Nyt grej på teleskoper skal veje fjerne planeter
Med nye instrumenter på et par af verdens største optiske teleskoper vil forskerne kunne lokalisere og bestemme massen af klippeplaneter, der kredser om stjerner som Solen, og som ellers er svære at få øje på.
Med instrumenterne vil astronomerne snart kunne måle de ganske små bevægelser af stjerner, der skyldes påvirkninger fra omkredsende planeter, inklusive planeter som Jorden i den beboelige zone. Ultrapræcise målinger af stjernens radialhastighed – hastigheden imod eller væk fra os – kan røbe tilstedeværelsen af en eller flere planeter, fordi stjernen og dens planeter kredser om deres fælles massemidtpunkt.
Tyngdekraften fra stjernen fastholder planeten i sin bane rundt om den, men samtidig vil planetens tyngde også påvirke stjernen, så den set fra Jorden rokker frem og tilbage. Det kan måles, og på grafen over radialhastighed kan man aflæse omløbsperioden direkte. Så er det nemt at udregne planetens masse, hvis man har en idé om stjernens masse – og det har astrofysikerne efterhånden godt tjek på.
Artiklen fortsætter efter grafikken
»Med radialhastighedsmetoden gælder det om at måle, hvor meget planeten hiver i stjernen, så dens lys bliver doppler-forskudt. Det kræver en kolossal stabilitet af spektrografen at måle den lille bevægelse, og de bedste kan måle med en præcision på cirka 1 meter i sekundet. Men vi arbejder på nye spektrografer, der skal levere en præcision på 10 centimeter i sekundet, og med den præcision kan vi måle massen af en jordlignende planet om en sollignende stjerne,« fortæller professor Lars Buchhave fra DTU Space.
Han arbejder selv med den spritnye spektrograf Expres (EXtreme PREcision Spectrometer), der i december 2017 blev installeret på det 4,3 meter store Discovery Channel Telescope i USA. Også det europæiske Very Large Telescope (VLT) i Chile er netop blevet opgraderet med en ny spektrograf, nemlig Espresso, der er en forkortelse for Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations.
Espresso er den første spektrograf på VLT, som kan forsynes med lys fra alle observatoriets fire kæmpeteleskoper, der hver har et hovedspejl med en diameter på 8,2 meter. Forbindelsen er etableret via optiske kabler og leverer lys svarende til ét stort teleskop på 16 meter.
Et spektrometer deler lyset fra en stjerne op i alle de farver, det består af. Forskellige grundstoffer absorberer lys i forskellige bølgelænger, så der opstår linjer i spektret. Hvis linjerne er forskudt i forhold til lys fra kalibreringskilder, er stjernen i bevægelse mod os eller væk fra os.
Teknikken blev demonstreret 13. februar 2018, hvor der for første gang var hul igennem til Espresso fra alle fire teleskoper. For både Expres og Espresso gælder, at der stadig venter et stort arbejde med at teste og kalibrere systemerne, så der går lidt tid endnu, før de for alvor kommer i sving.
Jorden rykker Solen 9 cm/s
En spektrograf på et teleskop har til opgave at dele lyset fra himmellegemerne op i de enkelte bølgelængder, det består af, og fange spektret på et billede, så forskerne kan analysere det. Ved visse bølgelængder er der mørke linjer, fordi strålingen netop her er blevet absorberet af gas i stjernens ydre lag.
På grund af doppler-effekten rykker linjerne, hvis stjernen er i bevægelse i forhold til os, og med doppler-spektroskopi får man et mål for stjernens hastighed ved at måle præcist, hvor linjerne befinder sig i forhold til de værdier, man kender fra laboratoriet og kalibreringssystemet.
Hvis astronomer i et andet stjernesystem rettede et teleskop med vores solsystem, ville de se Solen bevæge sig frem og tilbage med en hastighed på op til 9 cm/s på grund af påvirkningen fra Jorden alene. Hvis de nye spektrografer holder, hvad de lover, vil vi altså kunne opdage mange flere jordlignende planeter, der kredser rundt i den beboelige zone om en stjerne – den zone, hvor temperaturen tillader flydende vand og måske også liv på overfladen.
Der er bunkevis af planeter
Vi ved allerede, at der er bunkevis af planeter derude. Den første exoplanet blev opdaget ved hjælp af radialhastighedsmetoden i 1995, og siden er der kommet mange flere til. Indtil videre er der fundet godt 3.700 exoplaneter, og det amerikanske rumteleskop Kepler står for 2.500 af dem. Flere kommer utvivlsomt til, for Kepler har fundet tegn på et par tusinde ekstra – indtil videre kun ‘kandidater’ – mulige planeter, hvis eksistens skal bekræftes af opfølgende målinger.
Kepler finder exoplaneterne ved hjælp af formørkelsesmetoden. Når en planet passerer ind foran sin stjerne på vej rundt i sin bane, bliver stjernelyset dæmpet en smule, og det registrerer Keplers CCD-chips, hvis baneplanet altså er i teleskopets sigtelinje. Selv om målemetoden kun virker for planeter, der set fra Jorden passerer ind foran deres stjerne, har den vist sig uhyre effektiv, og adskillige fremtidige rumteleskoper vil benytte samme princip.
I løbet af foråret sendes Nasas Tess (Transiting Exoplanet Survey Satellite) op for at lede efter exoplaneter om de nærmeste stjerner, og i 2026 skal ESA’s Plato (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) på jagt efter jordlignende planeter, der kredser om stjerner som Solen.
Ved at se på, hvor meget af stjernens lys der bliver blokeret ved en formørkelse, kan astronomerne udregne planetens diameter. Det kræver blot, at de har en god idé om stjernens størrelse, og det er der gode modeller for. Men det kniber mere med at finde massen af planeten, hvis man kun har formørkelserne at gå ud fra.
To målinger røber massefylden
Det er her, radialhastighedsmålingerne kan hjælpe, og det er helt perfekt, når man kan bruge begge metoder. Så kan massen udregnes med større præcision, idet der ikke er tvivl om baneplanets vinkel i forhold til sigtelinjen mellem teleskopet og stjernen, og med både masse og størrelse kan man nemt udregne massefylden af planeten. Den er nyttig, når man skal afgøre, om man har at gøre med en stor klippeplanet, hvor livet i princippet kan trives, eller en lille gasplanet, hvor det er langt sværere at forestille sig levende væsener.
Med formørkelsesmetoden kan man finde planeter i alle mulige størrelser, og det er helt oplagt, at man følger op med målinger af radialhastigheden, når en stjerne ser ud til at blive formørket af en planet. Så kan man blive sikker på, at der rent faktisk er tale om en planet, og man får et mål for densiteten, så man bedre kan udpege de planeter, der står først i køen til at blive undersøgt endnu grundigere ved hjælp af kommende teleskoper som James Webb Space Telescope, som bliver opsendt i sommeren 2019.
»Med Kepler-teleskopet har vi fundet ud af, hvor mange planeter, der er derude. Nu gælder det om at karakterisere dem,« som Lars Buchhave siger det.
Problemet er tid ved teleskopet
En række teleskoper bliver da også taget i brug, når opdagelser fra Tess skal bekræftes. Blandt andet bliver spektrografen FIES (FIbre-fed Echelle Spectrograph) på Nordic Optical Telescope på den kanariske ø La Palma opgraderet, så den kan bruges i den forbindelse.
Den kommer dog ikke op i samme liga som Expres og Espresso, og sådan en ekstremt nøjagtig spektrograf kunne Lars Buchhave og hans gruppe på DTU ellers godt tænke sig:
»Vi prøver at skaffe midler til en lignende spektrograf på et mindre teleskop, der er dedikeret til jagten på exoplaneter. Med et kæmpeteleskop som VLT kan man samle rigtig meget lys fra en stjerne, men for de nærmeste stjerner er problemet ikke at få meget lys, det er at få meget tid ved teleskopet.«
Både Very Large Telescope og Discovery Channel Telescope er populære teleskoper, som astronomerne står i kø for at benytte. Derfor bliver det svært for exoplanetjægere som Lars Buchhave at få tid nok ved teleskopet, forklarer han:
»Vi skal indhente nok observationer til at forstå, hvad der foregår. Det er især vigtigt, hvis der er mange planeter i et system. Så gælder det om at have observationer, der fanger alle planeterne i alle faser. Vi skal også have mange datapunkter over en lang periode, så vi kan forstå stjernens aktivitet. Vi skal nemlig kunne korrigere for den aktivitet for at kunne isolere planeternes bevægelser. Så jeg ville gerne kunne rette et teleskop mod de samme stjerner hver nat i fem år.«
Liv på de nærmeste planeter?
For Lars Buchhave er det endelige mål at finde liv på en anden planet end Jorden. Så handler det i første omgang om at finde jordlignende planeter i den beboelige zone omkring de nærmeste sollignende stjerner, og det gøres bedst med radialhastighedsmålinger. Med formørkelsesmetoden finder man nemlig kun den halve procent af planeterne, der tilfældigvis kredser rundt i bane, som bringer den ind foran stjernen set fra Jorden.
De mest lovende af de planeter, der er tættest på os, kan komme yderligere under luppen ved hjælp af kommende superteleskoper som det det gigantiske ELT (Extremely Large Telescope), der skal stå klar i Chile i 2024, og ikke mindst rumteleskopet LUVOIR (Large UV/Optical/IR Surveyor), der tidligst kommer op engang i midten af 2030'erne. ELT bliver udstyret med en ekstremt følsom spektrograf kaldet HIRES (High Resolution Spectrograph), men det bliver nok nærmere LUVOIR, der giver os de første uomtvistelige beviser for liv på en anden planet ved at måle spektret af det stjernelys, planeten reflekterer – hvis livet altså findes derude.
