Satelliet ontwikkeld door MIT heeft tot doel duizenden nabijgelegen exoplaneten te ontdekken, waaronder minstens 50 aardse exemplaren.

Er zijn potentieel duizenden planeten die net buiten ons zonnestelsel liggen - galactische buren die rotsachtige werelden kunnen zijn of dunnere verzamelingen van gas en stof. Waar bevinden deze dichtstbijzijnde exoplaneten zich? En welke van hen zouden we kunnen zoeken naar aanwijzingen voor hun samenstelling en zelfs bewoonbaarheid? De Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) zal als eerste op zoek gaan naar deze nabije werelden.

Het door NASA gefinancierde ruimtevaartuig, niet veel groter dan een koelkast, draagt ​​vier camera's die zijn bedacht, ontworpen, en gebouwd aan het MIT, met één blik met grote ogen:de dichtstbijzijnde, helderste sterren aan de hemel voor tekenen van passerende planeten.

Nutsvoorzieningen, meer dan een decennium sinds MIT-wetenschappers de missie voor het eerst voorstelden, TESS staat op het punt van de grond te komen. Het ruimtevaartuig is gepland om te lanceren op een SpaceX Falcon 9-raket vanaf Cape Canaveral Air Force Station in Florida, niet eerder dan 16 april om 18:32 uur EDT.

TESS zal twee jaar lang bijna de hele hemel scannen - een gezichtsveld dat meer dan 20 miljoen sterren kan omvatten. Wetenschappers verwachten dat duizenden van deze sterren transiterende planeten zullen herbergen, die ze hopen te detecteren door middel van foto's gemaakt met de camera's van TESS.

Te midden van deze extrasolaire overvloed, het TESS-wetenschappelijke team van MIT wil de massa's meten van ten minste 50 kleine planeten waarvan de stralen minder dan vier keer zo groot zijn als die van de aarde. Veel van de planeten van TESS zouden zo dicht bij de onze moeten zijn dat, zodra ze zijn geïdentificeerd door TESS, wetenschappers kunnen erop inzoomen met andere telescopen, sferen detecteren, kenmerken van atmosferische omstandigheden, en zoek zelfs naar tekenen van bewoonbaarheid.

"TESS is een soort verkenner, " zegt Natalia Guerrero, plaatsvervangend manager van TESS Objects of Interest, een door MIT geleide inspanning die objecten zal catalogiseren die zijn vastgelegd in TESS-gegevens en die mogelijke exoplaneten kunnen zijn.

"We zijn op deze schilderachtige tocht door de hele lucht, en in sommige opzichten hebben we geen idee wat we zullen zien, " zegt Guerrero. "Het is alsof we een schatkaart maken:hier zijn al deze coole dingen. Nutsvoorzieningen, ga ze achterna."

een zaadje, geplant in de ruimte

De oorsprong van TESS kwam voort uit een nog kleinere satelliet die werd ontworpen en gebouwd door MIT en op 9 oktober door NASA in de ruimte werd gelanceerd. 2000. De High Energy Transient Explorer 2, of HETE-2, cirkelde zeven jaar rond de aarde, op een missie om gammastraaluitbarstingen te detecteren en te lokaliseren - hoogenergetische explosies die enorme, vluchtige uitbarstingen van gamma- en röntgenstralen.

Om zo'n extreem te detecteren, kortstondige verschijnselen, wetenschappers van het MIT, onder leiding van hoofdonderzoeker George Ricker, geïntegreerd in de satelliet een reeks optische en röntgencamera's uitgerust met CCD's, of oplaadgekoppelde apparaten, ontworpen om intensiteiten en posities van licht in een elektronisch formaat vast te leggen.

"Met de komst van CCD's in de jaren zeventig, je had dit fantastische apparaat ... dat veel dingen gemakkelijker maakte voor astronomen, " zegt HETE-2 teamlid Joel Villasenor, die nu ook instrumentwetenschapper is voor TESS. "Je somt gewoon alle pixels op een CCD op, die je de intensiteit geeft, of omvang, van licht. Dus CCD's hebben de astronomie echt opengebroken."

In 2004, Ricker en het HETE-2-team vroegen zich af of de optische camera's van de satelliet andere objecten in de lucht konden oppikken die de astronomiegemeenschap begonnen aan te trekken:exoplaneten. Rond deze tijd, slechts een handvol planeten buiten ons zonnestelsel was ontdekt. Deze werden gevonden met een techniek die bekend staat als de transitmethode, waarbij wordt gekeken naar periodieke dips in het licht van bepaalde sterren, wat een signaal kan zijn voor een planeet die voor de ster passeert.

"We dachten, was de fotometrie van de camera's van HETE-2 voldoende om naar een deel van de lucht te wijzen en een van deze dalen te detecteren? Onnodig te zeggen, het werkte niet precies, " herinnert Villasenor zich. "Maar dat was een soort zaad dat ons aan het denken zette, misschien moeten we proberen met CCD's met een camera te vliegen om deze dingen te detecteren."

Een pad, gewist

In 2006, Ricker en zijn team bij MIT stelden een kleine, goedkope satelliet (HETE-S) naar NASA als een missie in de Discovery-klasse, en later als een particulier gefinancierde missie voor $ 20 miljoen. Maar aangezien de kosten van en interesse in, een all-sky exoplaneet onderzoek groeide, ze besloten in plaats daarvan NASA-financiering te zoeken, op een hoger niveau van $ 120 miljoen. In 2008, ze dienden een voorstel in voor een NASA Small Explorer (SMEX) Class Mission met de nieuwe naam:TESS.

Momenteel, het satellietontwerp omvatte zes CCD-camera's, en het team stelde voor dat het ruimtevaartuig in een lage baan om de aarde vliegt, vergelijkbaar met die van HETE-2. Zo'n baan, zij redeneerden, moet de efficiëntie relatief hoog blijven observeren, omdat ze al data-ontvangende grondstations voor HETE-2 hadden gebouwd die ook voor TESS konden worden gebruikt.

Maar ze realiseerden zich al snel dat een lage baan om de aarde een negatief effect zou hebben op de veel gevoeligere camera's van TESS. De reactie van het ruimtevaartuig op het aardmagnetisch veld, bijvoorbeeld, kan leiden tot aanzienlijke "jitter van ruimtevaartuigen, " het produceren van geluid dat de veelbetekenende dip van een exoplaneet in het sterrenlicht verbergt.

NASA omzeilde dit eerste voorstel, en het team ging terug naar de tekentafel, dit keer met een nieuw plan dat afhangt van een volledig nieuwe baan. Met de hulp van ingenieurs van NASA's Goddard Space Flight Center en de Aerospace Corporation, het team identificeerde een nooit eerder gebruikte "maan-resonante" baan die het ruimtevaartuig extreem stabiel zou houden, terwijl het een volledig uitzicht op de lucht geeft.

Zodra TESS deze baan bereikt, het zal slingeren tussen de aarde en de maan op een zeer elliptisch pad dat TESS tientallen jaren in een baan zou kunnen houden, geleid door de aantrekkingskracht van de maan.

"De maan en de satelliet zijn in een soort dans, "zegt Villasenor. "De maan trekt de satelliet aan één kant, en tegen de tijd dat TESS een baan heeft voltooid, de maan aan de andere kant trekt in de tegenovergestelde richting. Het algehele effect is dat de aantrekkingskracht van de maan wordt geëgaliseerd, en het is een zeer stabiele configuratie gedurende vele jaren. Niemand heeft dit eerder gedaan, en ik vermoed dat andere programma's deze baan later zullen proberen te gebruiken."

In het huidige geplande traject, TESS zal minder dan twee weken naar de maan zwaaien, informatie verzamelen, zwaai dan terug naar de aarde waar, op zijn dichtste benadering, het zal de gegevens terugsturen naar grondstations van 67, 000 mijl boven het oppervlak voordat hij weer naar buiten slingert. uiteindelijk, deze baan zal TESS een enorme hoeveelheid brandstof besparen, omdat het zijn stuwraketten niet regelmatig hoeft te verbranden om op zijn pad te blijven.

Met deze vernieuwde baan, het TESS-team diende in 2010 een tweede voorstel in dit keer als een missie in de Explorer-klasse, die NASA in 2013 goedkeurde. Het was rond deze tijd dat de Kepler Space Telescope zijn oorspronkelijke onderzoek naar exoplaneten beëindigde. het observatorium, die in 2009 werd gelanceerd staarde vier jaar lang naar een specifiek stukje lucht, om het licht van verre sterren te controleren op tekenen van transiterende planeten.

tegen 2013 twee van de vier reactiewielen van Kepler waren versleten, voorkomen dat het ruimtevaartuig zijn oorspronkelijke onderzoek voortzet. Op dit punt, de metingen van de telescoop hadden de ontdekking van bijna 1 mogelijk gemaakt 000 bevestigde exoplaneten. Kepler, ontworpen om verre sterren te bestuderen, maakte de weg vrij voor TESS, een missie met een veel bredere blik, om de dichtstbijzijnde sterren bij de aarde te scannen.

"Kepler ging naar boven, en was dit een groot succes, en onderzoekers zeiden:'We kunnen dit soort wetenschap doen, en overal zijn planeten, " zegt TESS-lid Jennifer Burt, een MIT-Kavli-postdoc. "En ik denk dat dat echt het wetenschappelijke selectievakje was dat we nodig hadden voor NASA om te zeggen:'Oke, TESS is nu heel logisch.' Het zal niet alleen het detecteren van planeten mogelijk maken, maar planeten vinden die we achteraf grondig kunnen karakteriseren."

Strepen in de lucht

Met de selectie door NASA, het TESS-team zette faciliteiten op de campus en in het Lincoln Laboratory van MIT op om de camera's van het ruimtevaartuig te bouwen en te testen. De ingenieurs ontwierpen "deep depletion" CCD's speciaal voor TESS, wat betekent dat de camera's licht kunnen detecteren over een breed bereik van golflengten tot aan het nabij-infrarood. Dit is belangrijk, aangezien veel van de nabije sterren die TESS zal volgen rode dwergen zijn - kleine, koele sterren die minder fel uitstralen dan de zon en in het infrarode deel van het elektromagnetische spectrum.

Als wetenschappers periodieke dips in het licht van zulke sterren kunnen detecteren, dit kan wijzen op de aanwezigheid van planeten met aanzienlijk strakkere banen dan die van de aarde. Hoe dan ook, bestaat de kans dat sommige van deze planeten zich binnen de "bewoonbare zone" bevinden, " omdat ze veel koelere sterren zouden omcirkelen, vergeleken met de zon. Aangezien deze sterren relatief dichtbij zijn, wetenschappers kunnen vervolgobservaties doen met telescopen op de grond om te bepalen of de omstandigheden inderdaad geschikt zijn voor leven.

De camera's van TESS zijn bovenop de satelliet gemonteerd en omgeven door een beschermende kegel om ze te beschermen tegen andere vormen van elektromagnetische straling. Elke camera heeft een zicht van 24 bij 24 graden op de lucht, groot genoeg om het sterrenbeeld Orion te omvatten. De satelliet begint zijn waarnemingen op het zuidelijk halfrond en verdeelt de lucht in 13 strepen, het monitoren van elk segment gedurende 27 dagen voordat het naar het volgende gaat. TESS zou in het eerste jaar bijna de hele lucht op het zuidelijk halfrond moeten kunnen observeren, voordat hij in zijn tweede jaar naar het noordelijk halfrond ging.

Terwijl TESS naar een streep van de lucht wijst, zijn camera's zullen foto's maken van de sterren in dat gedeelte. Ricker en zijn collega's hebben een lijst gemaakt van 200, 000 in de buurt, heldere sterren die ze vooral zouden willen observeren. De camera's van de satelliet zullen "postzegel"-afbeeldingen maken met pixels rond elk van deze sterren. Deze beelden worden om de twee minuten gemaakt, om de kans op het vangen van het moment dat een planeet voor zijn ster kruist zo groot mogelijk te maken. De camera's zullen ook full-frame beelden maken van alle sterren in een bepaalde streep van de lucht, elke 30 minuten.

"Met de foto's van twee minuten, je kunt een filmachtig beeld krijgen van wat het sterlicht aan het doen is terwijl de planeet voor zijn moederster langsgaat, " zegt Guerrero. "Voor de beelden van 30 minuten, mensen zijn enthousiast over het misschien zien van supernova's, asteroïden, of tegenhangers van zwaartekrachtgolven. We hebben geen idee wat we op die tijdschaal gaan zien."

Zijn we alleen?

Nadat TESS is gelanceerd, het team verwacht dat de satelliet binnen de eerste week weer contact zal maken, waarin het al zijn instrumenten en camera's zal inschakelen. Vervolgens, er zal een inbedrijfstellingsfase van 60 dagen zijn, terwijl ingenieurs van NASA en MIT de instrumenten kalibreren en het traject en de prestaties van de satelliet volgen. Daarna, TESS begint met het verzamelen en downlinken van beelden van de lucht. Wetenschappers van MIT en NASA zullen de onbewerkte gegevens gebruiken en deze omzetten in lichtcurven die de veranderende helderheid van een ster in de loop van de tijd aangeven.

Vanaf daar, het TESS Wetenschapsteam, waaronder Sara Seager, de klasse van 1941 hoogleraar aarde, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen, en adjunct-directeur van de wetenschap voor TESS, zal door duizenden lichtbogen kijken, voor ten minste twee soortgelijke dips in sterrenlicht, wat aangeeft dat een planeet misschien twee keer voor zijn ster is gepasseerd. Seager en haar collega's zullen vervolgens een reeks methoden gebruiken om de massa van een potentiële planeet te bepalen.

"Mass is a defining planetary characteristic, " Seager says. "If you just know that a planet is twice the size of Earth, it could be a lot of things:a rocky world with a thin atmosphere, or what we call a "mini-Neptune"—a rocky world with a giant gas envelope, where it would be a huge greenhouse blanket, and there would be no life on the surface. So mass and size together give us an average planet density, which tells us a huge amount about what the planet is."

During TESS's two-year mission, Seager and her colleagues aim to measure the masses of 50 planets with radii less than four times that of Earth—dimensions that could signal further observations for signs of habitability. In de tussentijd, the whole scientific community and public will get a chance to search through TESS data for their own exoplanets. Once the data are calibrated, the team will make them publicly available. Anyone will be able to download the data and draw their own interpretations, including high school students, armchair astronomers, and other research institutions.

With so many eyes on TESS'S data, Seager says there's a chance that, some day, a nearby planet discovered by TESS might be found to have signs of life.

"There's no science that will tell us life is out there right now, except that small rocky planets appear to be incredibly common, " Seager says. "They appear to be everywhere we look. So it's got to be there somewhere."

TESS is a NASA Astrophysics Explorer mission led and operated by MIT in Cambridge, Massachusetts, en beheerd door NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. George Ricker of MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research serves as principal investigator for the mission. Additional partners include Orbital ATK, NASA's Ames Research Center, het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, and the Space Telescope Science Institute. More than a dozen universities, Onderzoeksinstituten, and observatories worldwide are participants in the mission.