Wyobraźcie sobie, że jesteście inżynierami, projektantami kosmicznych sond i pojazdów, i właśnie dostaliście zadanie opracowania teleskopu, który pozwoli skutecznie wykrywać planety pozasłoneczne. Nie bardzo wiecie, jak się do tego zabrać; dokonano już pierwszych potwierdzonych odkryć egzoplanet, lecz wciąż nie opracowano najlepszej metody. Mimo to musicie działać, bowiem niezwykle istotne jest sprawdzenie, czy Układ Słoneczny jest ewenementem, czy też rzeczą absolutnie we Wszechświecie powszechną.
Mniej więcej tak swą historię rozpoczął Kosmiczny Teleskop Keplera, który przed kilkoma dniami oficjalnie zakończył pracę dla ludzkości. Po niemal dziesięciu latach funkcjonowania (choć paliwa miało starczyć tylko na sześć) teleskop po raz ostatni przyjmie polecenie z ziemskiej kontroli lotów, a następnie całkowicie wyłączy swoje systemy tak, by nikt nigdy więcej nie mógł go uruchomić. Tym samym definitywnie zakończy się misja, która dostarczyła nam najcenniejszych danych dotyczących planet pozaziemskich. I piszę to absolutnie bez koloryzowania; Teleskop Keplera odpowiada za wykrycie i potwierdzenie istnienia około 70% wszystkich znanych nam planet pozaziemskich. A to, zważywszy na ogromne trudności w ich obserwowaniu, jest nie lada wyczynem. Zacznijmy jednak od początku.
Czy gdzieś istnieje Druga Ziemia?
Dywagacje o możliwości powszechnego występowania planet orbitujących wokół gwiazd innych niż nasze Słońce, nie są absolutnie niczym nowym; tak naprawdę wszyscy zastanawiali się nad takimi możliwościami od momentu, gdy dokonano pierwszego potwierdzonego odkrycia innej gwiazdy. Istotne było jednak znalezienie metody, która pozwoliłaby takie egzoplanety odkryć. I choć teraz może nam się to wydawać śmieszne (bo już te w gruncie rzeczy proste metody znamy), to jednak kilkadziesiąt lat temu nie lada wyzwaniem było ich opracowanie.
Aktualnie istnieje ich kilka. Pierwsza udana detekcja planety pozasłonecznej miała miejsce już w 1988 roku; odkrycie było jednak mgliste, dlatego laury naukowcy zebrali dopiero w 2002, gdy ponownie potwierdzono jej istnienie. Kanadyjscy astronomowie obserwowali jeden ze znanych pulsarów; są to gwiazdy neutronowe, które przez bardzo szybki obrót wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne (najczęściej radiowe) w regularnych i niewielkich odstępach czasu. Innymi słowy – pulsują, stąd też ich nazwa. Regularność sygnałów jest tak dokładna, że gdy dokonano pierwszego odkrycia pulsara, początkowo przypuszczano, że odbierane sygnały są pochodzenia sztucznego.
Wróćmy jednak do odkrycia. Domyślacie się już, w jaki sposób astronomowie odkryli planetę orbitującą wokół pulsara? Regularność sygnału może zostać zaburzona przez zmianę prędkości obrotu, natomiast ta może zajść pod wpływem grawitacji, czyli na przykład… planety orbitującej wokół pulsara. I mamy to. Metoda ta jest obecnie najdokładniejszą metodą wykrywania planet pozasłonecznych; pozwala wykryć nawet ciała o masie jednej dziesiątej Ziemi, co na kosmiczne standardy jest wartością bardzo małą. Jest tylko jeden problem – w systemach z pulsarem nie znajdziemy życia, a ponieważ to poszukiwanie planet zdatnych do życia jest naszym głównym celem, a dodatkowo pulsarów jest stosunkowo niewiele, metoda nie należy do najczęściej wykorzystywanych.
Inną z metod jest astrometria, czyli pomiar zmian położenia gwiazdy na niebie. Jeśli wokół jednego ciała orbituje jakieś inne ciało, to tak naprawdę oba orbitują wokół ich wspólnego środka masy. Który, swoją drogą, zazwyczaj i tak znajduje się we wnętrzu gwiazdy, ale nie idealnie w jej centrum. Z tego powodu, jeśli jakąś gwiazdę obiega inne ciało, gwiazda delikatnie zmienia swoje położenie, a my tę zmianę jesteśmy w stanie wykryć. Metoda najbardziej sprawdza się przy planetach, które obiegają gwiazdy po dość długich orbitach.
Dwie kolejne metody bazują na zjawiskach wykorzystywanych także przy badaniu innych aspektów Wszechświata – mowa tutaj o Efekcie Dopplera oraz soczewkowaniu grawitacyjnym, które już się przez cykl mininauki przewinęły, dlatego nie będę ich w tym miejscu dokładnie wyjaśniał, by nie przedłużać.
Na sam koniec zostawiłem metodę obserwacji tranzytu, czyli przejścia jednego obiektu przez tarczę drugiego; w tym przypadku mówimy o przejściu planety na tle jej gwiazdy, co powoduje delikatną zmianę jasności tej ostatniej. To właśnie tę metodę wykorzystywał Kosmiczny Teleskop Keplera. Niestety, jest ona w wielu aspektach ułomna. Po pierwsze, orbita planety musi znajdować się dokładnie na linii obserwacji gwiazdy przez teleskop. Po drugie trudno za jej pomocą wykryć małe planety, a im dalej znajduje się gwiazda, tym jest to coraz trudniejsze. Kolejna sprawa dotyczy dokładności – zmiana jasności gwiazdy nie musi być spowodowana przejściem planety i często konieczna jest dodatkowa weryfikacja.
Tranzyt ma jednak swoje zalety; przede wszystkim pozwala przeszukiwać ogromny obszar nieba jednocześnie. Ponadto metoda ta, jeśli z jej pomocą wykryjemy planetę, dostarcza nam również dokładnych informacji o niej samej; za pomocą analizy widmowej możemy poznać dokładny skład chemiczny jej atmosfery, a w zasięgu są również informacje o jej średnicy, a co za tym idzie, gęstości i strukturze wewnętrznej. Prawdziwe mnóstwo danych, więc nic dziwnego, że NASA zdecydowała się właśnie na tę, a nie inną metodę.
Teleskop w służbie nauki
Uff, dotarliśmy do końca tego naukowego wprowadzenia i wreszcie nadszedł czas na zapoznanie się z Kosmicznym Teleskopem Keplera. Po wstępie mogliście wywnioskować, iż jest to pierwsze tego typu urządzenie, tak więc przepraszam i śpieszę ze sprostowaniem. Jest to pierwszy taki teleskop NASA, natomiast trzy lata przed jego uruchomieniem na orbicie wylądował CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits), czyli wspólny projekt Francuskiej Agencji Kosmicznej oraz Europejskiej Agencji Kosmicznej. CoRoT również bazował na metodzie tranzytu i choć mogłoby się wydawać, że podobny czas startu misji powinien przynieść zbliżone wyniki, to jednak ESA odniosła tutaj dużo, dużo mniejszy sukces.
Według danych dostarczonych przez NASA, Kosmiczny Teleskop Keplera pomógł nam odkryć 2662 planety, a tymczasem CoRot ma ich na swoim koncie zaledwie kilkadziesiąt, choć pracował przez niemal siedem lat. Liczba 2662 może się wydawać niewielka, natomiast warto wiedzieć, że te planety odkryto podczas obserwacji 530506 gwiazd. Potrzebowaliśmy zerkać na ponad pół miliona gwiazd, by wykryć niecałe trzy tysiące kawałków skały. Jednakże, bazując na tym, czego dowiedzieliśmy się o metodzie tranzytu, na podstawie tych 2662 planet, możemy jednoznacznie stwierdzić, że planety są jak najbardziej powszechne. Przypominam – możemy wykryć tylko te, które znajdują się niemal idealnie na linii teleskop-gwiazda. Delikatna zmiana nachylenia orbity powoduje, że planety po prostu nie zauważymy.
Poniższa infografika przedstawia naszą wiedzę o planetach pozasłonecznych na koniec ubiegłego roku. Na żółto zaznaczono planety odkryte przez Kosmiczny Teleskop Keplera, zaś niebieskim i fioletowym zaznaczono te odkryte przed Keplerem i po jego starcie, ale za pomocą innych urządzeń. To, co rzuca się w oczy, to niesamowita dokładność; teleskop NASA odkrywał nawet planety mniejsze od Ziemi. Naukowców zachwycił także fakt, że najpowszechniejsze są planety skaliste wielkości od 1 do 4 mas Ziemi. Można sobie jedynie zadać pytanie, czy dane te są wystarczająco reprezentatywne i czy przypadkiem nowa generacja teleskopów nie zmusi nas do ponownej weryfikacji wiedzy.
Gdy serwis jest zbyt daleko
Kosmiczny Teleskop Keplera, jak wiele innych pojazdów kosmicznych, musiał się w końcu popsuć; pech chciał, że stało się to już cztery lata po starcie misji. Choć początkowe cele zostały zrealizowane (bo teleskop już dostarczył istotnych danych), to jednak pojazd wciąż miał paliwo i marnotrawstwem byłoby pozostawienie go w takim stanie. Zepsuło się jednak już drugie z czterech kół reakcyjnych (pełniących funkcję żyroskopów), dzięki którym teleskop utrzymywał, mówiąc kolokwialnie, ostrość widzenia. Nawiasem mówiąc, taka sama awaria dotknęła w zeszłym miesiącu Kosmiczny Teleskop Hubble’a; ten jednak ma jeszcze przynajmniej dwa sprawne żyroskopy, dzięki którym, do momentu uporania się z awarią pozostałych, jest w stanie prowadzić obserwacje, choć nieco wolniej.
W przypadku Teleskopu Keplera awaria całkowicie uniemożliwiała pracę i wielu wieszczyło, że to już koniec. Jednakże naukowcy i inżynierowie w NASA najwyraźniej nie znają znaczenia słowa „niemożliwe”, bowiem już niedługo opracowano nowy tryb pracy teleskopu. Po prostu. Tryb nazwany K2 wykorzystywał ciśnienie na panelach słonecznych pojazdu; dodatkowych informacji możecie poszukać na własną rękę. Efektem nowego trybu pracy było kilka kolejnych i bardzo owocnych lat poszukiwania egzoplanet.
Poszukiwanie planet pozasłonecznych dopiero się zaczyna
William Borucki, główny i emerytowany już badacz całego przedsięwzięcia Kosmicznego Teleskopu Keplera (i przy okazji naukowiec z polskimi korzeniami, jak można wywnioskować po nazwisku), porównał poszukiwanie egzoplanet do wykrycia pchły chodzącej po reflektorze samochodu oddalonego o sto mil. To operacja niemal niemożliwa do zrealizowania, ale jednak zespół odpowiedzialny za teleskop wykonał doskonałą pracę.
Przez niemal 10 lat teleskop przesłał na Ziemię 678 GB danych; na obecne standardy wydaje nam się to niewiele, ale nie zapominajmy, że krążył on po orbicie wokół Słońca, a nie wokół Ziemi. Poza tym w tych 678 GB znajduje się tak dużo wiedzy, że kolejne urządzenia jeszcze przez długi czas będą dostarczały nam potwierdzenia odkryć dokonanych przez Kosmiczny Teleskop Keplera; tym samym liczba 2662 odkrytych planet z pewnością powiększy się o kolejne sztuki.
A co nas czeka w przyszłości? Krótko mówiąc – misja TESS. Bezpośredni następca Teleskopu Keplera, o którym pisałem w kwietniu tego roku. Borucki powiedział, że Kepler tak naprawdę otworzył nam drogę do badania kosmosu; upewnił nas, że planety występują powszechnie, natomiast teraz wyzwaniem jest odkrycie ich jak największej liczby. Priorytetem cały czas pozostaje poszukiwanie planet zdatnych do życia i pozostaje nam mieć nadzieję, że TESS sprawdzi się tutaj jeszcze lepiej, niż Kosmiczny Teleskop Keplera. Do następnego!
https://www.tabletowo.pl/2018/04/21/mininauka-13-tess-czyli-nowa-era-odkrywania-egzoplanet/
źródła: nasa, nasa, nasa, sciencenews
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.