 51 Peg b 1995, för vilken två schweiziska astronomer fick Nobelpriset. Men exoplanetjakten kom verkligen igång med tillkomsten av rymdbaserade planetjaktteleskop som NASA: s Kepler och TESS uppdrag.

Nu identifierar och undersöker nya uppdrag från NASA och ESA (European Space Agency) avlägsna exoplaneter mer i detalj än någonsin tidigare.

Hitta exoplaneter i vår galax

PLATO är ESA: s nästa generations planetjaktande rymdteleskop, och det byggs för närvarande med målet för en uppskjutning 2026. Uppdraget kommer att koncentreras på ljusa stjärnor som är relativt nära oss i galaxen, vanligtvis i området mellan 300 och 1 000 ljusår bort, titta på varje område i minst två år.

Uppdraget kommer att söka efter beboeliga världar med hjälp av transitmetoden, där forskare mäter ljusstyrkan hos en avlägsen stjärna. Om stjärnans ljusstyrka sjunker med jämna mellanrum, betyder det att en planet passerar mellan vi och stjärnan, blockerar en del av det ljus som stjärnan släpper ut och orsakar nedsänkningen ljusstyrka. Genom att mäta denna nedgång exakt kan instrument som PLATO mycket noggrant beräkna planetens storlek.

Den tvååriga observationsperioden tillåter forskarna att söka efter planeter med längre perioder. Så medan ett uppdrag som Kepler tittade på ett litet område på himlen under en lång tid, och TESS tittar på stora regioner för himlen under en kort period kommer PLATO att titta både på en stor region och under en lång tid tid.

Vi kommer att behöva instrument med en längre observationsperiod än tidigare uppdrag för att upptäcka planeter som vår egen, förklarade Ana Heras, projektforskare för PLATO, för Digital Trends i en intervju. "Vi vill upptäcka jordliknande planeter, och det betyder att om du vill se en planet som liknar jorden i beboelig zon, den kommer att ha en omloppsperiod på ett år”, sa hon. "Så vi måste observera i minst två år, eftersom vi vill se minst två transiter."

Nuvarande modeller tyder på att observation av två genomgångar av en given stjärna bör ge tillräckligt med data för att identifiera och i viss utsträckning karakterisera en exoplanet, men det finns möjlighet att PLATO kan observera samma område i tre eller till och med fyra år om nödvändig.

Förutom dessa jordliknande planeter kommer PLATO även att titta på kallare röda dvärgstjärnor, som potentiellt kan ha beboeliga exoplaneter som kretsar kring dem. Teleskopets mycket exakta fotometer kan också mäta information om svängningarna hos stjärnor som observeras, vilket kan berätta för forskare om deras inre struktur och åldrar. "Detta kommer att tillåta oss att på ett fantastiskt sätt förbättra förståelsen för stjärnutveckling och allmän kunskap om stjärnfysik," sa Heras.

En av de mest spännande möjligheterna med PLATO är att den är så exakt att den kanske till och med kan upptäcka månar som kretsar runt exoplaneter, kallade exomuner. Det är naturligt att månar existerar utanför vårt solsystem, men nuvarande metoder har ännu inte definitivt bekräftat upptäckten av en sådan.

Chansen att PLATO kan hitta en sådan måne öppnar upp möjligheten att söka efter olika typer av beboeliga miljöer - inte bara jordliknande planeter, utan även månar som liknar de som t.ex. Saturnus måne Enceladus som är en av de mest lovande potentiellt beboeliga platserna utanför jorden i vårt solsystem.

Hur många planeter finns det i vår galax?

Vi har hittills upptäckt cirka 4 200 exoplaneter, och fler tillkännages nästan varje månad. Men en öppen fråga kvarstår om exakt hur många planeter det finns i vår galax. Att använda metoder som transitmetoden avslöjar bara planeter i speciella konfigurationer - särskilt de som är nära varandra kretsar runt sina stjärnor - så vi behöver en översikt över galaxen för att få en bättre uppfattning om hur många planeter som finns där ute i total.

Det är vad NASA kommer Nancy Grace romerska rymdteleskop, eller helt enkelt Roman, syftar till att upptäcka. Teleskopet byggs för närvarande och när det väl har lanserats i slutet av 2025 eller början av 2026, kommer det att påbörja en undersökning av natthimlen som kallas Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

Syftet med denna undersökning är inte att upptäcka eller undersöka exoplaneter i sig, utan snarare att få en storbildsvy av hur många stjärnor i vår galax som är värd för planetsystem och hur dessa system är distribuerad.

Upptäcka planeter genom att böja ljus

För att utföra sin himmelundersökning kommer Roman att använda en teknik som kallas mikrolinsning, som kan plocka ut exoplaneter men mest berättar forskarna om stjärnorna runt vilka planeter kretsar.

"Mikrolensning är unik på många sätt," sa Scott Gaudi, chefsutredare för RGES, till Digital Trends i en intervju. Den är baserad på en process som kallas gravitationslinsning, som används för att upptäcka stjärnor. "Så som det fungerar är att om du stirrar på en stjärna tillräckligt länge (cirka 500 000 år) så kommer en annan förgrundsstjärna av en slump att sväva tillräckligt nära din siktlinje den bakgrundsstjärnan för att dela ljuset från den bakgrundsstjärnan i två bilder,” han förklarade.

"Bakgrundskällans stjärna blir ljusare när förgrundsstjärnan kommer framför den, eftersom förgrundsstjärnans gravitation böjer ljusstrålar som skulle ha försvunnit från siktlinjen." Detta betyder att om forskare observerar att en bakgrundsstjärna blir ljusare och sedan blir svagare, kan de dra slutsatsen att en annan stjärna har passerat mellan den och oss.

Denna teknik kan förfinas ytterligare för att upptäcka exoplaneter. "Om den förgrundsstjärnan råkar ha en planet, så har den planeten massa, vilket betyder att den också kan linsa den stjärnan gravitationsmässigt," sa Gaudi. "Så om en av dessa två bilder av bakgrundsstjärnan skapad av förgrundsvärdstjärnan råkar passera nära planeten, kommer det att orsaka en kort ytterligare ljusning eller dämpning, som varar mellan några timmar, när det gäller en planet med jordmassa, till några dagar, när det gäller en Jupitermassa planet."

Problemet är att dessa händelser, där planeter och stjärnor ställer upp precis så, är sällsynta och oförutsägbara. Så för att fånga dem måste astronomer titta på ett stort antal stjärnor. "Du får en linsningshändelse per stjärna per 500 000 år, så det är lång tid att vänta," sa Gaudi. "Så istället övervakar vi ungefär 100 miljoner stjärnor i den galaktiska utbuktningen [ett tätt packat område av stjärnor i mitten av vår galax] och vid varje given tidpunkt linsas många tusen."

Roman kommer att vara särskilt lämpad för denna typ av undersökning eftersom den har ett mycket stort synfält, vilket gör att den kan observera en stor del av den galaktiska utbuktningen. Den kan också övervaka dessa miljontals stjärnor på en tidsskala av 15 minuter, vilket gör att forskarna kan fånga dessa linshändelser när de inträffar.

Kompletterande uppdrag

De primära data vi har hittills om hur många exoplaneter som kan finnas i vår galax kommer från det nu pensionerade Kepler-rymdteleskopet, som undersökte himlen mellan 2009 och 2018 och mätte ljusstyrkan hos cirka 150 000 stjärnor för att söka efter exoplaneter med hjälp av transit metod.

Detta uppdrag lade grunden för exoplanetforskning idag. Men på grund av metoden som Kepler använder finns det fortfarande många exoplaneter som den kan ha missat. Det romerska projektet syftar till att utöka och komplettera detta arbete genom att använda en annan metod.

"RGES-undersökningen är viktig eftersom den kommer att komplettera Kepler," förklarade Gaudi. "Mikrolinsmetoden är i sig känslig för planeter som är längre ut, så planeter med omloppsbanor som är ungefär större än Jorden." Om denna metod användes av avlägsna utomjordingar för att observera vårt solsystem, till exempel, skulle den kunna upptäcka alla planeter utom Merkurius.

"Medan Kepler bara var knappt känslig för planeter med jordmassa. Så vi behöver verkligen göra RGES-undersökningen för att göra den här statistiska räkningen av exoplaneter i galaxen, sa Gaudi.

Mikrolinsning är inte heller beroende av starkt ljus från stjärnorna som observeras, så det tillåter forskare att observera system som är både nära oss och så långt borta som galaxens centrum. Roman kommer att tillåta forskare att få en statistisk förståelse av hur planetsystem är fördelade över vår galax, Gaudi sa: "Så vi kan faktiskt bestämma den galaktiska fördelningen av exoplanetära system, vilket i princip är omöjligt med alla andra Metod."

Karakterisera exoplaneter med hjälp av transiter

PLATO och romerska teleskop kommer att vara ovärderliga för att upptäcka nya exoplaneter och uppskatta hur många exoplaneter som finns totalt i vår galax. Men när vi väl vet hur många planeter det finns och var de finns, behöver vi nya verktyg för att lära oss mer om dessa planeter – undersöka egenskaper som deras massa, storlek och ålder. Den här informationen kan hjälpa oss att se vilken typ av planeter som finns där ute, oavsett om de är gasjättar som Jupiter eller Saturnus eller steniga världar som Jorden och Mars.

ESA lanserade nyligen ett nytt rymdbaserat teleskop kallat CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) som undersöker exoplaneter från omloppsbana. CHEOPS-projektet kommer sannolikt att hitta några nya exoplaneter under sin tid, men dess huvudsakliga mål är att undersöka exoplaneter som hittats av andra undersökningar mer i detalj med hjälp av transitmetoden.

"Vi är i själva verket ett uppföljningsuppdrag", förklarade Kate Isaak, projektforskare på CHEOPS, för Digital Trends i en intervju. "Vi följer upp för att hitta storleken på bland annat kända exoplaneter."

Detta innebär att forskarna i detta projekt har en fördel i sina observationer, eftersom de redan har den information de behöver om när en transit kommer att ske. De kan peka instrumentet mot målplaneten precis i rätt ögonblick när det passerar för att fånga information om den.

CHEOPS lanserades bara för några månader sedan men den har redan upptäckt ny information om planet KELT-11 b, fann att denna egendomliga planet har så låg densitet att den "skulle flyta på vatten i en tillräckligt stor pool", enligt ett uttalande från forskarna.

Letar efter Earth 2

Detektering och studier av exoplaneter handlar inte bara om att hitta konstiga världar som KELT-9 b eller AU Mic f fastän. Det handlar också om de största frågorna: Huruvida liv existerar utanför jorden eller inte. Arbetet som görs av astronomer nu börjar undersöka frågorna om inte bara var planeter finns, utan också om de kan vara beboeliga. Så småningom kunde de hjälpa till att avgöra om dessa avlägsna planeter faktiskt är värd för liv.

"En av exoplanetvetenskapens heliga graler letar efter liv", sa Isaak. "En av de saker som människor letar efter är en jordliknande planet. En Earth 2 kan man säga.” Det innebär att leta efter en stenig planet inom en stjärnas beboeliga zon - avståndet från en stjärna där flytande vatten kan finnas på planetens yta. Framtida uppdrag som det kommande rymdteleskopet James Webb kommer till och med att kunna undersöka om avlägsna exoplaneter har en atmosfär.

Heras, PLATO-projektets forskare, instämde i vikten av sökandet efter beboelighet. "Studien av möjligen beboeliga exoplaneter är verkligen nästa steg för att förstå inte bara hur planeter utvecklas, utan kanske också hur livet såg ut," sa hon. "Efter allt vi har lärt oss om exoplaneter kommer nästa steg att vara att lära oss mer om livets utveckling och hur livet började."

Det finns också en stor öppen fråga om huruvida det finns andra solsystem där ute som liknar vårt eget. "Vi skulle också vilja veta hur unik vår planet är," sa Heras. Hon förklarade att även med de tusentals exoplaneter som upptäckts är väldigt få av dessa inom den beboeliga zonen för sina stjärnor. "Så vi vet verkligen inte ännu, med vår kunskap, hur unikt vårt solsystem är och hur unik jorden är."

Den ultimata frågan

Denna länk mellan upptäckten av exoplaneter och sökandet efter liv driver både forskarna som arbetar med dessa projekt och allmänhetens aptit på att lära sig om avlägsna världar. Det är omöjligt att höra om bisarra exoplaneter och inte föreställa sig hur det skulle vara att leva på dessa konstiga platser.

"Exoplaneter är fascinerande, om inte annat eftersom de är lätta att förstå," sa Isaak. "Vi bor på en planet. Frågan om huruvida vi är ensamma är en djupgående fråga - filosofiskt, fysiskt, psykologiskt - det är en fascinerande fråga och en som vi lätt kan förstå. Att söka efter och studera exoplaneter är steg mot frågan om är vi ensamma... Med CHEOPS kommer vi inte att hitta liv. Vi avslutar inte uppdraget med att säga att vi har upptäckt små gröna män på Planet X. Men vad vi kommer att göra är att bidra till den process genom vilken du kan göra det på längre sikt.”

Även om sökandet efter liv inte visar något, skulle det ändå vara ett djupt fynd. Och själva sökandet kan sporra till vetenskaplig undersökning och djupgående kontemplation av vår plats i universum.

"Jag tror att vi alla söker efter mening," sa Gaudi. "Om vi ​​på något sätt kunde ha en uppfattning om huruvida liv, till och med enkelt liv, uppstod på en annan planet oberoende av livet på jorden eller inte - eller om inte och vi är kosmiskt ensamma – antingen skulle det ha en mycket djupgående inverkan på vår syn på oss själva och vår plats i universum. Det är den meningen som driver mig personligen att studera sökandet efter beboelighet och potentiellt liv."