https://frosthead.com

Planeedi jahimehed

Californias San Jose lähedal Licki observatooriumis on astronoomia jaoks keeruline väljakutse. Ränioru tuled säravad Hamiltoni mäe 4200-jalasest tippkohtumisest allpool, pestes välja kõige õhemad tähed. Pilved triivivad põhjast lähemale vihmaohuga. Mäetipus on kümme teleskoobi kuplit ja ma kõnnin järsust sõiduteest üles suurima poole. Kõlab kohmav heli, nagu tuule käes urisev lahtine aknaluuk. See on kuppel ise, krigisedes pöörledes, et hoida selle ava keskel aeglaselt liikuva teleskoobi kohal.

Seotud sisu

  • Elu ehitusplokid võisid olla pärit kosmosest
  • Mida tähendab sadade uute planeetide avastamine astronoomia ja filosoofia jaoks
  • Vaata, geminiidid

San Francisco Riikliku Ülikooli (SFSU) astronoom Chris McCarthy tervitab mind küljeuksest. Kandes väikest valgust peas, viib ta mind läbi kupli siseruumide metallist treppidest üles, öösel vaatluste jaoks pimedas tumedaks ja soojasse kontrollruumi. Seal istuvad SFSU vanem Howard Isaacson ja teleskoobitehnik Keith Baker arvutiekraanidel paksu kaablikimpude ja vananenud elektroonika riiulite keskel. McCarthy ja Isaacson vestlevad ja joovad kuuma teed, samal ajal kui Baker kasutab teleskoobi reguleerimiseks oma arvutihiirt. Enne koitu koguvad astronoomid valgust kümnetest tähtedest. Mõni täht loodab, et neil on uusi maailmu.

Ajastul, mil roverid uurivad Marsi ja kosmosepõhiseid teleskoope, mis teevad Maa atmosfääri ülaosast pimestavaid pilte kosmosest, tunneb Lickis toimuv rutiin - 47-aastane teleskoop tähega tähe alla tundide kaupa otsa - pigem pigem omapärane. Kuid need astronoomid kuuluvad meeskonda, mis on planeedi jahiäris parim. Kasutades Hawaiil, Tšiilis ja Austraalias, samuti Licki observatooriumis asuvaid teleskoope, et jälgida umbes 2000 tähte - enamik neist on vaiksed ja keskealised nagu meie päike ja Maale piisavalt lähedal, et suured teleskoobid saaksid nendest selge ülevaate liikumised - meeskond on leidnud umbes kaks kolmandikku umbes 200-st planeedist, mis seni avastatud väljaspool meie päikesesüsteemi. (Hiljutine keskpunkt selle kohta, kuidas meie päikesesüsteemis planeeti määratleda, ei ole nende kaugete objektide planeedistaatust ohustanud.)

Mõned äsja asustatud ekstrasolaarsetest planeetidest või eksoplaneetidest, nagu neid nimetatakse, on Jupiteri suurusega hiiglaslikud maailmad, mis tiirlevad nende tähtedel tihedatel röstvatel orbiitidel, palju lähemal kui Merkuuri orbiit päikese ümber. Teised libisevad oma tähtede lähedale ja liiguvad siis munakujulistel radadel laiali, sirutades laiali väiksemaid kehasid. Mõned vastsündinud planeedid põgenevad oma õdede-vendade planeedid tulise hukatuse või kosmose sügavusse.

Kusagil pole näha - vähemalt mitte veel - sellist päikesesüsteemi nagu meie, kus päikese lähedal asuvad kindlad planeedid ja kaugemal asuvad korrapäraste protsessioonidega gaasi hiiglaslikud planeedid. Selline süsteem on Maa-suguse kivise planeedi jaoks kõige tõenäolisem koht, kus püsima jääda stabiilsel orbiidil miljardeid aastaid. Võib-olla on see paradoksaalne, kuid astronoomid, kes otsivad elumärke mujalt kosmosest - otsimine, mis jäljendab eksoplaneetide otsimist - otsivad planeete ja päikesesüsteeme pigem meie moodi kui planeeti, mis pole tähest liiga kaugel ega liiga lähedal ja võib-olla veega selle pinnal. California meeskonna sõnul on Maa-sarnaste planeetide leidmine vaid aja küsimus.

Eksoplaneetide uurimine on ju ikkagi väga uus. Varem kui kümme aastat tagasi arvasid astronoomid, et neid on võimatu näha nende tähtede särava sära taustal. Nii püüdsid mõned astronoomid leida eksoplaneete, otsides tähti, mis näisid võbelevat, nende ümber tiirlevate nähtamatute kehade raskuse tõttu. Kuid enamik eksperte kahtles, kas lähenemisviis töötab. "Inimesed arvasid, et planeetide otsimine on väärtusetu, " ütleb McCarthy. "See oli üks samm maavälise luure otsimise kohal ja see oli üks samm kõrgemal, kui tulnukad röövisid. Nüüd on see 20. sajandi üks suurimaid teaduse edusamme."

Esimene eksoplaneet, mille 1995. aastal avastasid Šveitsis Genfi ülikoolist Michel Mayor ja Didier Queloz, oli Jupiteri suurusest hiiglaslik objekt, mis keerles iga nelja päeva tagant meie päikesega sarnase tähe ümber. Täht Pegasuse tähtkujus asub umbes 50 valgusaasta kaugusel. Rohkem "kuumade Jupiterite" või tähtede lähedal tiirlevate hiiglaslike gaasiliste planeetide pinnale kerkib kiiresti, kui ainult sellepärast, et need suured kehad suruvad oma vanematele tähtedele kõige enam väljendunud võnkeid.

Ehkki astronoomid pole neid planeete otseselt jälginud, järeldavad nad, et nad on oma suure suuruse ja planeedi moodustumise osas teadaolevalt gaasilised. Tähte ümbritsevates suurtes tolmu- ja gaasiketastes koguneb praht välja. Kui see jõuab teatud suuruseni - 10–15 korda suurem kui Maa -, avaldab see sellist gravitatsioonilist tõmmet ja imeb sisse nii palju gaasi, et sellest saab gaasihiiglane.

Mõõtmismeetodite täiustamisel märkasid astronoomid järk-järgult väiksemaid planeete - kõigepealt Saturni suurust, seejärel Neptuuni ja Uraani. Pärast mõneaastast eksoplaneetide määramist nägid teadlased paljulubavat suundumust: kuna nende tuvastatavad suurused muutusid väiksemaks, oli neid üha rohkem. Protsess, mis planeete ehitab, näib eelistavat pisemaid, mitte titaane.

Viimase poolteise aasta jooksul avastasid California meeskond ja teadlaste juhitud grupp Pariisis väikseimad eksoplaneedid, mida on päikesetaoliste tähtede ümber seni nähtud: kaks planeeti olid Maa massist vaid viis kuni kaheksa korda suuremad. Astronoomide sõnul võivad sellised maailmad koosneda enamasti metallist ja kivist, võib-olla paksu atmosfääriga. California ülikooli Berkeley astronoomi Geoff Marcy ja tema kolleegide leitud eksoplaneet on oma tähe lähedal ja tõenäoliselt liiga kuum, et selle pinnal oleks vedelikku. Teine planeet tiirleb nõrgast tähest kaugel ja võib olla sama külm kui Pluuto. Sellele vaatamata oli põllule orientiiriks õppimine, et mitte kõik eksoplaneedid pole hiiglaslikud gaasipallid. "Need on esimesed usutavalt kivised maailmad, " ütleb Marcy. "Esmakordselt oleme hakanud oma planeedi sugulust tähtede hulgast avastama."

Siiani kõige üllatuslikumaks eksoplaneetide tunnuseks on Marcy sõnul ühel päeval oma kabinetis Berkeley ülikoolilinnakus nende ebaharilikud orbiidid. Meie päikesesüsteemi klassikalises "ülevaates" diagrammis jälgivad planeedid (välja arvatud paaritu palli Pluuto, hiljuti asustatud kääbusplaneediks) Päikese ümber 40 kontsentrilist ringi. Marcy ulatub oma ilusa laua taha ja võtab välja arreteerimise, meie päikesesüsteemi mehaanilise mudeli. Päikese ümber pöörlevate spindlivarraste otstes metallkuulid. "Me kõik eeldasime, et näeme neid fonograafi-soone ümmargusi orbiite, " ütleb Marcy. "Seda ütlesid õpikud planeedisüsteemide kohta. Nii et kui me 1996. aastal esmakordselt ekstsentrilisi orbiite hakkasime nägema, ütlesid inimesed, et nad ei saa olla planeedid. Kuid need osutusid tulevaste asjade esilekutsujaks."

Vahetult pärast südaööd Licki observatooriumis teevad astronoomid häid edusamme öise 40-tärnise kontrollnimekirja osas. Nende sihtmärgid pole tavaliselt tähtkujude suuremad tähed, kuid isegi nii on paljud palja silmaga nägemiseks piisavalt heledad. "Kui olen sõpradega väljas, võin osutada paarile tähekesele, et meie teada on planeete, " räägib Howard Isaacson. Ühel eriti säraval tähel Andromeda tähtkujus on kolm.

McCarthy pakub välja meeskonna edu saladuse eksoplaneetide luuramisel. Jalutame pimedasse kuplisse ja läheme mööda teleskoobi alt läbi, selle kümne jala laiuse peegli abil, mis kogub ja fokusseerib kaugetest tähtedest paistvaid nõrku valguskiiri. Ma olin näinud päevasel ringreisil massiivset teleskoopi, kuid öösel näib see palju elulisem, selle paks metallist kang on nurga all nagu taeva poole vaatava kõrge palvetava mantis jalad. McCarthy viib mind kupli põranda all olevasse kitsikusse ruumi, kus teleskoobi peegli poolt kontsentreeritud tähevalgus voolab silindrisse, mis on väiksem kui soodapurk. See on pakitud sinisesse vahtu, mille mõlemad otsad on klaasiga. See tundub seest tühi, kuid mulle öeldakse, et see on täis joodgaasi, mis on kuumutatud temperatuurini 122 kraadi Fahrenheiti.

Selle joodiraku töötasid välja Marcy ja tema endine õpilane Paul Butler, nüüdne Washingtoni Carnegie Instituudi astronoom. Kui tähelt väljuv valgus läbib kuuma gaasi, neelavad joodimolekulid teatud valguse lainepikkusi. Ülejäänud valgus jaotatakse vikerkaareks prisma moodi toimiva instrumendi abil. Kuna jood on lahutanud valguse bitti, on tumedad jooned spektris laiali nagu pikk supermarketi vöötkood. Igal tähel on oma signaal valguse lainepikkustele, mille tähe atmosfäär on neelanud. Need lainepikkused nihkuvad veidi, kui täht liigub meie poole või meist eemale. Astronoomid võrdlevad tähe enda tumedate joonte allkirja stabiilsete joodijoontega ühest õhtust teise ning kuust kuusse ja aastast aastasse. Kuna peenikesi jooni on nii palju, on võimalik tuvastada isegi minuti nihkeid. "See on nagu tähe hoidmine graafikapaberitüki külge, " ütleb McCarthy. "Joodijooned ei liigu kunagi. Nii et kui täht liigub, kasutame joodijooni joonlauana, mille abil seda liikumist mõõta."

Tähe jaoks nii suure kui täht, ainsad asjad, mis võivad korrapärast korduvat nihet põhjustada, on teise tähe gravitatsioonipuksiirid - mida astronoomid võisid hõlpsasti tuvastada kaaslase tähe enda kerge allkirja ja selle kopsaka massi tõttu - või varjatud planeedi, mis tiirleb selle ümber. Joodirakk suudab jälgida tähte, mis liigub sama aeglaselt kui mitu jalga sekundis - inimese kõndimiskiirus - läbi triljonite miilide kosmose tohutu tühjuse. Selle tundlikkuse tõttu kasutavad paljud planeedi jahimeeskonnad joodiraku.

Peerin selle sees ja näen, et sinise vahu kaudu kipuvad kortsus foolium ja küttetraadid. Tundub, et kanalilindi ribad hoiavad selle osi koos. Pärast kontrollruumi naasmist muheleb McCarthy ja osutab Keith Bakeri higisärgi hüüdlausele: "Kui minek muutub raskeks, kasutage karmi kanalilinti."

Mida kummalisema kujuga ja veidra vahega orbiidid astronoomid leiavad, seda enam saavad nad aru, et planeedi moodustumise loomulik protsess kutsub esile kaose ja korralageduse. "Sai selgeks, et meie päikesesüsteem koos oma ilusa dünaamika ja arhitektuuriga oli palju stabiilsem kui teiste tähtede ümbruses, " ütleb Santa Cruzi California ülikooli teoreetiline astrofüüsik Greg Laughlin, kes teeb koostööd Marcy ja Butleri meeskonnaga. Proovida aru saada, kuidas uued planeedid oma veidrad rajad omandasid, on olnud hirmutav ülesanne. Laughlin kujundab eksoplaneedi orbiitide arvutimudelid, et proovida planeetide ajalugu uuesti luua ja nende saatusi ennustada. Ta keskendub raskuse mõjutamisele laastavalt. Näiteks kui suur planeet liigub ekstsentrilisel orbiidil, võib selle raskusjõud toimida nagu pildil ja põgeneda väiksemate läheduses asuvate maailmade eest. "Mõnes neist süsteemidest, " ütleb Laughlin, "kui sisestate Maa-suguse planeedi elamiskõlblikule orbiidile, saab selle sõna otseses mõttes mõne nädala jooksul välja ajada."

Laughlin ja tema kolleegid väidavad, et planeetide omavaheline suhtlus võib kosmoses olla tavaline. Ligi 20 tähe ümber on teada, et nende ümber tiirleb rohkem kui üks planeet ja mõned neist õdede-vendade eksoplaneetidest on lukustatud tantsusse, mida nimetatakse "vastukajaks". Näiteks ühe tähega Gliese 876 tiirleval planeedil kulub orbiidile 30 päeva, teisel planeedil aga peaaegu täpselt kaks korda pikem aeg. Laughlini arvutused näitavad, et nende vastastikune gravitatsiooniline tõmbe säilitab kahe planeedi vahel stabiilse, kellakujulise paigutuse.

Resonantsid on tugevad vihjed sellele, et planeedid rändasid kaugelt oma sünnikohtadest. Embrüoplaneete kudev tolmu ja gaasi ketas omab raskusjõudu. Ketas lohistab planeete, tõmmates neid järk-järgult tähe poole või mõnel juhul sundides neid väljapoole. Kuna see ränne jätkub sadade tuhandete aastate jooksul, satuvad mõned eksoplaneedid lõksu oma naabrite vastu. Kui suured planeedid satuvad lähedale kvartalitesse, piitsutavad nad üksteist ja loovad osa meeskonna poolt nähtud ekstsentrilistest orbiitidest. Vähemalt see on praegune parim vist.

Teised planeedid pole selle maailma jaoks pikad. Laughlini arvutimudelid viitavad sellele, et mõned nende tähtedele kõige lähemal olevad planeedid sukelduvad nendesse, kui kaugemad planeedid kiusavad oma teed väiksematesse orbiitidesse, võib-olla saja tuhande aasta pärast. See kaugete päikesesüsteemide uurimine on tõstatanud põneva stsenaariumi meie enda päikesesüsteemi kohta. Mõned astronoomid teoreetiliselt väidavad, et Veenus, Maa ja Mars on "teise põlvkonna" planeedid, varasemate kehade järeltulijad, mis sündisid päikesele lähemal ja rändasid sissepoole kuni nende tarbimiseni.

Kas kõik universumis täheldatud kaos on väikeste kiviste planeetide jaoks kohutavate tagajärgedega? Üldse mitte, väidab Laughlin. Tähtede edasi-tagasi võnkumiste mõõtmise tehnika, nii tundlik kui see on, peaks Maa suuruse objektide paljastamiseks olema kümme korda peenem. Kuid lähiaastatel käivitamiseks kavandatud satelliitteleskoobid suudavad tuvastada võõraste maade "varje", kui väikesed planeedid lähevad nende tähtede ette. Laughlin ennustab, et satelliidid leiavad sellised surnukehad droogidest, isegi tähtede ümber, kus suuri planeete pole veel nähtud. "On väga tõenäoline, et [päikesetaoliste] tähtedega kaasnevad maapealsed planeedid, " ütleb ta. "Minu intuitiivne mõte on, et meie päikesesüsteem pole üldse haruldane."

Berkeley Geoff Marcy on sellega nõus, sest tema sõnul on igal tähel sündinud piisavalt ümbritsevat toorainet, et luua palju planeete. Tema sõnul peaks moodustama palju tahkeid planeete nagu Maa, kuna tolm ühineb kivideks, mis põrkuvad ikka ja jälle kokku, et saada asteroide ja kuusid ning planeete. "Võib-olla on Jupiterid haruldased, " ütleb ta, "kuid kivised planeedid on peaaegu kindlasti tavalised. Ma lihtsalt ei näe, kuidas Maa moodustamine võiks olla raske."

Marcy ja Butleri meeskonna poolt hiljuti avastatud väike eksoplaneet toetab seda seisukohta. Nad leidsid selle, jälgides Gliese 876 süsteemis, mis asub 15 valgusaasta kaugusel, kahte resonantsplaneeti. Midagi avaldas planeetide orbiitidele väikseid lisapuksiire ja selle parimaks selgituseks on kolmas planeet, mis on võib-olla 7, 5 korda massiivsem kui Maa. Planeet on oma suuruse tõttu tõenäoliselt pigem kivine kui maagaas, mitte gaasihiiglane. Avastus oli suur samm vastuse leidmisel kõigile meelde: kas me leiame mujalt potentsiaalseid elupaiku?

Astronoomid lootsid, et sellele küsimusele saab vastuse NASA satelliidimissioon nimega Terrestrial Planet Finder. See pidi kaugemale eksoplaneetide avastamisest: see teeb pilte kõige kiuslikumatest eksoplaneetidest ja analüüsib nende atmosfääri. Kuid selle aasta alguses pani NASA missiooni ootele, peamiselt kosmosejaama ja kosmosesüstiku eelarve ületuste tõttu ning inimeste Marsile saatmise plaani eeldatavate kulude tõttu.

Vahepeal otsib Californias asuv meeskond rohkem eksoplaneete. Mõne kuu pärast alustavad Marcy ja SFSU kaastöötaja Debra Fischer tööd Lickis uue teleskoobiga, mille nimi on Automated Planet Finder ja mis pakub kõige tundlikumat valguse analüüsimise vahendit, mis on eksoplaneetide otsingute jaoks veel tehtud. Robotinstrument skaneerib igal sel õhtul umbes 25 paljutõotavat tähte, potentsiaaliga avastada Maast kolm kuni viis korda suuremad planeedid. "See on maailmas esimene teleskoop, mis on täielikult pühendatud planeedi jahipidamisele, " ütleb Fischer. "Inimesed arvasid, et teiste planeetide nagu Maa leidmiseks kulub miljard dollari väärtuses kosmosemissioone, kuid ma arvan, et meil on seda maapinnast lastud."

Marcy ütleb, et planeetide leidmine maast on alles algus. "Lõppkokkuvõttes peame minema koos roboti kosmoselaevade ja väikese digikaameraga ning saatma see väike kutsikas Tau Ceti või Epsilon Eridanisse, " ütleb Marcy, nimetades kahte läheduses asuvat tähte eriliste lubadustega Maa-sarnaste planeetide võõrustamiseks. Need asuvad vastavalt 12 ja 10, 5 valgusaasta kaugusel. "Muidugi, [tehnoloogia väljatöötamiseks] kulub 100 aastat, kuid see on meie liikidele suurepärane eesmärk ja see on ka meie käes. See on täiesti tehniliselt teostatav, kui saadate teise tähe ümber planeedi pinna esimesed pildid. . Me võime käivitada ülemaailmse missiooni, Maalt pärineva kiirgusmissiooni. Praegu tehtavad jõupingutused on lihtsalt selle missiooni tutvumine, kuid kosmilise kõrbe esimeste oaaside avastamine on kuulsusrikas tutvumine. "

Robert Irion juhib teaduse kommunikatsiooni programmi Californias Santa Cruzis. Fotograaf Peter Menzel on kaasautor Hungry Planet: Mida maailm sööb .

Planeedi jahimehed