Fordrejet rum-tid for at hjælpe WFIRST med at finde exoplaneter

NASA's Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) vil søge efter planeter uden for vores solsystem mod midten af ​​vores Mælkevejs galakse, hvor de fleste stjerner er. At studere egenskaberne af exoplanetverdener vil hjælpe os med at forstå, hvordan planetsystemer i hele galaksen er, og hvordan planeter dannes og udvikler sig.

Ved at kombinere WFIRSTs resultater med resultater fra NASAs Kepler og Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) missioner vil den første planettælling fuldføre, der er følsom over for en bred vifte af planetmasser og kredsløb, bringer os et skridt tættere på at opdage beboelige jordlignende verdener ud over vores egen.

Til dato, astronomer har fundet de fleste planeter, når de passerer foran deres værtsstjerne i begivenheder kaldet transitter, som midlertidigt dæmper stjernens lys. WFIRST-data kan også se transit, men missionen vil primært se efter den modsatte effekt - små bølger af udstråling produceret af et lysbøjningsfænomen kaldet mikrolinsing. Disse begivenheder er meget mindre almindelige end transitter, fordi de er afhængige af den tilfældige justering af to vidt adskilte og ubeslægtede stjerner, der driver gennem rummet.

"Mikrolensesignaler fra små planeter er sjældne og korte, men de er stærkere end signalerne fra andre metoder, " sagde David Bennett, der leder gravitationsmikrolinsegruppen ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Da det er en én-i-en-million begivenhed, nøglen til WFIRST at finde lavmasseplaneter er at søge i hundredvis af millioner af stjerner."

Ud over, mikrolinsing er bedre til at finde planeter i og uden for den beboelige zone - de orbitale afstande, hvor planeter kan have flydende vand på deres overflader.

Mikrolinse 101

Denne effekt opstår, når lys passerer nær en massiv genstand. Alt med masse fordrejer rumtidens stof, lidt ligesom den bule en bowlingkugle laver, når den sættes på en trampolin. Lys bevæger sig i en lige linje, men hvis rumtiden er bøjet - hvilket sker i nærheden af ​​noget massivt, som en stjerne - lys følger kurven.

Hver gang to stjerner ligger tæt på hinanden fra vores udsigtspunkt, lys fra de fjernere stjernekurver, når det bevæger sig gennem den nærmere stjernes skæve rumtid. Dette fænomen, en af ​​forudsigelserne i Einsteins generelle relativitetsteori, blev berømt bekræftet af den britiske fysiker Sir Arthur Eddington under en total solformørkelse i 1919. Hvis justeringen er særlig tæt, den nærmeste stjerne fungerer som en naturlig kosmisk linse, fokusering og intensivering af lyset fra baggrundsstjernen.

Planeter, der kredser om forgrundsstjernen, kan også ændre linselyset, fungerer som deres egne små linser. Den forvrængning, de skaber, gør det muligt for astronomer at måle planetens masse og afstand fra dens værtsstjerne. Sådan vil WFIRST bruge mikrolinse til at opdage nye verdener.

Velkendte og eksotiske verdener

"At prøve at fortolke planetens befolkninger i dag er som at prøve at fortolke et billede med halvdelen af ​​det dækket, " sagde Matthew Penny, en assisterende professor i fysik og astronomi ved Louisiana State University i Baton Rouge, der ledede en undersøgelse for at forudsige WFIRSTs mikrolinseundersøgelsesevner. "For fuldt ud at forstå, hvordan planetsystemer dannes, er vi nødt til at finde planeter af alle masser på alle afstande. Ingen teknik kan gøre dette, men WFIRSTs mikrolinseundersøgelse, kombineret med resultaterne fra Kepler og TESS, vil afsløre langt mere af billedet."

Mere end 4, 000 bekræftede exoplaneter er blevet opdaget indtil videre, men kun 86 blev fundet via mikrolinsing. De teknikker, der almindeligvis bruges til at finde andre verdener, er forudindtaget mod planeter, der har tendens til at være meget forskellige fra dem i vores solsystem. Transitmetoden, for eksempel, er bedst til at finde sub-Neptun-lignende planeter, der har baner meget mindre end Merkurs. For et solsystem som vores eget, transitundersøgelser kunne gå glip af enhver planet.

WFIRSTs mikrolinseundersøgelse vil hjælpe os med at finde analoger til alle planeter i vores solsystem undtagen Merkur, hvis lille kredsløb og lave masse tilsammen gør det uden for missionens rækkevidde. WFIRST vil finde planeter, der er jordens masse og endnu mindre - måske endda store måner, ligesom Jupiters måne Ganymedes.

WFIRST vil finde planeter i andre dårligt undersøgte kategorier, også. Mikrolinsing er bedst egnet til at finde verdener fra deres stjernes beboelige zone og længere ude. Dette inkluderer isgiganter, som Uranus og Neptun i vores solsystem, og endda slyngelplaneter - verdener, der frit strejfer rundt i galaksen, ubundet til nogen stjerner.

Mens isgiganter er en minoritet i vores solsystem, en undersøgelse fra 2016 viste, at de kan være den mest almindelige type planet i hele galaksen. WFIRST vil sætte den teori på prøve og hjælpe os med at få en bedre forståelse af, hvilke planetkarakteristika der er mest udbredte.

Skjulte ædelstene i den galaktiske kerne

WFIRST vil udforske områder af galaksen, der endnu ikke er blevet systematisk gennemsøgt for exoplaneter på grund af de forskellige mål med tidligere missioner. Kepler, for eksempel, søgte et område af beskeden størrelse på omkring 100 kvadratgrader med 100, 000 stjerner i typiske afstande på omkring tusind lysår. TESS scanner hele himlen og sporer 200, 000 stjerner, deres typiske afstande er dog omkring 100 lysår. WFIRST vil søge omkring 3 kvadratgrader, men vil følge 200 millioner stjerner på afstande på omkring 10, 000 lysår.

Da WFIRST er et infrarødt teleskop, den vil se lige gennem støvskyerne, der blokerer andre teleskoper i at studere planeter i den overfyldte centrale region af vores galakse. De fleste jordbaserede mikrolinseobservationer til dato har været i synligt lys, hvilket gør galaksens centrum stort set ukendt exoplanetterritorium. En mikrolinseundersøgelse udført siden 2015 ved hjælp af United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT) på Hawaii glatter vejen for WFIRSTs exoplanettælling ved at kortlægge regionen.

UKIRT-undersøgelsen giver de første målinger af hastigheden af ​​mikrolinsebegivenheder mod galaksens kerne, hvor stjerner er tættest koncentreret. Resultaterne vil hjælpe astronomer med at vælge den endelige observationsstrategi for WFIRSTs mikrolinseindsats.

UKIRT-teamets seneste mål er at opdage mikrolinsehændelser ved hjælp af maskinlæring, hvilket vil være afgørende for WFIRST. Missionen vil producere en så stor mængde data, at det vil være upraktisk at kæmme den igennem udelukkende med øjet. Strømlining af søgningen vil kræve automatiserede processer.

Yderligere UKIRT-resultater peger på en observationsstrategi, der vil afsløre de mest mulige mikrolinsebegivenheder og samtidig undgå de tykkeste støvskyer, der kan blokere selv infrarødt lys.

"Vores nuværende undersøgelse med UKIRT lægger grundlaget for, at WFIRST kan implementere den første rumbaserede dedikerede mikrolinseundersøgelse, " sagde Savannah Jacklin, en astronom ved Vanderbilt University i Nashville, Tennessee, der har ledet adskillige UKIRT-studier. "Tidligere exoplanetmissioner udvidede vores viden om planetsystemer, og WFIRST vil bringe os et kæmpe skridt tættere på virkelig at forstå, hvordan planeter – især dem inden for de beboelige zoner af deres værtsstjerner – dannes og udvikler sig."

Fra brune dværge til sorte huller

Den samme mikrolinseundersøgelse, der vil afsløre tusindvis af planeter, vil også opdage hundredvis af andre bizarre og interessante kosmiske objekter. Forskere vil være i stand til at studere fritsvævende kroppe med masser fra Mars til 100 gange Solens.

Den lave ende af masseområdet omfatter planeter, der blev slynget ud af deres værtsstjerner og nu strejfer rundt i galaksen som slyngelplaneter. Dernæst er brune dværge, som er for massive til at blive karakteriseret som planeter, men ikke helt massive nok til at antændes som stjerner. Brune dværge skinner ikke synligt som stjerner, men WFIRST vil være i stand til at studere dem i infrarødt lys gennem den varme, der er tilbage fra deres dannelse.

Objekter i den højere ende omfatter stjernernes lig - neutronstjerner og sorte huller - efterladt, når massive stjerner opbruger deres brændstof. At studere dem og måle deres masser vil hjælpe videnskabsmænd med at forstå mere om stjerners dødskampe, samtidig med at de giver en optælling af sorte huller i stjernernes masse.

"WFIRSTs mikrolinseundersøgelse vil ikke kun fremme vores forståelse af planetsystemer, " sagde Penny, "det vil også muliggøre en lang række andre undersøgelser af variabiliteten af ​​200 millioner stjerner, strukturen og dannelsen af ​​den indre Mælkevej, og befolkningen af ​​sorte huller og andre mørke, kompakte genstande, der er svære eller umulige at studere på anden måde."

FY2020 Consolidated Appropriations Act finansierer WFIRST-programmet til og med september 2020. Budgetanmodningen for FY2021 foreslår at afslutte finansieringen af ​​WFIRST-missionen og fokusere på færdiggørelsen af ​​James Webb Space Telescope, nu planlagt til opsendelse i marts 2021. Administrationen er ikke klar til at fortsætte med endnu et multi-milliard-dollar teleskop, før Webb er blevet opsendt og indsat.