TESS blev lanceret i sidste uge og scanner 200.000 nære og lyse stjerner og søger nye planeter og muligvis levelige verdener. Her er en rundbordsdiskussion med 2 videnskabsfolk om TESS-missionen.
En kunstners indtryk af Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) og nogle af dens planetariske stenbrud. Billede via NASA.
Via Kavli Foundation
En ny æra i søgen efter eksoplaneter - og det fremmede liv, de måtte være vært for - er begyndt. Ombord på en SpaceX-raket, den Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), der blev lanceret den 18. april 2018. I løbet af de næste to år scanner TESS de omkring 200.000 nærmeste og lyseste stjerner til Jorden for at fortælle dæmpning forårsaget, når eksoplaneter krydser deres stjerners ansigter .
Kavli-fonden talte med to videnskabsmænd om TESS-missionen for at få et indblik i dets udvikling og det revolutionære videnskabelige mål om at finde den første ”Jordtvilling” i universet. Deltagerne var Greg Berthiaume, instrumentleder for TESS-missionen og Diana Dragomir, Hubble postdoktor ved MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.
****
Kavli-fonden: Fra det store billede, hvorfor er TESS vigtig?
Diana Dragomir: TESS finder tusinder af exoplaneter, som måske ikke lyder som en big deal, fordi vi allerede ved næsten 4.000. Men de fleste af disse opdagede planeter er for langt væk til, at vi kan gøre noget mere end bare at kende deres størrelse og at de er der. Forskellen er, at TESS vil være på udkig efter planeter omkring stjerner meget tæt på os. Når stjerner er tættere på os, er de også lysere ud fra vores synspunkt, og det hjælper os med at opdage og studere planeterne omkring dem meget lettere.
Diana Dragomir er en observations astronom, hvis forskningsfokus er på små eksoplaneter. Hun er Hubble postdoktorisk stipendiat ved MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.
Greg Berthiaume: En af de ting, TESS gør, er at hjælpe med at besvare det grundlæggende spørgsmål, “Er der andet liv i universet?” Folk har undret sig over det i tusinder af år. Nu svarer TESS ikke på det spørgsmål direkte, men det er et skridt, ligesom Diana nævnte, på vej til at få os dataene til at se, hvor der kan være andet liv derude. Det er noget, vi har kæmpet med og stillet spørgsmålstegn ved, siden vi var i stand til at stille spørgsmål.
TKF: Hvad nøjagtigt forventer du, at TESS finder?
Dragomir: TESS finder sandsynligvis 100 til 200 cirka jordstørrelsesverdener samt tusinder af flere eksoplaneter helt op til Jupiter i størrelse.
Berthiaume: Vi prøver at finde planeter, der er jordanaloger, hvilket betyder, at de vil være jordlignende i deres egenskaber, som størrelse, masse og så videre. Det betyder, at vi ønsker at finde planeter med atmosfærer, med en tyngdekraft, der ligner Jordens. Vi ønsker at finde planeter, der er kølige nok, så vand kan være flydende på deres overflader, og ikke så koldt, at vandet fryses hele tiden. Vi kalder disse ”Goldilocks” -planeter, der ligger i en stjerners ”beboelige zone.” Det er virkelig vores mål.
Dragomir: Lige præcis. Vi ønsker at finde den første ”Jordtvilling”. TESS vil hovedsageligt finde planeter i den beboelige zone af røde dværge. Disse er stjerner lidt mindre og køligere end solen. En planet omkring en rød dværg kan være placeret i en bane tættere på dens stjerne end den kunne være med en varmere stjerne som vores sol og opretholder stadig den dejlige Goldilocks-temperatur. Tættere bane oversættes til flere transitter eller stjernekrydsninger, hvilket gør disse røde dværgplaneter lettere at finde og studere end planeter omkring sollignende stjerner.
Astronomer arbejder hårdt på måder, hvorpå vi muligvis kan skubbe TESS-dataene og finde nogle planeter i den beboelige zone af sollignende stjerner. Det er udfordrende, fordi disse planeter har længere orbitalperioder - år, det vil sige - end tæt på planeter. Det betyder, at vi har brug for meget mere observationstid for at kunne registrere nok transitter af planeterne over deres stjerner til at sige, at vi bestemt har opdaget en planet. Men vi er håbefulde, så følg med!
TESS vil opdage tusinder af eksoplaneter i kredsløb omkring de lyseste stjerner på himlen. Denne første-gang-rumborne himmeltransportundersøgelse vil identificere planeter, der spænder fra jordstørrelse til gasgiganter, omkring en lang række stjernetyper og orbitalafstande. Ingen jordbaseret undersøgelse kan opnå dette resultat. Billede via NASAs Goddard Space Flight Center / CI Lab.
TKF: Hvad skal du se for at betragte nogen af de planeter, der er opdaget af TESS, som potentielt beboelige?
Dragomir: Vi ønsker, at en planet skal være tæt på Jorden i størrelse af alle de grunde, vi lige har givet, men der er et lille problem med det. Disse slags planeter vil sandsynligvis have temmelig små atmosfærer sammenlignet med hvor meget sten, der udgør deres hovedpart. Og for at de fleste teleskoper skal være i stand til at se på en atmosfære i detaljer, har vi faktisk brug for at planeten har en betydelig atmosfære.
Dette skyldes en teknik, vi bruger, kaldet transmissionsspektroskopi. Det samler lyset fra stjernen, der er gået gennem planetens atmosfære, når planeten krydser stjernen. Det lys kommer til os med et spektrum af planetens atmosfære aflejret på det, som vi kan analysere for at identificere atmosfærens sammensætning. Jo mere atmosfære der er, jo mere materiale er der, der kan im på spektret, hvilket giver os et større signal.
Hvis lyset fra stjernen gennemgår meget lidt atmosfære, men som vi kiggede på med en jordtvilling, ville signalet være meget lille. Baseret på hvad TESS finder, begynder vi derfor med større planeter, der har en masse atmosfære, og når vi får bedre instrumenter, vil vi bevæge os mod mindre og mindre planeter med mindre atmosfære. Det er de sidstnævnte planeter, som mere sandsynligt vil være beboelige.
Berthiaume: Det, vi skal kigge efter i atmosfæren, er ting som vanddamp, ilt, kuldioxid - de standardgasser, vi ser i vores atmosfære, som livet har brug for og livet producerer. Vi vil også prøve at måle de grimme ting, der ikke er kompatible med livet, som vi kender det på Jorden. For eksempel ville det være en dårlig ting for biologien, hvis der var for meget ammoniak i en verdensatmosfære. Kulbrinter, ligesom metan, ville også være problematisk i en for høj overflod.
Greg Berthiaume er instrumentleder for TESS-missionen. Baseret på Massachusetts Institute of Technology (MIT) Lincoln Laboratory, er han også medlem af MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.
TKF: Diana, din specialitet er eksoplaneter, der er mindre end Neptun - en planet fire gange større end Jorden. Hvad er vores generelle viden om den slags verdener, og hvordan kan TESS hjælpe med din forskning?
Dragomir: En ting, vi ved om disse planeter, er, at de er ekstremt almindelige sammenlignet med planeter, der er større end Neptun. Så det er godt. Vi forventer derfor, at TESS finder masser af planeter, der er mindre end Neptune, og som vi kan se på.
Selvom små er dårlige til at få de atmosfæriske billeder, vi lige har talt om, hvis stjernerne er i nærheden og lyse, kan vi stadig være i stand til at få nok lys til at lave gode studier. Jeg håber, at vi får nok under Neptunstørrelse, at vi begynder at se på atmosfærerne i "superjordene", som er planeter, der er dobbelt så store som jordens størrelse. Vi har ikke nogen superjord i vores solsystem, så vi ville elske at se nærmere på en af disse slags verdener. Og måske, hvis vi finder en virkelig, virkelig god planetarisk kandidat, kan vi muligvis begynde at se på atmosfæren fra en jordstørrelse planet.
Med min forskning er en ting, TESS virkelig kunne hjælpe med, at finde ud af grænsen mellem en meget gassy planet som Neptun og en meget stenet planet som Jorden. Vi mener, at det hovedsageligt er et spørgsmål om masse; har for meget masse, og planeten begynder at holde fast i en tyk atmosfære. Lige nu er vi ikke sikre på, hvor denne tærskel er. Og det betyder noget, så vi ved, hvornår en planet er stenet og potentielt beboelig, eller gassagtig og ikke beboelig.
TKF: Greg, som TESS Instrument Manager, rider en masse på dine skuldre for missionens succes. Kan du fortælle os lidt om dit job?
Berthiaume: Mit job som instrumentleder er forskelligt fra et videnskabsjob. Mit job var at sørge for, at alle brikkerne, alle de dele, der går ind i de fire flykameraer og billedbehandlingshardware, alle spiller og arbejder sammen og giver os de store data, som vi har brug for, at Diana skal gå og fortsætte med at udforske eksoplaneter . Min personlige rolle på missionen slutter faktisk kort efter lanceringen. Når vi har demonstreret, at satellitten leverer de data, vi forventer, og vi håndterer eventuelle overraskelser, der måtte komme op, går jeg videre og data går videre til videnskabssamfundet.
Jeg føler mig bestemt ansvarlig for at få kvaliteten af dataene så høje, som de muligvis kan være. Mange mennesker arbejdede virkelig hårdt i årevis med at bygge de kameraer, der flyver på TESS, og det har været dejligt at være en del af dette hold.
TKF: Nye eksoplanetmissioner som Det Europæiske Rumagenturs Ariel- og Platonsatellitter forventes at begynde i slutningen af 2020'erne. Hvordan kan disse fremtidige rumfartøjer komplementere og bygge videre på TESS 'arbejdsmiljø?
Dragomir: Det fantastiske ved TESS er, at det vil give os meget at vælge imellem med hensyn til de bedste muligheder for planeter, som vi vil studere. På den måde vil TESS sætte scenen for Ariels mission, som er at dybt studere atmosfærerne i en udvalgt gruppe af exoplaneter.
Platonsmissionen vil være på udkig efter planeter, der er beboelige, men omkring større stjerner som solen, mens TESS vil fokusere på at lede efter beboelige planeter omkring mindre stjerner. Det er jeg glad for, fordi jeg ikke ønsker, at vi skal lægge alle vores æg i en kurv ved kun at se på røde dværgstjerner med TESS. Planeter omkring disse røde dværge er meget spændende lige nu, fordi de er lettere at studere, og de transporterer deres stjerner oftere, hvilket gør dem lettere at finde. Men på samme tid har røde dværge en tendens til at være meget mere aktive end Solen. Når en stjerne er aktiv, betyder det, at den ofte udsætter stråler af stråling, der kaldes fakkel. Disse fakler kan være meget skadelige for en planetens atmosfære og gøre verden ubeboelig.
I sidste ende lever vi naturligvis omkring en sollignende stjerne, og indtil videre er vi det eneste “vi”, vi kender til i universet. Så af disse grunde er det dejligt at have Platon komplementært med og finde de planeter omkring solskin, som TESS sandsynligvis ikke kan finde.
TKF: Hvornår forventer du, at TESS 'første opdagelser af helt nye verdener rapporteres?
Berthiaume: For det første vil det tage et stykke tid at få TESS ind i sin unikke bane. Det er første gang, vi lægger et rumfartøj i en ny type vidtgående, meget elliptisk bane, hvor tyngdekraften fra Jorden og Månen vil holde TESS meget stabil, både fra et kredsløbsperspektiv og fra et termisk perspektiv. Så en stor del af, hvad der vil ske i løbet af de første seks uger, er bare at nå den endelige bane.
Så er der et tidsrum, hvor der bliver indsamlet data for at sikre, at instrumenterne fungerer som forventet, såvel som at få vores databehandlingsrørledning indstillet. Jeg tror, vi vil begynde at se interessante resultater komme ud engang i sommer.
TKF: Ud over nye verdener, hvad ellers kan TESS afsløre om universet?
Dragomir: Fordi TESS observerer så meget af himlen, vil den se masser af ting, der sker i realtid, ikke kun eksoplaneter, der krydser stjerner. Hvad angår disse stjerner, kan vi lære meget om deres egenskaber og endda måle deres masser helt præcist ved at lave asteroseismologi med TESS. Denne teknik involverer sporing af lysstyrkeændringer, når lydbølger bevæger sig gennem det indre af stjerner - ligesom hvordan seismiske bølger passerer gennem Jordens klippe og smeltede insider under jordskælv.
Vi studerer også stjernernes fladevirksomhed, som vi talte om tidligere kan gøre tætte, tempererede planeter omkring røde dværgstjerner ubeboelige.
Når forskerne bevæger sig op i størrelse, vil de søge i TESS-dataene efter bevis for små sorte huller. Disse ekstreme objekter, der dannes, når kolossale stjerner eksploderer, kan omgås normale stjerner, der stadig er "i live". Disse systemer hjælper os med bedre at forstå, hvordan disse sorte huller dannes, og hvordan de interagerer med ledsagende stjerner.
Og så til sidst, når vi bliver endnu større, vil TESS se på galakser, der kaldes kvasarer. Disse ultralyse galakser drives af supermassive sorte huller i deres kerner. TESS hjælper os med at overvåge, hvordan kvasars lysstyrke ændres, som vi kan linke tilbage til dynamikken i deres sorte huller.
TKF: James Webb-rumteleskopet, hyldet som efterfølgeren til Hubble-rumteleskopet, har længe været talt om som et primært instrument til at udføre de detaljerede opfølgningsobservationer på lovende eksoplaneter fundet af TESS. Imidlertid blev James Webbs lancering, der allerede er forsinket flere gange, lige skubbet ud endnu et år til 2020. Hvordan vil de igangværende James Webb-forsinkelser påvirke TESS-missionen?
Dragomir: James Webb-forsinkelsen er ikke så meget af et problem, fordi det faktisk giver os mere tid til at samle store målplaneter med TESS.Inden vi kan bruge James Webb til virkelig at observere kandidatens exoplaneter og studere deres atmosfærer, er vi først nødt til at bekræfte, at planeterne er virkelige - at det, som vi mener er planeter, ikke er falske positiver forårsaget af fx stellar aktivitet. Denne bekræftelsesproces tager uger ved hjælp af supportobservationer fra jordbaserede teleskoper. Det vil derefter også tage uger til måneder at få massen på planeterne. Vi måler det ved at registrere, hvor meget planeter får deres værtsstjerner til at opleve svage “vugger” i deres bevægelse over tid på grund af planetenes tyngdekraft, der bestemmes af deres masse.
Når du først har den masse, plus størrelsen på en exoplanet baseret på, hvor meget stjernelys den blokerer under en TESS-detektion, kan du måle dens densitet og bestemme, om den er stenet eller gasformig. Med disse oplysninger er det så lettere at beslutte, hvilke planeter vi ønsker at prioritere, og jo mere kan vi give mening ud af, hvad James Webb vil fortælle os om deres atmosfærer.
TKF: Rumfartøjer har undertiden humoristiske eller endda dybe ekstraelementer indbygget i dem. Et eksempel: "Golden Records" på det dobbelte Voyager-rumfartøj, der indeholder billeder og lyde af liv og civilisation på Jorden, herunder Taj Mahal og fuglesang. Er der sådanne varer inkluderet på TESS? Nogen subtile maker-mærker eller -mærker?
Berthiaume: En af de ting, der flyver sammen med TESS er en metalplade, der har underskrifterne fra mange af de mennesker, der arbejdede med at udvikle og opbygge rumfartøjet. Det var en spændende ting for os.
Dragomir: Det er sejt. Det vidste jeg ikke!
Berthiaume: NASA kørte også en international konkurrence, der inviterede folk fra hele verden til at indsende tegninger af, hvad de troede, at eksoplaneter kunne se ud. Jeg ved, at mange børn deltog. Alle disse tegninger blev scannet på et tommelfingerdrev, og de flyver sammen med TESS. Rumfartøjets bane er mindst stabil i et århundrede, så plaket og tegningerne vil være i rummet i lang tid!
- Adam Hadhazy, forår 2018
Nederste linje: To forskere diskuterer TESS-missionen.