Forsker diskuterer opdagelse af exoplaneter og hans særlige metode

René Heller fra Max Planck Institute for Solar System Research fik allerede det videnskabelige samfund til at lægge mærke til, da han og hans team opdagede ikke færre end 18 tidligere oversete exoplaneter i dataene fra Kepler-rumteleskopet. Nu lykkedes det igen, denne gang ved at finde en noget jordlignende planet, der kredser om en sollignende stjerne. Hvad er så specielt ved Dr. Hellers og hans teams nye metode?

De fleste exoplaneter er indtil videre blevet fundet ved hjælp af den såkaldte transitmetode. Hvordan fungerer denne metode, og hvorfor er den så vellykket?

René Heller:Ved at bruge transitmetoden ser vi efter gentagne korte dæmpninger af en stjerne, som er forårsaget af en planet, der passerer foran stjernen set fra Jorden. Denne begivenhed kaldes en transit. Når du ser på en tilfældigt valgt stjerne, imidlertid, du ved typisk ikke, om den har en transitplanet eller overhovedet en planet. For at finde nye transitter, Vi skal typisk se på en stjerne i meget lang tid og uden pause, typisk i uger og nogle gange i årevis. Men det er ikke nok:For at transitmetoden virker, vi skal være i planetens baneplan omkring dens stjerne, set fra Jorden. Gennemsnitlig, dette er kun tilfældet for omkring hver hundrede exoplanet. Og så er vi nødt til at observere hundreder og tusinder af stjerner kontinuerligt.

Transitmetoden er derfor ikke mere lovende end andre metoder, men ligner snarere den ordsprogede søgen efter en nål i en høstak. Dens succes er primært baseret på den kontinuerlige observation af et stort antal stjerner ved NASAs Kepler-rumteleskop. Kepler har opdaget tusindvis af exoplaneter siden 2009, i alt mere end halvdelen af ​​alle de exoplaneter, der kendes i dag.

I de seneste år, du har formået at forbedre den sædvanlige transitmetode. Hvad er dit trick?

Indtil for få år siden, de store mængder data, der blev sendt til os med teleskoper, gjorde det nødvendigt at forenkle vores computerstøttede søgealgoritmer hist og her. Faktisk, nogle standardsøgealgoritmer forringede først kvaliteten af ​​dataene ved at bruge det, der kaldes data 'binning', og søgte derefter efter transit i lavopløsningsdataene. Kun dette gjorde det muligt at analysere de enorme mængder af stjerner, hver med mange års kontinuerlige lysstyrkemålinger inden for tolerable tidsperioder, som et par dage eller uger. I de seneste år, imidlertid, fremskridt inden for computerkraft har givet os mulighed for at bruge en raffineret algoritme.

Min kollega og it-specialist Michael Hippke og jeg har nu forfinet standardproceduren for exoplanet-transitsøgninger ved blot at afstå fra databinning. En del af den øgede computerarbejdsbyrde kan absorberes af moderne CPU-kraft, men vi skulle også designe computerkoden fra bunden for at gøre den så effektiv som muligt. Nu fungerer det endda på en almindelig bærbar computer. Så du kan endda finde en exoplanet på en togrejse med en bærbar computer på knæene.

Hvor mange oversete exoplaneter har du været i stand til at opspore?

Indtil nu, vi har offentliggjort 18 opdagelser i Kepler-dataene. KOI-456.04 er nu den 19. exoplanet, som vi har identificeret, og som tidligere er blevet overset af standardsøgningsteknikkerne. Faktisk, vi har fundet yderligere et par dusin kandidater, som vi i øjeblikket studerer mere detaljeret, før vi rapporterer dem til samfundet. Trods alt, vi ønsker ikke at sælge en målefejl som planet. Ud over vores egne søgninger med den opgraderede algoritme, vi har endda set andre forskerhold downloade vores kode og bruge dem til deres egne søgninger. Jeg ville ikke blive overrasket, hvis vores algoritme blev den nye standard for exoplanet-transitsøgninger.

Dataene fra Kepler-rumteleskopet er sandsynligvis blevet grundigt og endeligt analyseret nu. Forventer du alligevel yderligere opdagelser af mindre planeter, måske lige så stor som Jorden?

Ved hjælp af traditionelle metoder, mulighederne for at finde exoplaneter i Kepler-data er sandsynligvis blevet udtømt, Jeg er enig. Det sagt, vores første søgninger med vores nye algoritme viser, at der med denne metode stadig er spændende opdagelser at gøre i dataene. Det er, som om alle har fejet deres koste gennem dataene, og vi samler nu de resterende krummer med en omhyggelig fejeskuffe og børstesæt. Men anderledes end det affald, du ville samle op fra gulvet, det er disse små krummer, Planeter på størrelse med jorden, som er de mest værdifulde resultater inden for exoplanetvidenskab.

I løbet af de ni års drift, Kepler registrerede måledata fra omkring 150, 000 stjerner. Hvordan bestemmer du, hvilke stjerner der er et sekund værd, kig nærmere?

Den omhyggelige udvælgelse af stjernerne, der skulle undersøges igen, var afgørende for vores tidligere opdagelser. Vi brugte et lille, men værdifuldt trick:vi valgte ikke bare tilfældigt et af de 150, 000 stjerner fra Kepler-missionen; i stedet, vi fokuserede på anden del af missionen, den såkaldte K2-mission, hvor transitplaneter allerede var blevet opdaget omkring i alt 517 stjerner. For at kontrollere, om vores metode virkelig er bedre end de tidligere metoder, vi genbesøgte simpelthen alle lysstyrkemålingerne af disse 517 stjerner og ledte efter yderligere planeter, der kunne være gået glip af indtil videre.

Som resultat, vi fandt ikke kun alle de tidligere kendte exoplaneter, men vi opdagede også 18 nye. Det lyder måske ikke af meget, 18 ud af 517. Det er dog ikke kun antallet af planeter, der er vigtigt. Vigtigere er det, at alle vores nyopdagede planeter er omtrent lige store som Jorden og dermed meget mindre end de fleste kendte exoplaneter. Selvfølgelig var det derfor, de oprindeligt var blevet savnet.

Efter at have gennemgået K2-dataene, vi har nu udvidet vores søgning til de mere end 4000 lyskurver fra den første Kepler-mission fra 2009 til 2013. Og igen fik vi succes. Planetkandidaten med 1,9 jordradius KOI-456.04 omkring den sollignende stjerne Kepler-160 er kun vores første publikation.

Hvorfor taler du om KOI-456.04 som en planetarisk kandidat?

Formelt set, signalet fra denne formodede planet består en af ​​vores statistiske test med en sandsynlighed på 85 procent. Det betyder, at chancerne er 85:15, eller næsten seks til en, at dette signal virkelig er forårsaget af en planet og ikke af en tilfældig statistisk variation af dataene eller af en instrumentel effekt. Seks til en, Jeg vil sige, at det er et godt bud. Men som astronomer ønsker vi, at signalet skal have en sandsynlighed på 99 procent, en chance på nioghalvfems til én, før vi formelt ville give planetarisk status til kandidaten. For nu, KOI-456.04 er fortsat en god kandidat.

Hvorfor er det vigtigt at undersøge et enkelt stjernesystem så nøje? Hvad lærer vi af sådan en individuel sag?

Menneskeheden investerer betydelige midler og arbejde, men også hjerte og sjæl i opfølgende observationer af de mest interessante exoplaneter eller planetkandidater. Selvom økonomiske investeringer i rumforskning kun er omkring en tusindedel af militærbudgettet, vi ønsker ikke at spilde den værdifulde observationstid. I en eller anden forstand, observationstid for jord- og rumbaserede teleskoper er milliarder af euro eller dollars værd, og vi vil bestemt undgå at bruge den tid på et interessant observationsmål – kun for at finde ud af, at målet ikke eksisterer.

Det er derfor, vi gjorde os store anstrengelser i vores undersøgelse for statistisk at bestemme planetens status. Strengt taget, denne karakterisering af planeten – eller planetkandidaten – var langt den mest tidskrævende del. Min kollega Michael Hippke og jeg havde allerede haft succes med at opdage KOI-456.04 i maj 2019, efter kun et par dages computerstøttede søgninger i dataene. Det næste skridt, den ekstremt komplekse karakterisering af planetsystemet omkring stjernen Kepler-160, tog lang tid, men vi lærte meget med hensyn til automatisering af vores metoder. Næste gang vil vi være hurtigere, og det vil ikke tage os endnu et år at foretage kandidatundersøgelsen efter første påvisning. Og den gode nyhed er, at vi allerede har fundet et par dusin mere lovende kandidater i Kepler-dataene.