science >> Wetenschap > >> Astronomie

Hoe Planet Hunting werkt

Het Kepler-ruimtevaartuig houdt meer dan 156, 000 sterren. Tot dusver, NASA's beroemde ruimtetelescoop is geslaagd in zijn jacht op exoplaneten. Bekijk meer foto's van ruimteverkenning. Afbeelding met dank aan NASA

Lang voordat er telescopen waren, astronomen of geschreven geschiedenis, mensen staarden omhoog naar "dwalende sterren" die latere waarnemers planeten zouden noemen. Toen we onze mythen van verre sferen toepasten op deze hemellichamen, we begonnen ons af te vragen over de mogelijkheid van leven op andere werelden, een idee dat ons sindsdien heeft geboeid.

In de afgelopen decennia, astronomen gewapend met radiotelescopen, orbitale observatoria en andere krachtige hightech-instrumenten beginnen die vraag te beantwoorden. 1995, De astronomen van de Universiteit van Genève, Michel Mayor en Didier Queloz, kondigden de ontdekking aan van de eerste planeet buiten ons zonnestelsel, een Jupiterachtige reus die rond een 'hoofdreeks'-ster draait, vergelijkbaar met onze zon, 51 Pegasi [bron:burgemeester en Queloz]. Vanaf dat moment, anderen - waaronder de wetenschappers van de Kepler-missie van NASA - zijn op zoek geweest naar meer van deze exoplaneten , zoals ze door astronomen worden genoemd. Vooral, ze willen rotsachtige, Aardachtige bollen die zich binnen de zogenaamde "Goldilocks-zone" bevinden - dat wil zeggen, precies de juiste afstand van hun sterren om oppervlaktetemperaturen te hebben die vloeibaar water zouden kunnen ondersteunen, en zo op zijn minst de ontwikkeling van het leven mogelijk te maken [bron:Borucki].

Gewapend met state-of-the-art telescopen en andere high-tech gereedschappen, astronomen ontdekken in een verbazingwekkend tempo nieuwe werelden. Vanaf begin 2012 De wetenschappers van Kepler, die 150 hebben gescand, 000 verre sterren op zoek naar tekenen van planeten die eromheen draaien, hebben ongeveer 2 geïdentificeerd, 300 "kandidaten, " of objecten die mogelijk planeten zijn [bron:Brumfiel]. Eind januari 2012 kondigden ze de ontdekking aan van 11 nieuwe planetenstelsels, waaronder 26 bevestigde exoplaneten, die blijkbaar variëren van mogelijke rotsachtige planeten ongeveer anderhalf keer de straal van de aarde, tot gasreuzen groter dan Jupiter. Een ster, Kepler-33 , heeft een zonnestelsel van vijf planeten, die in grootte variëren van anderhalf tot vijf keer de grootte van de aarde [bron:NASA].

Maar die ontdekkingen zijn misschien nog maar het topje van de ijsberg. Wetenschappers van Kepler schatten dat er misschien wel 50 miljard exoplaneten in de Melkweg zijn [bron:O'Neill]. Joseph Catanzariet, een astronoom bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, vertelde Space.com in 2011 dat maar liefst 2 miljard van hen qua schaal aardachtig kunnen zijn. "Met dat grote aantal er is een goede kans dat er leven is en misschien zelfs intelligent leven op sommige van die planeten, " voegde hij eraan toe [bron:Choi].

Dus, welke instrumenten en technieken gebruiken wetenschappers om exoplaneten te lokaliseren, en hoe werken ze?

Inhoud

Planet jachttechnieken en technologie
Keplers zoektocht naar exoplaneten
Mijlpalen bij het jagen op planeten:van handvol tot honderden
Mijlpalen bij de jacht op de planeet:Kepler, Corot en de eerste duizend

Planet jachttechnieken en technologie

Het zoeken naar planeten buiten ons zonnestelsel is een beetje als proberen een postzegel te lezen die op de lamp van een verre vuurtoren is geplakt:moedersterren schijnen zo helder dat hun schittering al het andere overstemt. Compenseren, wetenschappers hebben ingenieuze methoden bedacht om exoplaneten te detecteren door hun effecten op hun moedersterren te meten.

Een planeet beïnvloedt zijn ster op twee nuttige manieren. Eerst, zijn zwaartekracht trekt de ster een beetje heen en weer terwijl de planeet eromheen draait. Tweede, de planeet blokkeert een kleine hoeveelheid licht als het voor de ster passeert (vanuit ons gezichtspunt).

We kunnen deze effecten detecteren met behulp van een paar handige methoden, elk met zijn eigen sterke en zwakke punten. Laten we aanpakken astrometrie eerst. Terwijl de zwaartekracht van een om de aarde draaiende planeet aan zijn moederster trekt, het zorgt ervoor dat de ster wiebelen op zijn pad door de lucht. We kunnen deze minuscule beweging onderscheiden door de positie van de ster nauwkeurig te meten. Gebaseerd op de punt uit , of de tijd die de ster nodig heeft om te wiebelen, we kunnen de periode en de straal van de baan van de planeet berekenen, samen met de massa van de planeet. Astrometrie is het beste in het vinden van massieve planeten met banen ver van hun zonnen.

Doppler-spectroscopie maakt ook gebruik van deze zwaartekracht, maar terwijl astrometrie de relatieve zij-aan-zij beweging van de ster gebruikt, deze methode maakt gebruik van de Doppler shift die het gevolg is van het feit dat de planeet zijn ster naar de aarde trekt, dan weg van. Terwijl de ster naar de aarde beweegt, zijn licht wordt gecomprimeerd, of "blauw verschoven, naar de kortere golflengten van het spectrum. Terwijl het van ons af beweegt, we zien dat de lichtgolven zich uitstrekken naar het rode (langere golflengte) uiteinde van het spectrum. Door het spectrum van een ster in de tijd te meten, we kunnen Doppler-verschuivingen detecteren die worden veroorzaakt door een planeet of planeten die de ster naar ons toe en van ons af bewegen.

Dopplerverschuivingen vertellen ons ook de sterren radiale snelheid (hoe snel de ster naar en van ons af beweegt). Zoals je misschien verwacht, grotere radiale snelheden betekenen grotere planeten. Op basis van de massa van de ster en de periode van de verschuiving, we kunnen ook de omloopstraal van de planeet berekenen. Deze methode is het meest geschikt voor het detecteren van massieve planeten in de buurt van hun moederster, en het kan alleen de minimale massa van dergelijke planeten schatten.

Fotometrie zoekt niet naar wiebelen of verschuivingen. In plaats daarvan, het let op het veelbetekenende dimmen van de helderheid van een ster die ontstaat wanneer een exoplaneet in een baan om de aarde draait transits , of gaat tussen het en ons.

Door de drie methoden te combineren, kunnen astronomen een veel duidelijker beeld van deze planeten ontwikkelen. Volgende, we zullen onderzoeken hoe de Kepler-missie fotometrie gebruikt om een stellaire telling uit te voeren van potentieel bewoonbare planeten.

Keplers zoektocht naar exoplaneten

Kepler is de eerste NASA-missie die planeten ter grootte van de aarde rond andere sterren kan vinden. Het belangrijkste doel is het genereren van een basisschatting, of volkstelling, van het aantal van dergelijke planeten in een baan binnen bewoonbare zones, waar de omstandigheden geschikt zijn om vloeibaar water te laten bestaan.

Het instrumentenpakket draait niet om de aarde in een satelliet:het is gehuisvest in een ruimtevaartuig met een diameter van 9 voet (2,7 meter) en 15,3 voet (4,7 meter) hoog dat om de zon draait, onze thuisplaneet achtervolgen.

Kepler gebruikt een zeer groothoektelescoop en een fotometer (lichtmeter) om helderheidsvariaties te meten in meer dan 156, 000 sterren tegelijk [bron:Ames Research Center, NASA vindt planeetkandidaten ter grootte van de aarde]. Deze metingen worden elke 30 minuten uitgevoerd, omdat transits een uur tot een halve dag kunnen duren, afhankelijk van de baan van de planeet en het type ster dat erbij betrokken is.

Missiewetenschappers gebruiken ook spectroscopische gegevens van observatoria op de grond om kandidaat-planeten te bevestigen en sterrenobservaties te gebruiken om andere verstorende factoren te verwijderen. zoals dubbelsterren (een paar sterren die rond een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien).

De wijk Cygnus-Lyra werd gekozen als studiegebied omdat het goed bevolkt is met sterren en hoog genoeg boven het baanvlak van de aarde ligt dat de zon, Aarde en maan zullen Keplers waarnemingen niet in de weg staan. De sterren liggen tussen 600 en 3, 000 lichtjaar verwijderd. Vanuit ons perspectief, ze beslaan een gebied gelijk aan 1/400 van de lucht [bron:Harwood].

Kepler detecteert planeten via de fotometrische of transitmethode, wat betekent dat het de kleine afname in de helderheid van een ster detecteert die optreedt wanneer een in een baan om de aarde draaiende planeet tussen zijn ster en ons passeert. Zodra de gegevensanalyse een dimgebeurtenis identificeert, wetenschappers zoeken naar verdere dalingen van dezelfde omvang, duur en periode om het bestaan van de planeet te bevestigen.

Dit is geen geringe prestatie:een planeet ter grootte van de aarde die voor een ster ter grootte van de zon kruist, dimt zijn licht met slechts 0,01 procent. NASA-mensen zeggen graag dat het detecteren van zo'n klein kuiltje hetzelfde is als het zien van een vlo die op een paar kilometer afstand over een koplamp kruipt. Planeten ter grootte van Jupiter werpen een grotere schaduw. Toch, gezien van buiten ons zonnestelsel, De transit van Jupiter vermindert de helderheid van onze zon slechts met 1 tot 2 procent [bron:Ames Research Center, FAQ].

Er is meer. Om de transitmethode te laten werken, een planeet moet bijna perfect langs onze gezichtslijn passeren, waarvan de kans ongeveer 0,5 procent is voor een planeet ter grootte van de aarde (in een baan ter grootte van de aarde) en 10 procent voor een planeet ter grootte van Jupiter (als deze in de buurt van zijn ster draait) [bron:Ames Research Center, FAQ].

Om het anders te zeggen:zelfs als we 100 hebben uitgecheckt, 000 sterren die eigenlijk aardachtige planeten hadden, we zouden er maar 500 kunnen "zien" via de transitmethode. Door gebruik te maken van waarschijnlijkheden als deze, wetenschappers kunnen de planeetpopulatie van onze melkweg schatten op basis van de waarnemingen van Kepler.

De Goudlokje Zone

Om een planeet leefbaar te maken, een aantal factoren moeten "precies goed" zijn. Een goede kandidaat zou een terrestrische (rotsachtige) planeet moeten zijn. Ideaal, het moet tussen de helft en twee keer zo groot zijn als de aarde, maar het belangrijkste is dat het massief genoeg is om een atmosfeer te bevatten, maar niet zo groot dat het opzwelt in een gasreus zoals Jupiter of een ijsreus zoals Neptunus.

Het moet zich ook in de bewoonbare zone bevinden, een afstand van de moederster waar de oppervlaktetemperatuur vloeibaar water niet bevriest of kookt. De locatie van deze zone is afhankelijk van de kenmerken van de ster.

Lees verder

Mijlpalen bij het jagen op planeten:van handvol tot honderden

Voordat Kepler langskwam, de stal van verre planeten gelokaliseerd door astronomen genummerd in de tientallen en honderden, niet duizenden. Hoe dan ook, dit was een buitengewoon aantal gezien de beperkingen waarmee wetenschappers te maken krijgen bij het gebruik van beschikbare instrumenten - met name telescopen op de grond, waarvoor onderzoekers atmosferische vervormingen moeten compenseren.

Tussen 2005 en 2008 onderzoekers ontdekten vijf superaardes, elk met een massa tussen de vijf en tien keer die van de aarde.

In 2008, astronomen die de Near Infrared Camera en Multi-Object Spectrometer van de Hubble Space Telescope gebruikten, hebben voor het eerst koolstofdioxide gedetecteerd op een exoplaneet. De methode omvatte het aftrekken van de spectroscopische gegevens van de moederster van de gecombineerde gegevens van ster en planeet. Helaas, de exoplaneet ter grootte van Jupiter HD 189733 b draait te dicht bij zijn ster om bewoonbaar te zijn, maar de techniek kan waardevolle informatie opleveren als deze wordt toegepast op andere bewoonbare kandidaten. Wetenschappers zijn geïnteresseerd in koolstofdioxide omdat het, zoals methaan, kan wijzen op biologische processen.

In 2009, astronomen meldden de eerste exoplaneet ooit gevonden door middel van astrometrie, toe te voegen aan de lijst van 350 planeten die eerder zijn gevonden met de Doppler-verschuivingsmethode. Als het was bevestigd, VB 10b zou de weegschaal zes keer zo zwaar hebben gemaakt als Jupiter. Echter, daaropvolgende Doppler-spectroscopie-waarnemingen konden de verwachte radiale snelheidsverschuivingen in zijn moederster niet detecteren, VB10, en de claim werd weerlegd [bron:Bean].

Datzelfde jaar, met behulp van zes maanden observaties van amateur-telescopen op de grond, wetenschappers aangekondigd GJ 1214b , een planeet die 6,5 keer massiever is dan de aarde en 2,7 keer breder. Onderzoekers geloven dat de planeet grotendeels uit water bestaat. GJ 1214b draait om een rode dwergster op meer dan 40 lichtjaar van de aarde op een afstand gelijk aan een veertigste van de ruimte tussen Mercurius en onze zon.

Welke ontdekkingen zijn er gedaan in 2010 en 2011?

Toekomstige missies

De bevindingen van Kepler zullen twee geplande missies ondersteunen - de Space Interferometrie Missie (SIM) en de Terrestrische planeetzoeker (TPF) -- door te bepalen welke soorten nabije sterren waarschijnlijk planeten hebben. Deze informatie vertelt SIM en TPF waar ze hun instrumenten moeten richten.

Beide missies gebruiken een techniek genaamd nulling interferometrie om schittering van een doelster op te heffen en planeten in een baan om de aarde te onthullen. Twee telescopen kijken naar dezelfde ster, maar het licht van de ene telescoop wordt een halve stap uit fase gezet met het licht van de andere voordat ze worden gecombineerd, waardoor ze elkaar opheffen. Omgekeerd, het licht van de planeet wordt gecombineerd op een manier die het signaal versterkt.

TPF combineert zijn interferometrische waarnemingen met gegevens van a coronagraaf , die schittering opheft door het directe licht van de ster te blokkeren met een fysiek object, zodat alleen de corona van de ster zichtbaar is, als een piloot die de zon blokkeert met zijn of haar duim. Met het grootste deel van de verblinding verminderd, planeten in een baan om de aarde worden zichtbaarder.

Lees verder