TESS wurde letzte Woche gestartet und wird 200.000 nahe und helle Sterne scannen, um nach neuen Planeten und möglicherweise lebenswerten Welten zu suchen. Hier ist eine Diskussionsrunde mit 2 Wissenschaftlern über die TESS-Mission.
Eine künstlerische Darstellung des Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) und einiger seiner Planetensteinbrüche. Bild über die NASA.
Über die Kavli Foundation
Eine neue Ära auf der Suche nach Exoplaneten - und dem Leben von Außerirdischen, das sie beherbergen könnten - hat begonnen. An Bord einer SpaceX-Rakete startete am 18. April 2018 der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). In den nächsten zwei Jahren wird TESS die rund 200.000 erdnächsten und hellsten Sterne auf verräterische Verdunkelungen untersuchen, die verursacht werden, wenn Exoplaneten über die Gesichter ihrer Sterne fliegen .
Die Kavli-Stiftung sprach mit zwei Wissenschaftlern der TESS-Mission, um einen Einblick in die Entwicklung und das revolutionäre wissenschaftliche Ziel zu erhalten, den ersten „Erdzwilling“ im Universum zu finden. Die Teilnehmer waren Greg Berthiaume, Instrument Manager für die TESS-Mission, und Diana Dragomir, Hubble Postdoctoral Fellow am MIT Kavli Institut für Astrophysik und Weltraumforschung.
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Die Kavli-Stiftung: Warum ist TESS wichtig, wenn man mit dem Gesamtbild beginnt?
Diana Dragomir: TESS wird Tausende von Exoplaneten finden, was vielleicht nicht so schlimm klingt, denn wir kennen bereits fast 4.000. Aber die meisten dieser entdeckten Planeten sind zu weit weg, als dass wir nur wissen könnten, wie groß sie sind und ob sie dort sind. Der Unterschied ist, dass TESS nach Planeten um Sterne in unserer Nähe suchen wird. Wenn Sterne näher bei uns sind, sind sie aus unserer Sicht auch heller, was uns hilft, die Planeten um sie herum leichter zu entdecken und zu studieren.
Diana Dragomir ist eine beobachtende Astronomin, deren Forschungsschwerpunkt auf kleinen Exoplaneten liegt. Sie ist Hubble Postdoctoral Fellow am MIT Kavli Institut für Astrophysik und Weltraumforschung.
Greg Berthiaume: Eines der Dinge, die TESS tut, ist die Beantwortung der grundlegenden Frage: „Gibt es noch ein anderes Leben im Universum?“ Die Menschen fragen sich das seit Tausenden von Jahren. Jetzt wird TESS diese Frage nicht direkt beantworten, aber es ist ein Schritt, genau wie Diana es erwähnt hat, auf dem Weg, uns die Daten zu beschaffen, um zu sehen, wo da draußen möglicherweise anderes Leben ist. Das ist etwas, mit dem wir zu kämpfen und zu hinterfragen hatten, seit wir in der Lage waren, Fragen zu stellen.
TKF: Was genau erwarten Sie von TESS?
Dragomir: TESS wird wahrscheinlich 100 bis 200 ungefähr erdgroße Welten sowie Tausende weiterer Exoplaneten bis hin zu Jupiter in der Größe finden.
Berthiaume: Wir versuchen Planeten zu finden, die Erdanaloga sind. Das bedeutet, dass sie in ihren Merkmalen wie Größe, Masse usw. erdähnlich sind. Das heißt, wir wollen Planeten mit einer Atmosphäre finden, deren Schwerkraft der der Erde ähnelt. Wir wollen Planeten finden, die kühl genug sind, damit Wasser auf ihren Oberflächen flüssig und nicht so kalt sein kann, dass das Wasser die ganze Zeit gefroren ist. Wir nennen diese "Goldlöckchen" -Planeten, die sich in der "bewohnbaren Zone" eines Sterns befinden. Das ist wirklich unser Ziel.
Dragomir: Genau richtig. Wir wollen den ersten "Erdzwilling" finden. TESS wird hauptsächlich Planeten in der bewohnbaren Zone der Roten Zwerge finden. Dies sind Sterne, die etwas kleiner und kühler sind als die Sonne. Ein Planet um einen Roten Zwerg kann sich in einer Umlaufbahn befinden, die näher an seinem Stern liegt als bei einem heißeren Stern wie unserer Sonne, und dennoch die schöne Goldlöckchen-Temperatur beibehalten. Engere Umlaufbahnen bedeuten mehr Transite oder Sternkreuzungen, wodurch diese roten Zwergplaneten leichter zu finden und zu untersuchen sind als Planeten um sonnenähnliche Sterne.
Astronomen arbeiten hart daran, die TESS-Daten zu verbreiten und Planeten auch in der bewohnbaren Zone sonnenähnlicher Sterne zu finden. Dies ist eine Herausforderung, da diese Planeten längere Umlaufzeiten haben - also Jahre - als Planeten aus nächster Nähe. Das bedeutet, dass wir viel mehr Beobachtungszeit benötigen, um genügend Transite der Planeten über ihre Sterne zu erkennen, um zu sagen, dass wir definitiv einen Planeten entdeckt haben. Aber wir sind zuversichtlich, also bleibt dran!
TESS wird Tausende von Exoplaneten im Orbit um die hellsten Sterne am Himmel entdecken. Diese allererste weltraumgestützte All-Sky-Transit-Untersuchung wird Planeten identifizieren, die von erdgroßen bis zu Gasriesen reichen und eine breite Palette von Sterntypen und Umlaufbahnen umfassen. Keine bodengestützte Vermessung kann dieses Kunststück vollbringen. Bild über das Goddard Space Flight Center / CI Lab der NASA.
TKF: Was müssen Sie sehen, um einen der von TESS entdeckten Planeten als potenziell bewohnbar einzustufen?
Dragomir: Wir möchten, dass ein Planet aus all den Gründen, die wir gerade angegeben haben, erdnaher Größe ist, aber es gibt ein kleines Problem damit. Diese Arten von Planeten werden wahrscheinlich ziemlich kleine Atmosphären haben, verglichen mit der Menge an Gestein, die ihre Masse ausmacht. Und damit die meisten Teleskope eine Atmosphäre im Detail betrachten können, muss der Planet tatsächlich eine substanzielle Atmosphäre haben.
Dies ist auf eine Technik zurückzuführen, die wir Transmissionsspektroskopie nennen. Es sammelt das Licht des Sterns, der durch die Atmosphäre des Planeten gegangen ist, wenn der Planet den Stern überquert. Dieses Licht kommt zu uns mit einem Spektrum der Atmosphäre des Planeten, das wir analysieren können, um die Zusammensetzung der Atmosphäre zu bestimmen. Je mehr Atmosphäre vorhanden ist, desto mehr Material kann in das Spektrum einfließen und uns ein größeres Signal geben.
Wenn das Licht des Sterns jedoch sehr wenig Atmosphäre durchläuft, wie wir es mit einem Erdzwilling sehen würden, wäre das Signal sehr klein. Basierend auf den Ergebnissen von TESS werden wir daher mit größeren Planeten mit viel Atmosphäre beginnen. Wenn wir bessere Instrumente erhalten, werden wir uns immer kleineren Planeten mit weniger Atmosphäre zuwenden. Es sind letztere Planeten, die mit größerer Wahrscheinlichkeit bewohnbar sein werden.
Berthiaume: Was wir in der Atmosphäre suchen werden, sind Dinge wie Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlendioxid - die Standardgase, die wir in unserer Atmosphäre sehen, die das Leben braucht und die das Leben produziert. Wir werden auch versuchen, die schlimmen Dinge zu messen, die mit dem Leben, wie wir es auf der Erde kennen, nicht vereinbar sind. Zum Beispiel wäre es eine schlechte Sache für die Biologie, wenn die Atmosphäre einer Welt zu viel Ammoniak enthalten würde. Auch Kohlenwasserstoffe wie Methan wären in zu großer Menge problematisch.
Greg Berthiaume ist der Instrumentenmanager für die TESS-Mission. Er arbeitet am Lincoln Laboratory des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und ist Mitglied des MIT Kavli Instituts für Astrophysik und Weltraumforschung.
TKF: Diana, deine Spezialität sind Exoplaneten, die kleiner sind als Neptun - ein Planet, der viermal größer ist als die Erde. Was ist unser allgemeines Wissen über diese Art von Welten und wie hilft TESS bei Ihrer Forschung?
Dragomir: Eine Sache, die wir über diese Planeten wissen, ist, dass sie im Vergleich zu Planeten, die größer als Neptun sind, extrem häufig sind. Das ist also gut. Wir erwarten daher, dass TESS viele, viele Planeten vorfindet, die kleiner sind als Neptun und die wir uns ansehen können.
Obwohl klein schlecht ist, um diese atmosphärischen Bilder zu erhalten, über die wir gerade gesprochen haben, können wir, wenn die Sterne in der Nähe und hell sind, immer noch genug Licht für gute Studien bekommen. Ich hoffe, dass wir genug unter der Neptun-Größe haben, um die Atmosphären von "Super-Erden" zu untersuchen, die Planeten sind, die doppelt so groß sind wie die Erde oder so. Wir haben keine Supererden in unserem Sonnensystem, daher würden wir gerne eine dieser Welten näher betrachten. Und vielleicht können wir, wenn wir einen wirklich, wirklich guten Planetenkandidaten finden, die Atmosphäre eines erdgroßen Planeten untersuchen.
Bei meinen Nachforschungen könnte TESS wirklich helfen, die Grenze zwischen einem sehr gasförmigen Planeten wie Neptun und einem sehr felsigen Planeten wie der Erde herauszufinden. Wir glauben, dass es hauptsächlich um Masse geht. Haben Sie zu viel Masse, und der Planet fängt an, sich in einer dichten Atmosphäre zu halten. Derzeit sind wir uns nicht sicher, wo diese Schwelle liegt. Und das ist wichtig, damit wir wissen, wann ein Planet felsig und möglicherweise bewohnbar ist oder gasförmig und nicht bewohnbar.
TKF: Greg, als TESS-Instrumentenmanager, steht Ihnen viel für den Erfolg der Mission zur Seite. Können Sie uns etwas über Ihren Job erzählen?
Berthiaume: Mein Job als Instrumentenmanager unterscheidet sich mit Sicherheit von einem naturwissenschaftlichen Job. Meine Aufgabe war es, sicherzustellen, dass alle Teile, alle Teile, die in die vier Flugkameras und die Bildverarbeitungshardware passen, zusammenspielen und uns die großartigen Daten liefern, die Diana benötigt, um Exoplaneten weiter zu erforschen . Meine persönliche Rolle in der Mission endet tatsächlich kurz nach dem Start. Sobald wir gezeigt haben, dass der Satellit die erwarteten Daten liefert und wir mit möglichen Überraschungen fertig werden, gehe ich weiter und die Daten gehen an die Wissenschaftsgemeinschaft.
Ich fühle mich definitiv dafür verantwortlich, die Qualität der Daten so hoch wie möglich zu halten. Viele Leute haben jahrelang hart gearbeitet, um die Kameras zu bauen, die auf TESS fliegen, und es war großartig, Teil dieses Teams zu sein.
TKF: Neue Exoplanetenmissionen wie die Satelliten Ariel und Plato der Europäischen Weltraumorganisation sollen Ende der 2020er Jahre starten. Wie könnten diese zukünftigen Raumschiffe das Werk von TESS ergänzen und darauf aufbauen?
Dragomir: Das Tolle an TESS ist, dass wir eine Menge Auswahl haben, um die besten Optionen für Planeten zu finden, die wir untersuchen möchten. Auf diese Weise wird TESS die Bühne für Ariels Mission bereiten, die darin besteht, die Atmosphäre einer ausgewählten Gruppe von Exoplaneten eingehend zu untersuchen.
Die Mission Plato wird nach Planeten suchen, die bewohnbar sind, aber um größere Sterne wie die Sonne, während sich TESS auf die Suche nach bewohnbaren Planeten um kleinere Sterne konzentrieren wird. Ich bin damit zufrieden, weil ich nicht möchte, dass wir alle unsere Eier in einen Korb legen, indem wir mit TESS nur rote Zwergsterne betrachten. Planeten um diese Roten Zwerge sind momentan sehr aufregend, da sie leichter zu studieren sind und ihre Sterne häufiger durchlaufen, wodurch sie leichter zu finden sind. Gleichzeitig sind rote Zwerge viel aktiver als die Sonne. Wenn ein Stern aktiv ist, bedeutet dies, dass er häufig Strahlungsblitze ausstößt, die als Fackeln bezeichnet werden. Diese Fackeln könnten die Atmosphäre eines Planeten sehr schädigen und die Welt unbewohnbar machen.
Am Ende leben wir natürlich um einen sonnenähnlichen Stern herum und bis jetzt sind wir das einzige „wir“, das wir im Universum kennen. Aus diesen Gründen ist es großartig, dass Platon sich ergänzend zu diesen Planeten um Sonnen versammelt, die TESS wahrscheinlich nicht finden wird.
TKF: Wann erwarten Sie die ersten Entdeckungen von TESS in brandneuen Welten?
Berthiaume: Zuerst wird es eine Weile dauern, bis TESS in seine einzigartige Umlaufbahn gelangt. Es ist das erste Mal, dass wir ein Raumschiff in eine neue Art von weitreichender, hochelliptischer Umlaufbahn bringen, in der die Schwerkraft von Erde und Mond TESS sowohl aus Sicht der Umlaufbahn als auch aus thermischer Sicht sehr stabil hält. Ein großer Teil dessen, was in den ersten sechs Wochen passieren wird, besteht darin, diese endgültige Umlaufbahn zu erreichen.
Dann gibt es einen Zeitraum, in dem Daten gesammelt werden, um sicherzustellen, dass die Instrumente wie erwartet funktionieren, und um unsere Datenverarbeitungs-Pipeline zu optimieren. Ich denke, wir werden in diesem Sommer interessante Ergebnisse sehen.
TKF: Was könnte TESS außer neuen Welten noch über das Universum verraten?
Dragomir: Weil TESS so viel vom Himmel beobachtet, werden viele Dinge in Echtzeit geschehen, nicht nur Exoplaneten, die Sterne kreuzen. Bei diesen Sternen können wir viel über ihre Eigenschaften lernen und sogar ihre Masse ziemlich genau messen, indem wir mit TESS eine Asteroseismologie durchführen. Diese Technik beinhaltet die Nachverfolgung von Helligkeitsänderungen, wenn Schallwellen durch das Innere von Sternen wandern - genau wie bei Erdbeben seismische Wellen durch das Gestein und geschmolzene Innere der Erde fließen.
Wir werden auch die aufflammenden Aktivitäten der Sterne untersuchen, die, wie bereits erwähnt, dazu führen können, dass nahe beieinander liegende, gemäßigte Planeten um rote Zwergsterne unbewohnbar werden.
Wenn die Größe zunimmt, werden Wissenschaftler die TESS-Daten nach Hinweisen auf kleine Schwarze Löcher durchsuchen wollen. Diese extremen Objekte, die entstehen, wenn kolossale Sterne explodieren, können sozusagen normale Sterne umkreisen, die noch „lebendig“ sind. Diese Systeme helfen uns besser zu verstehen, wie sich diese Schwarzen Löcher bilden und wie sie mit Begleitsternen interagieren.
Und schließlich wird TESS, noch größer, Galaxien betrachten, die Quasare genannt werden. Diese ultrahellen Galaxien werden von supermassiven Schwarzen Löchern in ihren Kernen angetrieben. TESS hilft uns zu überwachen, wie sich die Helligkeit von Quasaren ändert, was wir auf die Dynamik ihrer Schwarzen Löcher zurückführen können.
TKF: Das James-Webb-Weltraumteleskop, das als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops gefeiert wird, ist seit langem ein wichtiges Instrument, um die von TESS gefundenen detaillierten Beobachtungen zu vielversprechenden Exoplaneten durchzuführen. Der bereits mehrfach verzögerte Start von James Webb wurde jedoch erst ein weiteres Jahr vor 2020 verschoben. Wie wirken sich die anhaltenden Verzögerungen von James Webb auf die TESS-Mission aus?
Dragomir: Die Verzögerung von James Webb ist kein so großes Problem, da wir mehr Zeit haben, um mit TESS großartige Zielplaneten zu sammeln.Bevor wir James Webb verwenden können, um mögliche Exoplaneten zu beobachten und ihre Atmosphären zu untersuchen, müssen wir zunächst bestätigen, dass die Planeten real sind - das, was wir für Planeten halten, sind keine falsch positiven Ergebnisse, die zum Beispiel durch Sternaktivität hervorgerufen werden. Dieser Bestätigungsprozess dauert Wochen, wenn Unterstützungsbeobachtungen von bodengestützten Teleskopen verwendet werden. Es wird dann auch Wochen bis Monate dauern, um die Masse der Planeten zu erhalten. Wir messen dies, indem wir registrieren, wie viele Planeten ihre Wirtssterne aufgrund der Schwere der Planeten, die durch ihre Masse bestimmt wird, im Laufe der Zeit zu leichten „Wackelbewegungen“ führen.
Sobald Sie diese Masse plus die Größe eines Exoplaneten haben, basierend darauf, wie viel Sternenlicht es während einer TESS-Erkennung blockiert, können Sie seine Dichte messen und feststellen, ob es felsig oder gasförmig ist. Mit diesen Informationen ist es dann einfacher zu entscheiden, welche Planeten wir priorisieren möchten, und je mehr wir verstehen können, was James Webb uns über ihre Atmosphären erzählt.
TKF: Raumschiffe enthalten manchmal humorvolle oder sogar tiefgreifende zusätzliche Elemente. Ein Beispiel: die „Goldenen Aufzeichnungen“ des Zwillingsraumschiffs Voyager, die Bilder und Geräusche des Lebens und der Zivilisation auf der Erde enthalten, einschließlich des Taj Mahal und des Vogelgesangs. Sind solche Gegenstände in TESS enthalten? Irgendwelche subtilen Herstellermarken oder?
Berthiaume: Eines der Dinge, die mit TESS mitfliegen, ist eine Metallplatte, die die Unterschriften vieler Menschen trägt, die an der Entwicklung und dem Bau des Raumfahrzeugs gearbeitet haben. Das war eine aufregende Sache für uns.
Dragomir: Das ist cool. Das wusste ich nicht!
Berthiaume: Außerdem hat die NASA einen internationalen Wettbewerb durchgeführt, bei dem Menschen aus der ganzen Welt aufgefordert wurden, Zeichnungen einzureichen, die zeigen, wie Exoplaneten aussehen könnten. Ich weiß, dass viele Kinder teilgenommen haben. Alle diese Zeichnungen wurden auf einen USB-Stick gescannt und fliegen zusammen mit TESS. Die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs ist mindestens ein Jahrhundert lang stabil, so dass die Plakette und die Zeichnungen für eine lange Zeit im Weltraum sein werden!
- Adam Hadhazy, Frühjahr 2018
Fazit: Zwei Wissenschaftler diskutieren die TESS-Mission.