Een zwoele avond in Florida, en mijn familie en ik stonden op Cocoa Beach, kijkend naar het noorden in de richting van het Cape Canaveral Air Force Station. We maakten deel uit van een menigte aan zee die zich verzamelde om getuige te zijn van de lancering van NASA's Kepler Space Telescope. Toen de vuurbal verscheen en langzaam begon te stijgen in de verte, juichten we met onze mede-waarnemers. Ongeveer 30 seconden later, we voelden de grond rommelen en hoorden het diepe gebrul, kijken naar de Delta II-raket die de nachtelijke hemel in klimt en accelereert terwijl hij over de oceaan vertrok.

Kepler bracht vervolgens negen jaar door in de verre ruimte op zoek naar galactische buren zoals wij:planeten ter grootte van de aarde die rond zonachtige sterren draaien. Kepler keek naar een stukje van de Melkweg met miljoenen sterren. Het straalde gegevens terug over bijna 200, 000 van hen en vond meer dan 2, 300 exoplaneten - planeten buiten ons zonnestelsel.

"Met gegevens van Kepler, we hebben meer precieze en gedetailleerde informatie dan we ooit eerder hadden, " zegt astrofysicus Eric Ford, die deel uitmaakte van het wetenschappelijke team van Kepler. Ford en zijn collega's van Penn State's Centre for Exoplanets and Habitable Worlds bouwen voort op de erfenis van Evan Pugh-professor Alex Wolszczan, die de eerste bekende exoplaneten in 1992 ontdekte met behulp van enquêtes van instrumenten op de grond. "Kepler vond duizenden planeten, ', zegt Ford. 'Astronomen zouden graag meer over ze willen weten, maar er is niet genoeg telescooptijd. Omdat mensen vooral geïnteresseerd zijn om meer te weten te komen over degenen die op de aarde kunnen lijken, we zijn van plan ons te concentreren op het karakteriseren van planeten in de bewoonbare zones van hun planetaire systemen."

De bewoonbare zone is een gebied binnen een zonnestelsel - een afstand niet te dichtbij en niet te ver van een zon - waar een planeet de voorwaarden zou hebben die nodig zijn om vloeibaar water op het oppervlak te hebben, een belangrijke vereiste voor het bestaan ​​van op koolstof gebaseerd leven zoals wij dat kennen. James Kasting, Evan Pugh hoogleraar Aardwetenschappen, was een van de eerste ontwikkelaars van het concept. De oppervlaktetemperatuur van de planeet moet boven het vriespunt van water en onder het kookpunt liggen. Ook andere voorwaarden spelen een rol, inclusief de massa van de planeet, rotatie, en sfeer. Onder de Kepler-exoplaneten die tot nu toe zijn geanalyseerd, enkele tientallen worden beschouwd als in de bewoonbare zone van hun ster.

Erik Ford, een lid van het wetenschappelijke team van Kepler, bestudeert hoe planeten ontstaan ​​en evolueren, zowel in ons zonnestelsel als in andere. Veel van de door Kepler gevonden systemen zijn heel anders dan de onze, nieuwe vragen oproepen over hoe planetenstelsels zich ontwikkelen en waarom ze in zulke uiteenlopende vormen voorkomen. Het Kepler-instrument is genoemd naar de Duitse astronoom Johannes Kepler, die in het begin van de 17e eeuw drie wetten van planetaire beweging formuleerde.

Hoe een exoplaneet te vinden?

In zijn zoektocht naar exoplaneten, de Kepler-missie gebruikte de transitmethode, met behulp van digitale camera-achtige technologie om kleine dipjes in de helderheid van een ster te detecteren en te meten wanneer een planeet voor de ster langskomt. Met observaties van transiterende planeten, astronomen kunnen de verhouding van de straal van een planeet tot die van zijn ster berekenen - in wezen de grootte van de schaduw van de planeet - en met die verhouding kunnen ze de grootte van de planeet berekenen. "We kennen de grootte van duizenden planeten dankzij de transitmethode, ', zegt Ford.

Hoewel de elektronica op zonne-energie nog lang zou kunnen blijven werken, dit afgelopen najaar, Kepler had geen hydrazinebrandstof meer nodig om zich precies te oriënteren, en NASA trok het ruimtevaartuig uit. Het is nu 94 miljoen mijl afstand, in een baan achter de aarde rond de zon. Maar de missie leverde genoeg gegevens op om astronomen de komende jaren bezig te houden. En nu, een nieuwe NASA-missie breidt Kepler's telling van exoplaneten uit door dichterbij te richten, helderdere sterren.

TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), die afgelopen april werd gelanceerd, scant bijna de hele lucht, een pleister tegelijk, op zoek naar transiterende planeten rond de dichtstbijzijnde sterren. Terwijl de typische sterren die Kepler waarnam, 300 tot 3 waren, 000 lichtjaar verwijderd (één lichtjaar is ongeveer zes biljoen mijl), TESS kijkt naar sterren die slechts tientallen lichtjaren verwijderd zijn. En in plaats van jaren naar één stukje lucht te kijken, zoals Kepler deed, TESS zal zijn zicht van het ene stukje lucht naar het andere verschuiven.

Met behulp van TESS-waarnemingen van helderdere sterren - gemiddeld 30 tot 100 keer helderder dan de sterren die Kepler onderzocht - zullen astronomen planeten nauwkeuriger kunnen inspecteren en gemakkelijker vervolgwaarnemingen kunnen doen. "Met TESS, we concentreren ons op het zoeken naar planeten rond sterren die dichter bij ons staan, omdat we ze efficiënter kunnen karakteriseren, " zegt Ford. Gegevens van TESS zullen informatie verschaffen over de grootte en omlooptijd van een planeet, en vervolgobservaties met andere instrumenten zullen onderzoekers in staat stellen de massa's te meten en de atmosferen van deze planeten te beschrijven.

Maar hoe waardevol de transitmethode ook is voor planetaire studies, het heeft zijn beperkingen. "Transits laten je alleen planeten zien die toevallig kruisen tussen ons en de ster waar we naar kijken, " legt astrofysicus Fabienne Bastien uit. "Radial snelheden stellen ons in staat om planetaire systemen in andere oriëntaties te zien."

Ook wel Doppler-spectroscopie genoemd, de op de grond gebaseerde radiale snelheidsmethode was eigenlijk de eerste techniek om exoplaneten te detecteren die worden gehost door zonachtige sterren. Het is gebaseerd op het feit dat een ster een beetje wiebelt als reactie op de aantrekkingskracht van een om de aarde draaiende planeet. Deze kleine bewegingen beïnvloeden het lichtspectrum van de ster, of kleur handtekening. Als de ster iets weg beweegt van een waarnemer, de golflengte van zijn licht wordt iets langer, verschuiven naar het rode einde van het spectrum. Terwijl de in een baan om de aarde draaiende planeet de ster iets naar de waarnemer trekt, het licht van de ster verschuift naar het blauw. Door herhaalde waarnemingen van veranderingen in het spectrum van de ster, onderzoekers kunnen de massa van de planeet berekenen.

Bastien, wiens onderzoek zich richt op de gaststerren van planetenstelsels, combineert transitgegevens met radiale snelheidsstudies om meer te leren over verre zonnen. "Deze zonnen hebben vlekken en uitbarstingen en allerlei soorten activiteit die een exoplaneetsignaal kunnen nabootsen of maskeren, "zegt ze. "Veel van mijn werk omvat het ontwarren van het planetaire signaal van het stellaire signaal, dus we kunnen bevestigen dat het echt een planeet is die we zien. Penn State is al een krachtpatser op het gebied van radiale snelheid, en ik ben enthousiast over twee nieuwe spectrografen die veel gevoeliger zijn dan wat we tot nu toe hebben gehad en die onze studies drastisch zullen bevorderen."

Deze nieuwe wereldklasse, zeer gevoelige spectrografen, gebouwd door een team van Penn State onder leiding van astrofysicus Suvrath Mahadevan, staan ​​op het punt het radiale snelheidslandschap te veranderen. Ze zullen radiale snelheden extreem nauwkeurig meten om planeten met een lage massa in of nabij de bewoonbare zones van hun sterren te karakteriseren. Eén spectrograaf is ontworpen voor optische studie van nabije zonachtige sterren, en de andere voor het detecteren van koeler, zwakker, sterren met een lagere massa met behulp van infrarood licht.

"I can't wait to use these spectrographs to explore some ideas I have for finding habitable exoplanets, " Bastien says. "I want to start a planet search around some stars that haven't received much attention because they're too noisy—there are complicating factors around them that make them difficult to study. The group here is enthusiastic and collaborative and open to new ideas, so there are all sorts of possibilities."

Fabienne Bastien studies the host stars of planetary systems. It's fairly easy to find a star, but knowing whether it has planets orbiting around it is much harder. Two approaches Bastien uses are the transit method and the radial velocity method.

All planetary systems are not alike

As researchers learn more about potential habitable zones of distant solar systems, they also want to learn about how those systems might have formed and evolved. That's the research focus of astrophysicist Rebekah Dawson. "It's an exciting time because so many new planets have been discovered in other solar systems and they're very different from the planets in our solar system, " she says. "Exoplanet discoveries forced us to change our understanding of solar system and planet formation."

Bijvoorbeeld, Kepler found a lot of planets with sizes between that of Earth and Neptune (about four times Earth's diameter), that are as close to their stars as Mercury is to the Sun, or even closer. "These planets are common in other planetary systems, and we have nothing like them in our solar system, " Dawson says. "So we're going back to the drawing board with some of our theories for how planets form and what happens early in planetary systems, now that we don't have just our solar system to judge these theories against."

Dawson's research on planetary systems can in turn inform and provide context for studies of individual planet formation. By understanding what might have been happening early on in a planetary system, she and her colleagues can develop theories about how planets might form in that system. Bijvoorbeeld, as giant planets gravitationally interact with each other, they could be sending asteroids and comets into regions where terrestrial planets are forming, and that could influence the composition of those planets.

Among Dawson's research interests are hot Jupiters, some of the first exoplanets ever discovered. Similar in mass to our Jupiter, these giant gas planets are much closer to their sun than Jupiter is to our Sun. They complete an orbit in three to four days. "That's not where we expected to find giant gas planets in their solar systems, " Dawson says. "We're trying to understand their origin and how they could be so close to their star. One theory is that after these hot Jupiters formed, they were put into an extremely elliptical orbit that would bring them close to their star, and then tidal friction—tides raised on the Jupiter by the star—caused the orbit to shrink and become more circular.

"I sometimes think of a planetary system as an ecosystem that could support a potentially habitable planet, and we have to understand how the whole thing functions to really understand if that planet is habitable and what its formation history is, " Dawson continues. "When we started to learn about those hot Jupiters and how their orbits might have been altered, that has implications for the rest of the planetary system. If that were happening, it would probably wipe out any planets in between the hot Jupiter and the star, so that region wouldn't be a likely place to find a habitable planet"—even if it's the right distance from the star to be in the habitable zone.

Rebekah Dawson studies how planetary systems formed and evolved. Kepler has revealed that many of the planets in other systems are very different from the planets in our own solar system, and that just because a planet is in a system's habitable zone doesn't mean that it is habitable.

Hoe gaan we verder?

Fabienne Bastien recalls the sense of wonder she felt when, as a graduate student, she heard Kepler scientist Natalie Batalha speak of her own realization that the stars we see at night are more than distant suns. "Now we know that they're not just stars, they're planetary systems, " she says—each one potentially home to habitable worlds.

With everything astronomers have learned about that potential, there's still much that remains a mystery. Current methods are just beginning to characterize the atmospheres of exoplanets and determine whether a planet in the habitable zone might have a surface that is conducive or hostile to life. Recent progress gives scientists a better idea of what questions to ask and what kinds of instruments are needed to address them.

"When astronomers have just discovered a planet, we could say it's potentially habitable, but that is more a statement of our limited knowledge than of the properties of the planet, " Ford says. "We want to design a hypothesis that is testable through observations we're able to make. If we can find 100 rocky planets in the habitable zone and characterize their atmospheres to look for water and biomarkers, then we might find some really fascinating planets—but there's also the possibility that we conclude that none of them are suitable for Earth-like life."

One long-term goal for astronomers is direct detection of exoplanets, rather than having to infer their existence through transit or radial velocity studies. Dawson is now serving on a team laying the groundwork for a Large UV Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), a multi-wavelength space observatory concept being studied by NASA's Goddard Space Flight Center. LUVOIR is envisioned to be a twelve- to fifteen-meter diameter telescope that would operate about a million miles from Earth. It would allow scientists to recognize planets directly, as small bright bodies against the dark of space. Once a planet is identified, other techniques could then be used to measure its mass and examine other important features.

As researchers look to new technologies such as the new spectrographs, LUVOIR, and other future missions, they're optimistic that one day we'll know whether our solar system is a rare phenomenon or if life does indeed exist on other planets.

"If you think about it, it's amazing that Earth has both continents and oceans, as well as an atmosphere and climate that sustain life, " Ford says. "Is that significant? Is it just the right balance? Is Earth a great coincidence or does planet formation often produce similar planets?"

"Before exoplanets were discovered, I think a lot of us expected every planetary system to look like the solar system, or we thought most stars don't have planets, " Dawson adds. "But instead, what we're seeing is that most stars do have planets, and a lot of these planetary systems are very different from our solar system. Does that make the solar system unusual? We don't know yet. Despite our best instruments and technology, we're still only looking in our own little neighborhood of the galaxy.

"Luckily, I don't think we necessarily need to look at all the stars in the galaxy to know whether our solar system is unusual. And every time there's a new mission or a new instrument that can do something different or dramatically improve the quality of data, there's something surprising that keeps us excited."