Overset skat - det første bevis på exoplaneter

Under en elegant kontorbygning med rødt tegltag i spansk stil i Pasadena, Californien, tre slidte lagerrum beskytter mere end et århundredes astronomi. Ned ad trappen og til højre er en kælder af undren. Der er utallige træskuffer og kasser, stablet gulv til loft, med teleskopplader, solplettegninger og andre optegnelser. En svag ammoniak-lignende lugt, minder om gammel film, fylder luften.

Bevogter det ene lagerrum er en kort sort dør med et skilt, der siger "Denne dør skal holdes lukket."

Carnegie Observatories er vært for 250, 000 fotografiske plader taget ved Mount Wilson, Palomar og Las Campanas observatorier, strækker sig over mere end 100 år. I deres storhedstid, Mount Wilson 60-tommer og 100-tommer teleskoperne - det større så sit første lys den 1. november, 1917 - var de mest kraftfulde instrumenter af deres art. Hver enkelt ændrede uudsletteligt menneskehedens forståelse af vores plads i kosmos. Men disse teknologiske vidundere var forud for deres tid - i ét tilfælde, at fange tegn på fjerne verdener, som ikke ville blive genkendt i et århundrede.

Mount Wilson er stedet, hvor nogle af de vigtigste opdagelser om vores galakse og univers blev gjort i det tidlige 20. århundrede. Det var her, Edwin Hubble indså, at Mælkevejen ikke kan være omfanget af vores univers, fordi Andromeda (eller M31) er længere væk end de fjerneste områder af vores galakse. Den fotografiske plade fra 100-tommer Hooker Telescope fra 1923, som fangede denne monumentale erkendelse, er sprængt i luften som en kæmpe plakat uden for Carnegie-lagrene.

Hubble og Milton Humason, hvis Mount Wilson-karriere begyndte som pedel, arbejdet sammen om at udforske universets ekspanderende natur. Ved at bruge de legendariske teleskoper, samt data fra Lowell Observatory i Flagstaff, Arizona, de erkendte, at klynger af galakser rejser væk fra hinanden - og de fjernere galakser bevæger sig væk fra hinanden med større hastigheder.

Men der er en langt mindre kendt, 100 år gammel opdagelse fra Mount Wilson, en, der var uidentificeret og ikke værdsat indtil for nylig. Det er faktisk:Det første bevis på exoplaneter.

En detektivhistorie

Det startede med Ben Zuckerman, professor emeritus i astronomi ved University of California, Los Angeles. Han var ved at forberede en tale om sammensætningen af ​​planeter og mindre klippelegemer uden for vores solsystem til et symposium i juli 2014 på invitation af Jay Farihi, som han havde hjulpet med at overvåge, da Farihi var kandidatstuderende ved UCLA. Farihi havde foreslået, at Zuckerman talte om forureningen af ​​hvide dværge, som er svage, døde stjerner, der hovedsageligt består af brint og helium. Ved "forurening, "astronomer mener tunge elementer, der invaderer fotosfærerne - de ydre atmosfærer - af disse stjerner. Sagen er, alle de ekstra elementer burde ikke være der - den hvide dværgs stærke tyngdekraft skulle trække elementerne ind i stjernens indre, og ude af syne.

Den første identificerede forurenede hvide dværg kaldes van Maanens stjerne (eller "van Maanen 2" i den videnskabelige litteratur), efter dens opdager Adriaan van Maanen. Van Maanen fandt dette objekt i 1917 ved at spotte dets subtile bevægelse i forhold til andre stjerner mellem 1914 og 1917. Astronom Walter Sydney Adams, som senere skulle blive direktør for Mount Wilson, fangede spektret - et kemisk fingeraftryk - af van Maanens stjerne på en lille glasplade ved hjælp af Mount Wilsons 60-tommer teleskop. Adams fortolkede spektret til at være af en F-type stjerne, formentlig baseret på tilstedeværelsen og styrken af ​​calcium og andre tunge grundstoffers absorptionsegenskaber, med en temperatur noget højere end vores sol. I 1919, van Maanen kaldte det en "meget svag stjerne."

I dag, vi ved, at van Maanens stjerne, som er omkring 14 lysår væk, er den nærmeste hvide dværg til Jorden, der ikke er en del af et binært system.

"Denne stjerne er et ikon, " sagde Farihi for nylig. "Det er den første af sin type. Det er virkelig proto-prototypen."

Mens han forberedte sin tale, Zuckerman havde, hvad han senere kaldte et "ægte 'eureka'-øjeblik." Van Maanens stjerne, uvidende af astronomerne, der studerede det i 1917, og dem, der tænkte over det i årtier efter, må være det første observationsbevis på, at der eksisterer exoplaneter.

Hvad har det med exoplaneter at gøre?

Tunge grundstoffer i stjernens yderste lag kunne ikke være blevet produceret inde i stjernen, fordi de straks ville synke på grund af den hvide dværgs intense gravitationsfelt. Efterhånden som flere hvide dværge med tunge elementer i deres fotosfærer blev opdaget i det 20. århundrede, videnskabsmænd kom til at tro, at de eksotiske materialer må være kommet fra det interstellare medium - med andre ord, elementer, der svæver i rummet mellem stjernerne.

Men i 1987 mere end 70 år efter Mount Wilson-spektret af van Maanens Star, Zuckerman og hans kollega Eric Becklin rapporterede om et overskud af infrarødt lys omkring en hvid dværg, som de troede kunne komme fra en svag "mislykket stjerne" kaldet en brun dværg. Dette var, i 1990, tolket til at være en varm, støvet skive, der kredser om en hvid dværg. I begyndelsen af ​​2000'erne, en ny teori om forurenede hvide dværge var dukket op:Exoplaneter kunne skubbe små klippelegemer mod stjernen, hvis kraftige tyngdekraft ville pulverisere dem til støv. Det støv, indeholdende tunge elementer fra den i stykker sønderrevne krop, ville så falde på stjernen.

"Bundlinjen er:hvis du er en asteroide eller komet, du kan ikke bare ændre din adresse. Du har brug for noget til at bevæge dig, " sagde Farihi. "Langt, de største kandidater er planeter til at gøre det."

NASAs Spitzer-rumteleskop har været medvirkende til at udvide feltet af forurenede hvide dværge, der kredser om af varme, støvede diske. Siden lanceringen i 2004, Spitzer har bekræftet omkring 40 af disse specielle stjerner. Endnu et rumteleskop, NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer, fandt også en håndfuld, hvilket bringer det samlede antal op på omkring fire dusin kendt i dag. Fordi disse genstande er så svage, infrarødt lys er afgørende for at identificere dem.

"Vi kan ikke måle den nøjagtige mængde af infrarødt lys, der kommer fra disse objekter ved hjælp af teleskoper på jorden, " sagde Farihi. "Spitzer, specifikt, bare spræng det på vid gab."

Understøtter den nye "støvede disk" teori om trukket hvide dværge, i 2007, Zuckerman og kolleger offentliggjorde observationer af en hvid dværg-atmosfære med 17 grundstoffer - materialer svarende til dem, der findes i Jord-Måne-systemet. (Den afdøde UCLA-professor Michael Jura, som ydede afgørende bidrag til undersøgelsen af ​​forurenede hvide dværge, var en del af dette team.) Dette var yderligere bevis på, at mindst én lille, stenet legeme - eller endda en planet - var blevet revet i stykker af en hvid dværgs tyngdekraft. Forskere er nu generelt enige om, at en enkelt hvid dværgstjerne med tunge grundstoffer i sit spektrum sandsynligvis har mindst ét ​​stenbælte - resterne af kroppe, der kolliderede voldsomt og aldrig dannede planeter - og sandsynligvis mindst en større planet.

Så, tunge grundstoffer, der tilfældigvis svævede i det interstellare medium, kunne ikke redegøre for observationerne. "Omkring 90 år efter van Maanens opdagelse, astronomer sagde, 'Hov, denne interstellare tilvækst model kan umuligt være rigtig, " sagde Zuckerman.

Jager spektret

Inspireret af Zuckerman, Farihi blev vild med ideen om, at nogen havde taget et spektrum med det første bevis på exoplaneter i 1917, og at der skal foreligge en registrering af denne observation. "Jeg fik tænderne i spørgsmålet, og jeg ville ikke give slip, " han sagde.

Farihi nåede ud til Carnegie Observatories, som ejer Mount Wilson-teleskoperne og beskytter deres arkiver. Carnegie-direktør John Mulchaey satte frivillige Dan Kohne på sagen. Kohne gravede gennem arkiverne og, to dage senere, Mulchaey sendte Farihi et billede af spektret.

"Jeg kan ikke sige, at jeg var chokeret, ærligt talt, men jeg blev behageligt blæst ud af min plads for at se, at signaturen var der, og kunne ses selv med det menneskelige øje, " sagde Farihi.

Spektret af van Maanens stjerne, som Farihi havde efterspurgt, er nu placeret i et lille arkivhylster, mærket med den håndskrevne dato "1917 24. oktober" og en moderne gul klisterseddel:"muligvis 1. optegnelse over en exoplanet."

Cynthia Hunt, en astronom, der fungerer som formand for Carnegies historieudvalg, tog glaspladen ud af konvolutten og placerede den på en fremviser, der tændte den. Selve spektret er kun omkring 1/6 tomme, eller lidt over 0,4 centimeter.

Selvom tallerkenen virker umærkelig ved første øjekast, Farihi så to tydelige "hugtænder", der repræsenterede fald i spektret. Til ham, dette var den rygende pistol:To absorptionslinjer fra den samme calciumion, hvilket betyder, at der var tunge elementer i fotosfæren af ​​den hvide dværg - hvilket indikerer, at den sandsynligvis har mindst én exoplanet. Han skrev om det i 2016 i New Astronomy Reviews.

Exoplaneter og affaldsskiver

Forskere har længe troet, at tyngdekraften af ​​gigantiske planeter kunne holde affaldsbælter på plads, især i unge planetsystemer. En nylig undersøgelse i Astrofysisk Journal viste, at unge stjerner med skiver af støv og snavs er mere tilbøjelige til at have gigantiske planeter, der kredser i stor afstand fra deres moderstjerne end dem uden skiver.

En hvid dværg er ikke en ung stjerne - tværtimod, den dannes, når en stjerne med lav til medium masse allerede har forbrændt alt brændstoffet i sit indre. Men princippet er det samme:Tyngdekraften fra gigantiske exoplaneter kan kaste små, stenede kroppe ind i de hvide dværge.

Vores egen sol vil blive en rød kæmpe om cirka 5 milliarder år, udvider sig så meget, at den måske endda sluger Jorden, før den blæser dens ydre lag af og bliver til en hvid dværg. På det tidspunkt, Jupiters store gravitationspåvirkning kan være mere forstyrrende for asteroidebæltet, slyngende genstande mod vores meget svagere sol. Denne form for scenarie kunne forklare de tunge elementer ved van Maanens Stjerne.

Spitzers observationer af van Maanens Stjerne har indtil videre ikke fundet nogen planeter der. Faktisk, til dato, ingen exoplaneter er blevet bekræftet, der kredser om hvide dværge, selvom man har et objekt, der menes at være en massiv planet. Andre overbevisende beviser er dukket op blot i de sidste par år. Ved at bruge W. M. Keck Observatory på Hawaii, forskere, inklusive Zuckerman, for nylig annonceret, at de havde fundet beviser for, at en Kuiper-bælte-lignende genstand var blevet spist af en hvid dværg.

Forskere udforsker stadig forurenede hvide dværge og leder efter de exoplaneter, de kan være vært for. Omkring 30 procent af alle hvide dværge, vi kender til, er forurenede, men deres affaldsskiver er sværere at få øje på. Jura fremførte, at med masser af asteroider, der kommer ind og kolliderer med affald, støv kan omdannes til gas, som ikke ville have det samme meget detekterbare infrarøde signal som støv.

Farihi var begejstret for, hvordan hans detektivarbejde i Mount Wilson-arkivet viste sig. I 2016, han beskrev det historiske fund i forbindelse med et gennemgangspapir om forurenede hvide dværge, argumenterer for, at hvide dværge er "overbevisende mål for forskning i exoplanetariske system."

Hvem ved, hvilke andre oversete skatte, der venter på opdagelse i arkiverne af store observatorier - de himmelskuende optegnelser om et kosmos rigt på subtilitet. Sikkert, andre spor vil blive fundet af dem, motiveret af nysgerrighed, som stiller de rigtige spørgsmål.

"Det er personlig interaktion med data, der virkelig kan anspore os til at investere i de spørgsmål, vi stiller, " sagde Farihi.