Satellit har til formål at opdage tusindvis af nærliggende exoplaneter, inklusive mindst 50 jord-størrelser

Der er potentielt tusindvis af planeter, der ligger lige uden for vores solsystem - galaktiske naboer, der kunne være klippeverdener eller mere spinkle samlinger af gas og støv. Hvor er disse nærmeste exoplaneter placeret? Og hvem af dem kunne vi undersøge for spor til deres sammensætning og endda beboelighed? Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) vil være den første til at opsøge disse nærliggende verdener.

Det NASA-finansierede rumfartøj, ikke meget større end et køleskab, bærer fire kameraer, der blev udtænkt, designet, og bygget på MIT, med en storøjet vision:at undersøge de nærmeste, klareste stjerner på himlen for tegn på forbipasserende planeter.

Nu, mere end et årti siden MIT-forskere første gang foreslog missionen, TESS er ved at komme fra jorden. Rumfartøjet er planlagt til at starte på en SpaceX Falcon 9 raket fra Cape Canaveral Air Force Station i Florida, tidligst den 16. april, klokken 18.32. EDT.

TESS vil bruge to år på at scanne næsten hele himlen - et synsfelt, der kan omfatte mere end 20 millioner stjerner. Forskere forventer, at tusindvis af disse stjerner vil være vært for transitplaneter, som de håber at opdage gennem billeder taget med TESS's kameraer.

Midt i denne ekstrasolære dusør, TESS videnskabsteamet ved MIT sigter mod at måle masserne af mindst 50 små planeter, hvis radier er mindre end fire gange Jordens. Mange af TESS's planeter burde være tæt nok på vores egen til at når de er identificeret af TESS, videnskabsmænd kan zoome ind på dem ved hjælp af andre teleskoper, at detektere atmosfærer, karakterisere atmosfæriske forhold, og endda se efter tegn på beboelighed.

"TESS er lidt ligesom en spejder, " siger Natalia Guerrero, souschef i TESS Objekter af interesse, en MIT-ledet indsats, der vil katalogisere objekter fanget i TESS-data, der kan være potentielle exoplaneter.

"Vi er på denne naturskønne tur rundt i hele himlen, og på nogle måder aner vi ikke, hvad vi vil se, " siger Guerrero. "Det er som om, vi laver et skattekort:Her er alle disse fede ting. Nu, gå efter dem."

Et frø, plantet i rummet

TESS's oprindelse opstod fra en endnu mindre satellit, der blev designet og bygget af MIT og opsendt i rummet af NASA den 9. oktober, 2000. The High Energy Transient Explorer 2, eller HETE-2, kredsede om Jorden i syv år, på en mission for at opdage og lokalisere gammastråleudbrud - højenergieksplosioner, der udsender massive, flygtige udbrud af gamma- og røntgenstråler.

For at opdage sådanne ekstreme, kortvarige fænomener, forskere ved MIT, ledet af hovedefterforsker George Ricker, integreret i satellitten en række optiske og røntgenkameraer udstyret med CCD'er, eller ladekoblede enheder, designet til at optage lysintensiteter og positioner i et elektronisk format.

"Med fremkomsten af ​​CCD'er i 1970'erne, du havde denne fantastiske enhed … som gjorde mange ting nemmere for astronomer, " siger HETE-2-teammedlem Joel Villasenor, som nu også er instrumentforsker for TESS. "Du opsummerer bare alle pixels på en CCD, som giver dig intensiteten, eller størrelse, af lys. Så CCD'er åbnede virkelig tingene for astronomi."

I 2004 Ricker og HETE-2-holdet spekulerede på, om satellittens optiske kameraer kunne udvælge andre objekter på himlen, der var begyndt at tiltrække astronomisamfundet:exoplaneter. Omkring dette tidspunkt, færre end 200 planeter uden for vores solsystem var blevet opdaget. Nogle få af disse blev fundet med en teknik kendt som transitmetoden, som involverer at lede efter periodiske dyk i lyset fra visse stjerner, som kan signalere en planet, der passerer foran stjernen.

"Vi tænkte, var fotometrien af ​​HETE-2's kameraer tilstrækkelig til, at vi kunne pege på en del af himlen og opdage et af disse dyk? Det er overflødigt at sige, det virkede ikke ligefrem " husker Villasenor. "Men det var en slags frø, der fik os til at tænke, måske skulle vi prøve at flyve CCD'er med et kamera for at prøve at opdage disse ting."

En vej, ryddet

I 2006 Ricker og hans team på MIT foreslog en lille, lavprissatellit (HETE-S) til NASA som en Discovery-klassemission, og senere som en privat finansieret mission for 20 millioner dollars. Men som omkostningerne ved, og interesse for, en exoplanetundersøgelse over hele himlen voksede, de besluttede i stedet at søge NASA-finansiering, på et højere niveau på $120 mio. I 2008 de indsendte et forslag til en NASA Small Explorer (SMEX) Class Mission med det nye navn - TESS.

På dette tidspunkt, satellitdesignet omfattede seks CCD-kameraer, og holdet foreslog, at rumfartøjet skulle flyve i et lavt kredsløb om Jorden, svarende til HETE-2. Sådan en bane, de ræsonnerede, bør holde observationseffektiviteten relativt høj, da de allerede havde opført datamodtagende jordstationer til HETE-2, der også kunne tages i brug til TESS.

Men de indså hurtigt, at et lavt kredsløb om Jorden ville have en negativ indvirkning på TESS's meget mere følsomme kameraer. Rumfartøjets reaktion på Jordens magnetfelt, for eksempel, kunne føre til betydelig "rumfartøjsjitter, "producerer støj, der skjuler en exoplanets afslørende dyk i stjernelys.

NASA omgik dette første forslag, og holdet gik tilbage til tegnebrættet, denne gang opstår med en ny plan, der var hængslet på en helt ny bane. Med hjælp fra ingeniører fra Orbital ATK, Aerospace Corporation, og NASAs Goddard Space Flight Center, holdet identificerede en aldrig tidligere brugt "måne-resonant" bane, der ville holde rumfartøjet ekstremt stabilt, samtidig med, at det giver en hel himmel.

Når TESS når denne bane, det vil slyngeskud mellem Jorden og månen på en meget elliptisk bane, der kunne holde TESS i kredsløb i årtier, drevet af månens tyngdekraft.

"Månen og satellitten er i en slags dans, " siger Villasenor. "Månen trækker satellitten på den ene side, og når TESS fuldfører en bane, månen trækker på den anden side i den modsatte retning. Den samlede effekt er, at månens træk udlignes, og det er en meget stabil konfiguration over mange år. Ingen har gjort det før og jeg formoder, at andre programmer vil forsøge at bruge denne bane senere."

I sin nuværende planlagte bane, TESS vil svinge ud mod månen i mindre end to uger, indsamling af data, sving derefter tilbage mod jorden, hvor på sin nærmeste tilgang, det vil sende data tilbage til jordstationer fra 67, 000 miles over overfladen, før du svinger ud igen. Ultimativt, denne bane vil spare TESS for en enorm mængde brændstof, da den ikke behøver at brænde sine thrustere med jævne mellemrum for at holde på sin vej.

Med denne fornyede bane, TESS-teamet indsendte et andet forslag i 2010, denne gang som en Explorer-klassemission, som NASA godkendte i 2013. Det var omkring dette tidspunkt, at Kepler-rumteleskopet afsluttede sin oprindelige undersøgelse for exoplaneter. Observatoriet, som blev lanceret i 2009, stirrede på en bestemt del af himlen i fire år, at overvåge lyset fra fjerne stjerner for tegn på transitplaneter.

I 2013, to af Keplers fire reaktionshjul var slidt op, forhindrer rumfartøjet i at fortsætte sin oprindelige undersøgelse. På dette tidspunkt, teleskopets målinger havde gjort det muligt at opdage næsten 1, 000 bekræftede exoplaneter. Kepler, designet til at studere fjerntliggende stjerner, banede vejen for TESS, en mission med et meget bredere udsyn, at scanne de nærmeste stjerner på Jorden.

"Kepler gik op, og var denne kæmpe succes, og forskere sagde, 'Vi kan lave denne form for videnskab, og der er planeter overalt, " siger TESS-medlem Jennifer Burt, en MIT-Kavli postdoc. "Og jeg tror, ​​at det virkelig var det videnskabelige afkrydsningsfelt, som vi havde brug for, for at NASA kunne sige, 'Okay, TESS giver meget mening nu.' Det gør det ikke kun muligt at opdage planeter, men at finde planeter, som vi grundigt kan karakterisere efter kendsgerningen."

Striber på himlen

Med valget fra NASA, TESS-teamet etablerede faciliteter på campus og i MIT's Lincoln Laboratory for at bygge og teste rumfartøjets kameraer. Ingeniørerne designede "deep depletion" CCD'er specifikt til TESS, hvilket betyder, at kameraerne kan registrere lys over en lang række bølgelængder op til det nære infrarøde. Dette er vigtigt, da mange af de nærliggende stjerner TESS vil overvåge er røde dværge - små, kølige stjerner, der udsender mindre skarpt end solen og i den infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum.

Hvis videnskabsmænd kan opdage periodiske dyk i lyset fra sådanne stjerner, dette kan signalere tilstedeværelsen af ​​planeter med væsentligt snævrere baner end Jordens. Alligevel, der er en chance for, at nogle af disse planeter kan være inden for den "beboelige zone, " som de ville kredse om meget køligere stjerner, sammenlignet med solen. Da disse stjerner er relativt tæt på, videnskabsmænd kan foretage opfølgende observationer med jordbaserede teleskoper for at hjælpe med at identificere, om forhold faktisk kan være egnede til liv.

TESS's kameraer er monteret på toppen af ​​satellitten og omgivet af en beskyttende kegle for at skærme dem mod andre former for elektromagnetisk stråling. Hvert kamera har en 24 gange 24 graders udsigt over himlen, stor nok til at omfatte Orion-stjernebilledet. Satellitten vil starte sine observationer på den sydlige halvkugle og opdele himlen i 13 striber, overvågning af hvert segment i 27 dage, før det drejes til det næste. TESS burde være i stand til at observere næsten hele himlen på den sydlige halvkugle i sit første år, før han gik videre til den nordlige halvkugle i sit andet år.

Mens TESS peger på en stribe af himlen, dens kameraer vil tage billeder af stjernerne i den del. Ricker og hans kolleger har lavet en liste med 200, 000 i nærheden, klare stjerner, som de især gerne vil observere. Satellittens kameraer vil skabe "frimærke" billeder, der inkluderer pixels omkring hver af disse stjerner. Disse billeder vil blive taget hvert andet minut, for at maksimere chancen for at fange det øjeblik, en planet krydser foran sin stjerne. Kameraerne vil også tage fuldformatbilleder af alle stjernerne i en bestemt stribe på himlen, hvert 30. minut.

"Med de to minutter lange billeder, du kan få et filmlignende billede af, hvad stjernelyset laver, mens planeten krydser foran sin værtsstjerne, " siger Guerrero. "For de 30 minutter lange billeder, folk er begejstrede for måske at se supernovaer, asteroider, eller modstykker til gravitationsbølger. Vi aner ikke, hvad vi kommer til at se på det tidspunkt."

Er vi alene?

Efter TESS lancering, holdet forventer, at satellitten vil genoprette kontakt inden for den første uge, hvor den vil tænde for alle sine instrumenter og kameraer. Derefter, der vil være en 60-dages idriftsættelsesfase, som ingeniører og videnskabsmænd ved Orbital ATK, NASA, og MIT kalibrerer instrumenterne og overvåger satellittens bane og ydeevne. Efter det, TESS vil begynde at indsamle og downlinke billeder af himlen. Forskere ved MIT og NASA vil tage de rå data og konvertere dem til lyskurver, der indikerer en stjernes skiftende lysstyrke over tid.

Derfra, TESS Science Team, herunder Sara Seager, klassen af ​​1941 professor i jord, Atmosfæriske og planetariske videnskaber, og vicedirektør for videnskab for TESS, vil se gennem tusindvis af lyskurver, for mindst to lignende dyk i stjernelys, indikerer, at en planet kan have passeret to gange foran sin stjerne. Seager og hendes kolleger vil derefter bruge et batteri af metoder til at bestemme massen af ​​en potentiel planet.

"Masse er en definerende planetarisk egenskab, " siger Seager. "Hvis du bare ved, at en planet er dobbelt så stor som Jorden, det kan være mange ting:en stenet verden med en tynd atmosfære, eller hvad vi kalder en "mini-Neptun" - en stenet verden med en gigantisk gaskonvolut, hvor det ville være et stort drivhustæppe, og der ville ikke være liv på overfladen. Så masse og størrelse tilsammen giver os en gennemsnitlig planetdensitet, som fortæller os enormt meget om, hvad planeten er."

Under TESS's to-årige mission, Seager og hendes kolleger sigter efter at måle masserne af 50 planeter med radier mindre end fire gange Jordens - dimensioner, der kunne signalere yderligere observationer for tegn på beboelighed. I mellemtiden hele det videnskabelige samfund og offentligheden vil få en chance for at søge gennem TESS-data efter deres egne exoplaneter. Når dataene er kalibreret, holdet vil gøre dem offentligt tilgængelige. Enhver vil være i stand til at downloade dataene og tegne deres egne fortolkninger, herunder gymnasieelever, lænestol astronomer, og andre forskningsinstitutioner.

Med så mange øjne på TESS's data, Seager siger, at der er en chance for, at en skønne dag, en planet i nærheden opdaget af TESS kan vise sig at have tegn på liv.

"Der er ingen videnskab, der vil fortælle os, at livet er derude lige nu, bortset fra at små klippeplaneter ser ud til at være utroligt almindelige, " siger Seager. "De ser ud til at være overalt, hvor vi ser. Så det skal være der et sted."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.