Sådan fungerer Planet Hunting

Længe før der var teleskoper, astronomer eller skrevet historie, mennesker stirrede op på "vandrende stjerner", som senere observatører ville kalde planeter. Da vi anvendte vores myter om fjerntliggende riger på disse himmellegemer, vi begyndte at undre os over muligheden for liv i andre verdener, en idé, der har fascineret os lige siden.

I de seneste årtier har astronomer bevæbnet med radioteleskoper, orbitalobservatorier og andre kraftfulde højteknologiske værktøjer er begyndt at besvare det spørgsmål. I 1995, Astronomerne ved universitetet i Genève Michel Mayor og Didier Queloz annoncerede opdagelsen af ​​den første planet uden for vores solsystem, en jupiterlignende kæmpe, der kredser omkring en stjerne i "hovedsekvensen", der ligner vores sol, 51 Pegasi [kilde:borgmester og Queloz]. Siden da, andre - herunder forskerne i NASAs Kepler Mission - har været på jagt efter at finde flere af disse eksoplaneter , som de kaldes af astronomer. I særdeleshed, de sigter mod at identificere stenet, Jordlignende kugler, der er inden for den såkaldte "Goldilocks zone"-det vil sige, lige den rigtige afstand fra deres stjerner for at have overfladetemperaturer, der kunne opretholde flydende vand, og dermed i det mindste muliggøre livets udvikling [kilde:Borucki].

Bevæbnet med topmoderne teleskoper og andre højteknologiske værktøjer, astronomer opdager nye verdener med en forbløffende hastighed. I begyndelsen af ​​2012, Keplers forskere, der har scannet 150, 000 fjerne stjerner på jagt efter tegn på planeter, der kredser om dem, har identificeret omkring 2, 300 "kandidater, "eller objekter, der kan være planeter [kilde:Brumfiel]. I slutningen af ​​januar 2012, de annoncerede opdagelsen af ​​11 nye planetariske systemer, herunder 26 bekræftede exoplaneter, som tilsyneladende spænder fra mulige stenede planeter omkring halvanden gang radius af jorden, til gasgiganter større end Jupiter. En stjerne, Kepler-33 , har et solsystem på fem planeter, som varierer i størrelse fra halvanden til fem gange Jordens størrelse [kilde:NASA].

Men disse opdagelser er måske bare toppen af ​​isbjerget. Kepler -forskere vurderer, at der kan være så mange som 50 milliarder eksoplaneter i Mælkevejen [kilde:O'Neill]. Joseph Catanzarite, en astronom ved NASA's Jet Propulsion Laboratory, fortalte Space.com i 2011, at hele 2 milliarder af dem kan være jordlignende. "Med det store antal, der er en god chance for liv og måske eksisterer endda intelligent liv på nogle af disse planeter, "tilføjede han [kilde:Choi].

Så, hvilke instrumenter og teknikker bruger forskere til at lokalisere eksoplaneter, og hvordan fungerer de?

1. Planetjagtteknikker og -teknologi
2. Keplers søgning efter eksoplaneter
3. Planetjagt -milepæle:Fra håndfulde til hundredvis
4. Planet Hunting Milepæle:Kepler, Corot og den første tusinde

Planetjagtteknikker og -teknologi

At jagte planeter uden for vores solsystem er lidt som at prøve at læse et frimærke, der sidder fast på et fjernt fyrs lampe:Forældrestjerner skinner så kraftigt, at deres blænding overdøver alt andet. For at kompensere, forskere har udtænkt geniale metoder til at opdage eksoplaneter ved at måle deres virkning på deres forældre stjerner.

En planet påvirker sin stjerne på to nyttige måder. Først, dens tyngdekraft trækker stjernen lidt frem og tilbage, da planeten kredser om den. Sekund, planeten blokerer en lille mængde lys, når den passerer foran stjernen (fra vores synspunkt).

Vi kan opdage disse effekter ved hjælp af et par praktiske metoder, hver med sine styrker og svagheder. Lad os tage fat astrometri først. Som en kredsende planets tyngdekraft trækker på sin forældre stjerne, det får stjernen til slingren på sin vej over himlen. Vi kan skelne denne lille bevægelse ved nøjagtigt at måle stjernens position. Baseret på periode , eller tid det tager stjernen at fuldføre en wobble, vi kan beregne perioden og radius af planetens bane, sammen med planetens masse. Astrometri er bedst til at finde massive planeter med kredsløb langt fra deres soler.

Doppler -spektroskopi gør også brug af dette gravitationsskub og træk, men mens astrometri bruger stjernens relative side-til-side bevægelse, denne metode bruger Doppler skift der skyldes, at planeten trækker sin stjerne mod Jorden, så væk fra det. Når stjernen bevæger sig mod Jorden, dets lys er komprimeret, eller "blåskiftet, "mod spektrets kortere bølgelængder. Når det bevæger sig væk fra os, vi ser lysbølgerne strække sig ud mod den røde (længere bølgelængde) ende af spektret. Ved at måle en stjernes spektrum over tid, vi kan opdage Doppler -forskydninger forårsaget af en planet eller planeter, der bevæger stjernen mod og væk fra os.

Doppler -skift fortæller os også stjernens radial hastighed (hvor hurtigt stjernen bevæger sig mod og væk fra os). Som du måske forventer, større radiale hastigheder betyder større planeter. Baseret på stjernens masse og skiftets periode, vi kan også beregne planetens orbitalradius. Denne metode er bedst egnet til at opdage massive planeter placeret i nærheden af ​​deres forældre stjerne, og den kan kun estimere den mindste masse af sådanne planeter.

Fotometri leder ikke efter vingler eller skift. I stedet, den holder øje med den oplysende dæmpning af en stjernes lysstyrke, der opstår når en kredsende eksoplanet transit , eller går mellem den og os.

Ved at kombinere de tre metoder kan astronomer udvikle et meget klarere billede af disse planeter. Næste, vi vil undersøge, hvordan Kepler -missionen bruger fotometri til at udføre en stjernetælling af potentielt beboelige planeter.

Keplers søgning efter eksoplaneter

Kepler er den første NASA-mission, der er i stand til at finde planeter i jordstørrelse omkring andre stjerner. Dets hovedmål er at generere et basisestimat, eller folketælling, af antallet af sådanne planeter, der kredser inden for beboelige zoner, hvor forholdene er rigtige for flydende vand.

Instrumentpakken kredser ikke om jorden i en satellit:Den er anbragt i et rumfartøj, der er 9 fod (2,7 meter) i diameter og 4,3 meter (15,3 fod) højt, der kredser om solen, efter vores hjemplanet.

Kepler bruger et meget bredt feltteleskop og et fotometer (lysmåler) til måling af lysstyrkevariationer i mere end 156, 000 stjerner samtidigt [kilde:Ames Research Center, NASA finder planetkandidater i jordstørrelse]. Det tager disse aflæsninger hvert 30. minut, fordi transit kan kræve fra en time til en halv dag, afhængigt af planetens bane og typen af ​​stjerne, der er involveret.

Missionsforskere anvender også spektroskopiske data fra jordbaserede observatorier til at hjælpe med at bekræfte planetkandidater og bruge stjerneabservationer til at fjerne andre forvirrende faktorer, såsom binære stjerner (et par stjerner, der kredser om et fælles massecenter).

Cygnus-Lyra-kvarteret blev valgt som studieområde, fordi det er velbefolket med stjerner og ligger højt nok over Jordens kredsløb, at solen, Jorden og månen kommer ikke i vejen for Keplers observationer. Stjernerne er mellem 600 og 3, 000 lysår væk. Fra vores perspektiv, de dækker et område, der svarer til 1/400 af himlen [kilde:Harwood].

Kepler registrerer planeter via den fotometriske eller transitmetode, hvilket betyder, at den registrerer det lille drop-off i en stjernes lysstyrke, der opstår, når en kredsende planet passerer mellem dens stjerne og os. Når dataanalysen identificerer en dæmpningshændelse, videnskabsfolk leder efter yderligere fald i samme størrelse, varighed og periode for at bekræfte planetens eksistens.

Dette er ingen middelværdi:En planet i størrelse, der krydser foran en stjerne i solstørrelse, dæmper lyset med kun 0,01 procent. NASA -folk siger gerne, at det at opdage en så lille dukkert er som at se en loppe kravle hen over en forlygte fra flere kilometer væk. Planeter i størrelse Jupiter kaster en større skygge. Ikke desto mindre, set udefra vores solsystem, Jupiters transit reducerer kun vores sollys med 1 til 2 procent [kilde:Ames Research Center, FAQ].

Der er mere. For at transitmetoden skal fungere, en planet skal passere næsten perfekt langs vores sigtelinje, hvis chancer er omkring 0,5 procent for en planet i størrelse (i en jordstørrelse) og 10 procent for en planet i Jupiter-størrelse (hvis den kredser i nærheden af ​​sin stjerne) [kilde:Ames Research Center, FAQ].

For at sige det på en anden måde:Selvom vi tjekkede 100, 000 stjerner, der faktisk havde jordlignende planeter, vi ville kun kunne "se" 500 af dem via transitmetoden. Brug af sandsynligheder som disse, forskere kan estimere planetpopulationen i vores galakse ud fra Keplers observationer.

For at en planet er livlig, en række faktorer skal være "helt rigtige". En god kandidat bør være en terrestrisk (stenet) planet. Ideelt set, den skal måle mellem halv og dobbelt så stor som jorden, men det vigtige er, at den er massiv nok til at holde en atmosfære, men ikke så stor, at den svulmer op i en gasgigant som Jupiter eller en isgigant som Neptun.

Det skal også være placeret i den beboelige zone, en afstand fra moderstjernen, hvor overfladetemperaturen ikke fryser flydende vand eller koger det af. Placeringen af ​​denne zone varierer alt efter stjernens egenskaber.

Planetjagt -milepæle:Fra håndfulde til hundredvis

Inden Kepler kom, stalden af ​​fjerne planeter placeret af astronomer nummereret i titalls og hundredvis, ikke tusinder. Alligevel, dette var et ekstraordinært antal i betragtning af de begrænsninger, forskere står over for ved hjælp af tilgængelige instrumenter-især jordbaserede teleskoper, som kræver, at forskere kompenserer for atmosfæriske forvrængninger.

Mellem 2005 og 2008, forskere opdagede fem super-jordarter, hver praler af masser mellem fem og 10 gange Jordens.

I 2008, astronomer, der brugte Hubble-rumteleskopets nær-infrarøde kamera og multi-objekt-spektrometer, opdagede kuldioxid på en exoplanet for første gang. Metoden involverede at trække moderstjernens spektroskopiske data fra de kombinerede data om stjerne og planet. Desværre, den eksoplanet i størrelse Jupiter HD 189733 b kredser for tæt på sin stjerne til at være beboelig, men teknikken kan give værdifuld information, hvis den anvendes på andre beboelige kandidater. Forskere er interesserede i kuldioxid, fordi det, som metan, kan pege på biologiske processer.

I 2009, astronomer rapporterede den første exoplanet, der nogensinde er fundet gennem astrometri, tilføjer den til listen over 350 planeter, der tidligere er fundet ved Doppler -skiftmetoden. Havde det været bekræftet, VB 10b ville have tippet skalaerne på seks gange mere massiv end Jupiter. Imidlertid, efterfølgende Doppler -spektroskopi -observationer kunne ikke detektere de forventede forskydninger i radialhastigheden i dens forælderstjerne, VB 10, og kravet blev tilbagevist [kilde:Bean].

Samme år, ved hjælp af seks måneders observationer fra jordbaserede amatør-teleskoper, videnskabsmænd meddelte GJ 1214b , en planet 6,5 gange mere massiv end Jorden og 2,7 gange bredere. Forskere mener, at planeten mest består af vand. GJ 1214b kredser om en rød dværgstjerne mere end 40 lysår fra Jorden i en afstand, der svarer til en fjerdedel af rummet mellem Merkur og vores sol.

Hvilke opdagelser blev gjort i 2010 og 2011?

Keplers fund understøtter to planlagte missioner - Space Interferometry Mission (SIM) og Terrestrial Planet Finder (TPF) - ved at bestemme hvilke typer nærliggende stjerner der sandsynligvis vil besidde planeter. Disse oplysninger fortæller SIM og TPF, hvor deres instrumenter skal rettes.

Begge missioner vil bruge en teknik kaldet ophævelse af interferometri at annullere blænding fra en målstjerne og afsløre planeter i kredsløb. To teleskoper ser på den samme stjerne, men lyset fra det ene teleskop sættes et halvt trin ud af fase med lys fra det andet, før de kombineres, får dem til at annullere hinanden. Omvendt lyset fra planeten kombineres på en måde, der styrker dets signal.

TPF kombinerer sine interferometriske observationer med data fra a coronagraph , som annullerer blænding ved at blokere stjernens direkte lys med et fysisk objekt, så kun stjernens corona er synlig, som en pilot, der blokerer solen med sin tommelfinger. Med hovedparten af ​​blændingen reduceret, planeter i kredsløb bliver mere synlige.

Planet Hunting Milepæle:Kepler, Corot og den første tusinde

I marts 2010, forskere annoncerede en anden milepæl:en Jupiter-lignende planet 1, 500 lysår fra Jorden, der var relativt kølig, og som kunne studeres i detaljer. Fordi COROT -satellitten opdagede det, det blev døbt COROT-9b . Tidligere arbejde havde allerede fundet andre seje planeter, men COROT-9b var den første, der passerer mellem dens stjerne og Jorden. Dette betød, at forskere kunne studere både dens størrelse (fra den mængde, det formindskede lyset fra sin forældre stjerne) og dens atmosfæriske sammensætning (fra den måde, hvorpå stjernelyset interagerede med det, da det passerede gennem dets atmosfære) [kilde:ESA].

COROT-9b ligger i stjernens beboelige zone, men fordi det er en gasformig verden, forskere anser det ikke for sandsynligt at være gæstfrie i livet. Dens atmosfære kan indeholde vand, imidlertid, og en så stor planet kunne også have en beboelig måne [kilde:ESA].

I slutningen af ​​september 2010, en gruppe astronomer i USA, der brugte spektroskopiske data fra jordbaserede instrumenter, annoncerede opdagelsen af ​​en potentielt gæstfri planet, Gliese 581g , kredser om stjernen Gliese 581 kun 20 lysår væk. Meddelelsen vakte stor begejstring, fordi planeten blev fundet så tæt på Jorden, og kun 15 år efter at astronomer identificerede de første exoplaneter. Kort efter meddelelsen, imidlertid, videnskabelige grupper begyndte at rejse tvivl om opdagelsen [kilde:Wall].

Forskere havde allerede fundet beviser for andre planeter i det samme røde dværgsystem, hvoraf to ( Gliese 581d og Gliese 581e ) kredsede i udkanten af ​​den beboelige zone. Så, hvem af Gliese 581s børn ville tage kronen som den bedste kandidat, der endnu er fundet til at støtte livet? Problemet var for kompliceret til let at løse. At opdage planeter kræver spektroskopisk nedtoning af den støj, der er forbundet med observationsdata, og derefter bestemme, hvilke forudsætninger der skal bruges. De samme data kan argumentere for forskellige antal planeter afhængigt af om du antager excentriske (meget elliptiske) baner eller næsten cirkulære. Forskere havde endnu ikke nået til enighed, da denne artikel blev skrevet.

I januar 2011 bekræftede Kepler -missionen at finde sin første stenede planet, anslået til 1,4 gange Jordens størrelse. Placeret godt uden for den beboelige zone, Kepler-10b skiller sig ud som den mindste planet, der hidtil er opdaget uden for vores solsystem.

Og i februar 2011, Kepler -forskere annoncerede opdagelsen af ​​fem planeter, hver kredser i beboelige zoner af stjerner mindre og køligere end vores sol. Hvis bekræftet, disse vil repræsentere de første planeter af jordlignende størrelse, der findes i beboelige zoner. Samme måned, Kepler fandt seks bekræftede planeter, der kredsede om en sollignende stjerne, Kepler-11, 2, 000 lysår fra Jorden. Dette udgør den største gruppe af transiterende planeter, der kredser om en enkelt stjerne, der nogensinde er opdaget uden for vores solsystem [kilde:NASA].

Selvom disse opdagelser har været vigtige, det er vigtigt at huske, at Kepler hidtil kun har søgt en lille brøkdel af det kendte univers. Det kan godt være, at i de kommende år, forskere vil gøre endnu mere fantastiske fund - herunder, måske, en jordlignende planet, der er hjemsted for levende ting.

Masser mere information

relaterede artikler

• Doppler -effekt
• Hvordan dannes planeter?
• Sådan fungerer Hubble -rumteleskop
• Sådan fungerer stjerner
• Sådan fungerer teleskoper
• Er der virkelig vand på Mars?
• Vores fantastiske solsystem
• Spektroskopi
• Hvorfor betragtes Pluto ikke længere som en planet?

Flere store links

• NASA ExoPlanets and Stellar Astrophysics Laboratory
• NASA Exoplanet Exploration Program
• NASA Kepler Mission
• PlanetQuest
• The Extrasolar Planets Encyclopedia

Kilder

• Ames Research Center. "Ofte stillede spørgsmål fra offentligheden." (21. februar kl. 2011) http://kepler.nasa.gov/Mission/QuickGuide/faq/
• Ames Research Center. "NASA finder planetkandidater i jordstørrelse i en beboelig zone, Six Planet System. "1. februar, 2011. (21. februar, 2011) http://kepler.nasa.gov/news/index.cfm?FuseAction=ShowNews&NewsID=98
• Bønne, Jacob, et. al. "Den foreslåede gigantiske planet, der kredser om VB 10, eksisterer ikke." The Astrophysical Journal Letters. Vol. 711, ingen. 1. Side L19. 2010.
• Borucki, W.J. "En kort historie om Kepler -missionen." Kepler.nasa.gov. 22. maj kl. 2010. (14. februar, 2012) http://kepler.nasa.gov/Mission/QuickGuide/history/
• Brumfiel, Geoffrey. "Kepler afdækker planetarisk menageri." Natur. 27. januar, 2012. http://blogs.nature.com/news/2012/01/kepler-uncovers-planetary-menagerie.html
• Choi, Charles Q. "Nyt skøn for fremmede jordarter:2 milliarder alene i vores galakse." Space.com. 21. marts 2011. (14. februar, 2012) http://www.space.com/11188-alien-earths-planets-sun-stars.html
• Cowen, Ron. "Eksistensen af ​​den beboelige eksoplanet er i tvivl." Science News. 6. november kl. 2010
• Cowen, Ron. "Astrometri dækker en eksoplanet." Science News. 4. juli kl. 2009.
• Cowen, Ron. "Første påvisning af kuldioxid i en exoplanet." Science News. 3. januar, 2009.
• Cowen, Ron. "Den mindste eksoplanet er fundet endnu." Science News. 23. maj kl. 2009.
• Cowen, Ron. "Denne Exoplanet er så sej." Science News. 17. marts, 2010.
• Encyclopedia Britannica. "Somnium." Encyclopedia Britannica, 2011.
• Grossman, Lisa. "Super-jorden fundet tæt på, Kan være vært for vand. "Science News. 16. januar, 2010.
• Harwood, William. "Kepler rumfartøj registrerer mere end 1, 200 mulige planeter, der kredser om fjerne soler. "CBS News. 2. februar, 2011. (21. februar, 2011) http://www.cbsnews.com/network/news/space/home/spacenews/files/54c081c636823e0dbaf8eb95d6fbb3ef-155.html
• Jet Propulsion Laboratory. "Planetjagtmetoden lykkes til sidst." 28. maj kl. 2009. (24. februar kl. 2011) http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2009-090
• Keim, Brandon. "De fleste jordlignende ekstrasolarplaneter blev fundet lige ved siden af." Kablet. 16. december kl. 2009. (23. februar, 2011)
• Klotz, Irene. "Jordlignende planet kan opretholde liv." Discovery News. 29. september kl. 2010. (22. februar, 2011) http://news.discovery.com/space/earth-like-planet-life.html
• Lissauer, Jack og David Stevenson. "Dannelse af kæmpe planeter." (24. februar kl. 2011) http://www.astrosmo.unam.mx/esp/PPV/7%20%20PLANET%20FORMATION%20AND%20EXTRASOLAR%20PLANETS/sec7-1.pdf.
• Matson, John. "En varm Jupiter:En nyopdaget eksoplanet ligner solsystemets egne verdener." Videnskabelig amerikansk. 17. marts, 2010. (23. februar, 2011) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=corot-9b-extrasolar
• Borgmester, Michel, og Queloz, Didier. "En ledsager til en Jupiter-masse til en stjerne af soltype." Natur. 23. november kl. 1995. (14. februar, 2012) http://www.nature.com/nature/journal/v378/n6555/abs/378355a0.html
• "NASAs Kepler annoncerer 11 planetariske systemer, der er vært for 26 planeter." Nasa.gov. 26. januar, 2012. (14. februar, 2012) http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/news/new-multi-systems.html
• "NASAs Kepler -rumfartøj opdager ekstraordinært nyt planetarisk system." Nasa.gov. 2. februar kl. 2011. (14. februar, 2012.) http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/news/new_planetary_system.html
• National Science Foundation. "Lille planet, Lille stjerne. "(22. februar, 2011) http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=111642
• "Nyopdaget planet kunne holde vand." ESA.int. 18. marts 2010. (14. februar, 2012) http://www.esa.int/esaMI/COROT/SEMJOMCKP6G_0.html
• O'Neill, Ian. "Mælkevejen fyldt med 50 milliarder fremmede verdener." Discovery News. 19. februar kl. 2011. (14. februar, 2012) http://news.discovery.com/space/milky-way-stuffed-with-50-billion-alien-worlds.html
• "Planetkandidater." Kepler.nasa.gov. (14. februar kl. 2012) http://kepler.nasa.gov/Mission/discoveries/candidates/
• Rincon, Paul og Jonathan Amos "'letteste' Exoplanet opdaget." BBC nyheder. 21. april kl. 2009. (25. februar, 2011) http://news.bbc.co.uk/2/hi/8008683.stm
• Sagan, Carl. "Kosmos:Johannes Kepler." (25. februar, 2011) http://www.youtube.com/watch?v=lAVeTFin0mU
• Sanders, Laura. "Fjern verden kunne støtte livet." Science News. 23. oktober kl. 2010.
• "Tabel over bekræftede planeter." Kepler.nasa.gov. (14. februar kl. 2012) http://kepler.nasa.gov/Mission/discoveries/
• University College London. "Første organiske molekyle på ekstrasolplanet fundet." 19. marts 2008. (21. februar, 2011) http://www.ucl.ac.uk/news/news-articles/0803/08031902
• Væg, Mike. "R.I.P. muligvis den beboelige planet Gliese 581g? Ikke så hurtig, Co-Discoverer siger. "Space.com. 19. februar, 2011. (14. februar, 2012) http://www.space.com/10897-alien-planet-gliese-581g-great-debate.html