NASA's Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) zal zoeken naar planeten buiten ons zonnestelsel in de richting van het centrum van ons Melkwegstelsel, waar de meeste sterren zijn. Het bestuderen van de eigenschappen van exoplaneetwerelden zal ons helpen begrijpen hoe planetaire systemen in de melkweg eruit zien en hoe planeten zich vormen en evolueren.

Door de bevindingen van WFIRST te combineren met resultaten van NASA's Kepler en Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) missies, zal de eerste planeettelling worden voltooid die gevoelig is voor een breed scala aan planeetmassa's en banen, brengt ons een stap dichter bij het ontdekken van bewoonbare aardachtige werelden buiten de onze.

Daten, astronomen hebben de meeste planeten gevonden wanneer ze voor hun moederster passeren in gebeurtenissen die transits worden genoemd, die het licht van de ster tijdelijk dimmen. WFIRST-gegevens kunnen ook transits detecteren, maar de missie zal in de eerste plaats letten op het tegenovergestelde effect:kleine stralingsgolven geproduceerd door een lichtbuigend fenomeen dat microlensing wordt genoemd. Deze gebeurtenissen komen veel minder vaak voor dan transits omdat ze afhankelijk zijn van de toevallige uitlijning van twee ver van elkaar verwijderde en niet-verwante sterren die door de ruimte drijven.

"Microlenssignalen van kleine planeten zijn zeldzaam en kort, maar ze zijn sterker dan de signalen van andere methoden, " zei David Bennett, die de zwaartekracht-microlensgroep leidt bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Omdat het een evenement van één op een miljoen is, de sleutel tot het voor de EERSTE vinden van planeten met een lage massa is om honderden miljoenen sterren te doorzoeken."

In aanvulling, microlensing is beter in het vinden van planeten in en buiten de bewoonbare zone - de baanafstanden waar planeten vloeibaar water op hun oppervlak kunnen hebben.

Microlens 101

Dit effect treedt op wanneer licht in de buurt van een massief object komt. Alles met massa vervormt het weefsel van ruimte-tijd, een beetje zoals de deuk die een bowlingbal maakt als hij op een trampoline wordt geplaatst. Licht reist in een rechte lijn, maar als ruimte-tijd wordt gebogen - wat gebeurt in de buurt van iets enorms, als een ster:licht volgt de curve.

Elke keer dat twee sterren vanuit ons gezichtspunt nauw op één lijn liggen, licht van de verder weg gelegen ster buigt terwijl het door de vervormde ruimtetijd van de dichterbij gelegen ster reist. Dit fenomeen, een van de voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie, werd beroemd bevestigd door de Britse natuurkundige Sir Arthur Eddington tijdens een totale zonsverduistering in 1919. Als de uitlijning bijzonder dichtbij is, de dichtstbijzijnde ster werkt als een natuurlijke kosmische lens, het focussen en intensiveren van het licht van de achtergrondster.

Planeten die rond de voorgrondster draaien, kunnen ook het lenslicht wijzigen, fungeren als hun eigen kleine lenzen. Door de vervorming die ze veroorzaken, kunnen astronomen de massa van de planeet en de afstand tot zijn moederster meten. Zo gaat WFIRST microlensing inzetten om nieuwe werelden te ontdekken.

Vertrouwde en exotische werelden

"Proberen de planeetpopulaties van vandaag te interpreteren, is als proberen een afbeelding te interpreteren waarvan de helft bedekt is, " zei Matthew Penny, een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan de Louisiana State University in Baton Rouge, die een onderzoek leidde om de mogelijkheden van WFIRST op het gebied van microlensonderzoek te voorspellen. "Om volledig te begrijpen hoe planetenstelsels ontstaan, moeten we planeten van alle massa's op alle afstanden vinden. Geen enkele techniek kan dit doen, maar het microlensonderzoek van WFIRST, gecombineerd met de resultaten van Kepler en TESS, zal veel meer van het beeld onthullen."

Meer dan 4, 000 bevestigde exoplaneten zijn tot nu toe ontdekt, maar slechts 86 werden gevonden via microlensing. De technieken die gewoonlijk worden gebruikt om andere werelden te vinden, zijn gericht op planeten die vaak heel anders zijn dan die in ons zonnestelsel. De transitmethode, bijvoorbeeld, is het beste in het vinden van sub-Neptunus-achtige planeten met banen die veel kleiner zijn dan die van Mercurius. Voor een zonnestelsel als het onze, transitstudies zouden elke planeet kunnen missen.

Het microlensonderzoek van WFIRST zal ons helpen analogen te vinden voor elke planeet in ons zonnestelsel behalve Mercurius, wiens kleine baan en lage massa samen zorgen dat het buiten het bereik van de missie komt. WFIRST zal planeten vinden die de massa van de aarde hebben en zelfs kleiner - misschien zelfs grote manen, zoals Jupiters maan Ganymedes.

WFIRST zal planeten vinden in andere slecht bestudeerde categorieën, te. Microlensing is het meest geschikt om werelden te vinden vanaf de bewoonbare zone van hun ster en verder weg. Dit omvat ijsreuzen, zoals Uranus en Neptunus in ons zonnestelsel, en zelfs schurkenplaneten - werelden die vrij door de melkweg zwerven, ongebonden aan sterren.

Terwijl ijsreuzen een minderheid vormen in ons zonnestelsel, een onderzoek uit 2016 gaf aan dat ze misschien wel de meest voorkomende soort planeet in de melkweg zijn. WFIRST zal die theorie op de proef stellen en ons helpen een beter begrip te krijgen van welke planetaire kenmerken het meest voorkomen.

Verborgen juweeltjes in de galactische kern

WFIRST zal regio's van de melkweg verkennen die nog niet systematisch zijn doorzocht op exoplaneten vanwege de verschillende doelen van eerdere missies. Kepler, bijvoorbeeld, zocht een bescheiden gebied van ongeveer 100 vierkante graden met 100, 000 sterren op typische afstanden van ongeveer duizend lichtjaar. TESS scant de hele lucht en volgt 200, 000 sterren, hun typische afstanden zijn echter ongeveer 100 lichtjaar. WFIRST zoekt ongeveer 3 vierkante graden, maar zal 200 miljoen sterren volgen op een afstand van ongeveer 10, 000 lichtjaren.

Aangezien WFIRST een infraroodtelescoop is, het zal dwars door de stofwolken heen kijken die andere telescopen blokkeren om planeten in het drukke centrale gebied van onze melkweg te bestuderen. De meeste microlensobservaties op de grond tot nu toe waren in zichtbaar licht, waardoor het centrum van de melkweg grotendeels onbekend exoplaneetgebied is. Een microlensonderzoek dat sinds 2015 is uitgevoerd met behulp van de United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT) op Hawaï, effent de weg voor de exoplanetentelling van WFIRST door de regio in kaart te brengen.

De UKIRT-enquête levert de eerste metingen van de snelheid van microlensing-gebeurtenissen naar de kern van de melkweg, waar de sterren het dichtst zijn geconcentreerd. De resultaten zullen astronomen helpen bij het kiezen van de uiteindelijke observatiestrategie voor de microlens-inspanningen van WFIRST.

Het meest recente doel van het UKIRT-team is het detecteren van microlensing-gebeurtenissen met behulp van machine learning, wat van vitaal belang zal zijn voor WFIRST. De missie zal zo'n enorme hoeveelheid gegevens produceren dat het onpraktisch zal zijn om er alleen met het oog doorheen te kammen. Het stroomlijnen van de zoekopdracht vereist geautomatiseerde processen.

Aanvullende UKIRT-resultaten wijzen op een observatiestrategie die de meest microlensing-gebeurtenissen zal onthullen, terwijl de dikste stofwolken worden vermeden die zelfs infraroodlicht kunnen blokkeren.

"Ons huidige onderzoek met UKIRT legt de basis zodat WFIRST het eerste op de ruimte gebaseerde specifieke microlensonderzoek kan uitvoeren, " zei Savannah Jacklin, een astronoom aan de Vanderbilt University in Nashville, Tennessee die verschillende UKIRT-onderzoeken heeft geleid. "Eerdere exoplaneetmissies hebben onze kennis van planetaire systemen uitgebreid, en WFIRST zal ons een gigantische stap dichter brengen bij het werkelijk begrijpen hoe planeten - met name die binnen de bewoonbare zones van hun gastheersterren - zich vormen en evolueren."

Van bruine dwergen tot zwarte gaten

Hetzelfde microlensonderzoek dat duizenden planeten zal onthullen, zal ook honderden andere bizarre en interessante kosmische objecten detecteren. Wetenschappers zullen in staat zijn om vrij zwevende lichamen te bestuderen met massa's variërend van die van Mars tot 100 keer die van de zon.

De lage kant van het massabereik omvat planeten die werden uitgeworpen door hun gastheersterren en nu door de melkweg zwerven als schurkenplaneten. De volgende zijn bruine dwergen, die te massief zijn om als planeten te worden gekarakteriseerd, maar niet helemaal massief genoeg om als sterren te ontbranden. Bruine dwergen schijnen niet zichtbaar als sterren, maar WFIRST zal ze in infrarood licht kunnen bestuderen door de warmte die overblijft na hun vorming.

Objecten aan de hogere kant zijn onder meer stellaire lijken - neutronensterren en zwarte gaten - die worden achtergelaten wanneer massieve sterren hun brandstof opgebruiken. Door ze te bestuderen en hun massa te meten, kunnen wetenschappers meer begrijpen over de doodsstrijd van sterren, terwijl ze een telling van zwarte gaten met stellaire massa mogelijk maken.

"Het microlensonderzoek van WFIRST zal niet alleen ons begrip van planetaire systemen vergroten, " zei Penny, "het zal ook een hele reeks andere studies mogelijk maken van de variabiliteit van 200 miljoen sterren, de structuur en vorming van de innerlijke Melkweg, en de populatie van zwarte gaten en andere donkere, compacte objecten die op een andere manier moeilijk of onmogelijk te bestuderen zijn."

De FY2020 Consolidated Appropriations Act financiert het WFIRST-programma tot en met september 2020. Het budgetverzoek voor FY2021 stelt voor om de financiering voor de WFIRST-missie stop te zetten en zich te concentreren op de voltooiing van de James Webb Space Telescope, nu gepland voor lancering in maart 2021. De regering is niet klaar om verder te gaan met een nieuwe telescoop van meerdere miljarden dollars totdat Webb met succes is gelanceerd en ingezet.