Új űrszondával folytatódik az exobolygó-vadászat | MTA

Új űrszondával folytatódik az exobolygó-vadászat

Több mint háromezer exobolygó felfedezésére számítanak a csillagászok a hamarosan felbocsátandó TESS űrszonda mérései alapján. A nagyjából személyautó méretű űrszonda távcsövei 400-szor nagyobb területet észlelnek, mint a Kepler űrtávcső. A TESS tudományos programjában az MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének kutatói is részt vesznek.

2018. április 5. Szabados László

A tervek szerint április közepén indítja a TESS nevű A TESS a Transiting Exoplanet Survey Satellite (átvonuló exobolygókat felkutató műhold) kezdőbetűiből alkotott betűszóexobolygó-kereső űrszondát a NASA. Az új kutatószonda az egész égboltot vizsgálja majd, hogy az éjjeli égen legfényesebbnek látszó néhány százezer csillag körül bolygókat találjon. Az idegen bolygók kimutatása a már jól bevált fényességméréssel történik: a TESS fedélzetén működő detektorok a csillagok fényességét mérik, és azt az átmeneti elhalványodást keresik, ami olyankor következik be, amikor a csillag körül keringő bolygó éppen a csillag előtt halad át.

Ezzel az ún. tranzitmódszerrel – főként a Kepler űrtávcsővel – már körülbelül 3000 csillagnál találtak körülötte keringő bolygóra utaló fényességcsökkenést az elmúlt években. A TESS várhatóan legalább ugyanennyit fog felfedezni kétévesre tervezett működése során. Az újonnan észleltek között remélhetőleg több olyan bolygó is lesz, amely méretét és tömegét tekintve a Földhöz hasonlít, és a csillagától olyan távolságban kering, hogy akár élet is kialakulhatott rajta.

Látványterv a TESS-ről Látványterv a TESS-ről Forrás: NASA

Exobolygók – a Föld távoli rokonai

A Naprendszeren kívüli bolygók – exobolygók – kutatása napjainkban a csillagászat igen látványosan fejlődő és sikeres területe. E kutatási ág kialakulását az motiválta, hogy a Nap körül legalább nyolc bolygó kering, és felettébb valószínűtlen az, hogy más csillagok mellett ne legyenek planéták – csak meg kell őket találni. Az exobolygók kimutatása azonban roppant nehéz feladat. A bolygóknak ugyanis nincs saját fényük: a Föld naprendszerbeli bolygótestvéreit is csak azért látjuk, mert visszaverik a rájuk eső napfényt. A sok-sok (esetleg több száz vagy ezer) fényévre levő bolygók a csillaguk szomszédságában észlelhetetlenül halványak, ezért kimutatásuk érdekében különleges módszereket kell bevetni.

Időben előbb – az 1990-es évek közepétől – a bolygó csillag körüli keringéséből adódó színképvonal-eltolódás vált kimutathatóvá, de természetesen nem a bolygó, hanem a csillag spektrumában, ugyanis valójában a bolygó nem a csillag körül kering, hanem a bolygó és a csillag egyaránt a rendszer tömegközéppontja körül végzi a keringését. Így a bolygó keringése periodikusan „rángatja” magát a csillagot, és ennek során a fizikából jól ismert Doppler-hatás következményeként a megfigyelőhöz képest mozgó test, esetünkben a csillag által kibocsátott fényhullámok hullámhossza megváltozik: az észlelő felé haladva a hullámhossz rövidül, tőle távolodva pedig hosszabbodik. Ez a hatás egyaránt fellép a szirénázó autó hanghullámainál és a csillagok által kibocsátott elektromágneses sugárzásnál, amelynek egyik hullámhossztartománya a látható fény.

Ezzel a módszerrel, a legkorszerűbb spektrográfokat használva ma már néhány cm/s mértékű változást is ki lehet mutatni a csillagok látóirányú mozgási sebességében. Persze nem minden sebességváltozást lehet megmagyarázni a csillag körül keringő és a csillag tömegénél sokkal kisebb tömegű és méretű bolygóval. Csak hosszabb időszakot átfogó, alapos színképvizsgálattal lehet eldönteni, hogy a sebesség látóirányú komponensének változása a csillag körül keringő bolygó hatásának tudható-e be, vagy más fizikai folyamat idézi elő az észlelt sebességváltozást.

A látóirányú sebesség nagyon pontos mérésének lehetősége csupán néhány évvel előzte meg a szuperpontos fényességmérés megvalósítását a csillagászatban. Viszont míg a pontos spektrális mérést földi műszerekkel is el lehet végezni, az exobolygók kimutatásához szükséges fotometriai pontosságot általában a Földön kívül működő űrtávcsövekkel lehet elérni.

Az exobolygók fotometrikus kimutatása is a közvetett módszerek közé tartozik, mivel – ahogyan fent már említettük – nem magát a bolygót detektálják, hanem azt a csekély fényességcsökkenést, ami akkor jön létre, amikor a bolygó áthalad a csillaga előtt, és átmenetileg eltakarja a csillag – földi eszközökkel egyelőre felbonthatatlan – korongjának egy részét. A Jupiterhez hasonló óriásbolygók néhány százalékos vagy ezrelékes fényességcsökkenést okoznak a csillag fényében, a Földhöz hasonló méretű bolygók átvonulása pedig kisebb méretük miatt ennél jóval csekélyebb mértékű fényességváltozást eredményez. Márpedig az idegen bolygók kutatásának talán legfontosabb célja a Föld ikertestvéreinek megtalálása. Az pedig csakis űrtávcsövekkel végrehajtott fotometriai vizsgálatokkal lehetséges, mivel az ehhez szükséges mérési pontosság több nagyságrenddel meghaladja a földfelszíni fényességmérésekét.

Egy bolygó csillag előtti átvonulása során így változik a csillag mérhető fényessége (Hans Deeg nyomán) Egy bolygó csillag előtti átvonulása során így változik a csillag mérhető fényessége (Hans Deeg nyomán) Ábra: Hans Deeg
Exobolygó átvonulása a csillaga előtt a NASA videóján Forrás: NASA Video

A látható fény tartományát vizsgáló űrszondák

Csillagászati célú űrszondák már fél évszázada léteznek, de eleinte csak olyan hullámhosszakra érzékeny detektorok voltak az ilyen szondák fedélzetén, amelyeket a Földről nem lehet vizsgálni. A földi légkör ugyanis elnyeli az elektromágneses színkép bizonyos tartományait, így például a gamma- és röntgensugárzást, valamint az ibolyántúli sugarak nagy részét. Ezért a kozmoszból érkező információ teljes körű vizsgálatához a megfigyelőműszereket a Föld légkörén kívülre kell juttatni.

Bár az űrtávcsövek üzemeltetése – beleértve az elkészítésüket és a pályára helyezésüket is – jóval drágább, mint a földi csillagászati műszereké, immár három évtized óta léteznek a látható fény tartományát vizsgáló űrtávcsövek is. Ezekkel olyan észleléseket végeznek, amelyek eredménye nagyságrendekkel pontosabb, mint a földi légkörben működő, hagyományos távcsövekkel végzett méréseké.

Az optikai sugárzást észlelő első űrtávcső az Európai Űrügynökség (ESA) Hipparcos nevű asztrometriai szondája volt. Ezzel az űrtávcsővel 1989 és 1993 között ezredívmásodperc pontosságú pozícióméréseket végeztek az egész égboltra kiterjedően, és egy-egy csillag helyzetét, illetve annak változásait éveken át mérték. A Hipparcos mérési adatsorából nemcsak a vizsgált 118 000 csillag pontos helyzetét határozták meg, hanem annak időbeli változásait, sőt a mérési programban szereplő csillagok távolságát is megállapították - pusztán szögmérésekből.

1990-ben kezdte működését a még napjainkban is aktív Hubble űrtávcső, amellyel az optikai tartományon kívül az ibolyántúli és az infravörös színképtartomány egy részét is észlelik. A látható fény vizsgálata során az űrtávcső fő előnye az, hogy a távcső teljes látómezejéről éles kép kapható. A Föld felszínén működő távcsövek esetében ugyanis a földi légkör állandó nyugtalansága elmossa a távcső fókuszsíkjában kialakuló kép finom részleteit, emiatt az elméletileg lehetséges értéknél gyengébb a felbontás.

Az ezredforduló után megkezdődött a fotometriai űrtávcsövek korszaka. A légkörön kívül működő távcsövekre szerelt fényességmérő eszközökkel (fotométerekkel) ugyanis a földfelszínen mérhetőnél akár százszor vagy ezerszer csekélyebb fényességváltozást is ki lehet mutatni, ami igazi áttörést hozott az exobolygók kutatásában – de nemcsak abban, hanem például az asztrofizikában kulcsszerepet betöltő változó fényű csillagok vizsgálatában is.

Kifejezetten fotometriai kutatások céljából elsőként a kanadai MOST űrszondát indították el 2003-ban. A fedélzetén elhelyezett 15 cm átmérőjű távcsővel – ekkora teleszkóp még az amatőr csillagászok között is kis műszernek számít – csak a legfényesebb csillagok fényességét lehetett mérni, így tudományos feladatai az egy évtizedet kissé meghaladó működési ideje során főleg asztrofizikai jellegűek voltak.

A francia kezdeményezésű, de végül az ESA közreműködésével megvalósított CoRoT projekt keretében eredetileg szintén asztrofizikai célú fotometriai méréseket terveztek. Ám amikorra a tervekből valóság lett, a CoRoT űrszondán elhelyezett 27 cm átmérőjű távcsővel végzendő mérések egyik fő célja már újabb exobolygók kimutatása lett. A CoRoT azonban az égboltnak csak néhány apró területét vizsgálta, és mindössze 32 exobolygót talált a tranzitmódszerre alapozva 2006 és 2012 közötti működése során.

Az exobolygók felfedezéséhez eddig leginkább a Kepler űrszonda járult hozzá Az exobolygók felfedezéséhez eddig leginkább a Kepler űrszonda járult hozzá Forrás: NASA/Ames/JPL-CalTech

Az eddigi legeredményesebb fotometriai űrtávcső a NASA Kepler űrszondáján került Nap körüli pályájára. A Kepler teljesítményét jelzi a tudományos program végrehajtása során felfedezett 2600 exobolygó, a mérési adatok alapján pedig további 2700 bolygó léte is gyanítható. A exobolygók felfedezésén kívül a Kepler űrszonda 95 cm átmérőjű fedélzeti távcsövével rengeteg asztrofizikai eredmény is született. Amikor pedig az iránytartást biztosító lendkerekek közül kettő is meghibásodott, a mérési programot úgy alakították át, hogy a Kepler szonda távcsöve negyedévenként az ekliptika (a Föld Nap körüli keringési síkja) mentén más-más területen végezzen fényességmérést. Hogy ezt meg lehessen különböztetni a Kepler eredeti programjától, az újabb misszió neve K2 lett.

Mostanra a szonda üzemanyag-maradéka kritikus szintre süllyedt, és várhatóan a közeljövőben a segédrakéták már nem tudják a megfelelő irányba fordítani a távcsövet, illetve a mérési adatok Földre küldéséhez szükséges rádiókapcsolathoz is energia kell, így lassan a Kepler működése is véget ér. De mire ez bekövetkezik, már működni fog a legújabb fotometriai űrtávcső, a TESS.

Az exobolygók felfedezésének időrendje 2017 novemberéig Az exobolygók felfedezésének időrendje 2017 novemberéig
A TESS – a fotón még laboratóriumi ellenőrzés alatt A TESS – a fotón még laboratóriumi ellenőrzés alatt Fotó: Orbital ATK

Tessék, itt a TESS!

Az űrszondát várhatóan 2018 áprilisában indítják a NASA Explorers programja keretében. A nagyobb űrszondákkal ellentétben a TESS története az ötlet megfoganásától kezdve a szonda indításáig alig haladja meg az egy évtizedet. Az exobolygókat kereső fotometriai űrtávcső létrehozását a Massachusetts Institute of Technology (MIT, Massachusettsi Műszaki Egyetem) szakemberei 2006-ban kezdeményezték, és a megvalósításához megszerezték a Google anyagi támogatását is. A NASA programjai közé 2011-ben került be – igen erős konkurencia közepette, hiszen 42 űrprojektre nyújtottak be akkor javaslatot, amelyek közül a NASA 11-et választott ki további megfontolásra alkalmas tervként. A megvalósítás fázisa 2013-ban kezdődött a NASA jóváhagyásával.

A viszonylag kis űrszondák közé tartozó TESS mérete 370 cm × 150 cm × 120 cm (vagyis nagyjából akkora, mint egy személyautó), tömege az indításkor 350 kg lesz. A TESS-t Cape Canaveralról indítják a Spacex cég Falcon-9 hordozórakétájával. A szonda olyan ellipszispályára kerül majd, amelynek a Földhöz legközelebbi pontja (perigeum) 108 000 km-re van bolygónktól, a pálya legnagyobb távolsága a Földtől (apogeum) pedig 373 000 km.

Ez a pálya különleges, mert a rajta keringő mesterséges égitest 2:1 arányú rezonanciában mozog a Holddal, Földünk természetes kísérőjével: amíg a Hold egyszer megkerüli a Földet, a TESS éppen két keringést végez a Föld körül. (A TESS lesz az első űrszonda, amelyet a Holddal 2:1 arányú rezonanciában levő pályára vezérelnek.) Az ellipszispálya nagytengelyének irányát úgy választották meg, hogy az űrszonda mindig távol maradjon a Holdtól. A nagyon elliptikus pálya lehetővé teszi, hogy az egész égboltot megfigyeljék az űrtávcsővel, a Földtől való nagy távolság pedig stabil (és megfelelően alacsony) hőmérsékletet biztosít a szondán elhelyezett kamerák számára. Az ilyen pálya azért is előnyös, mert a szonda az idő nagy részében a Föld magnetoszféráján kívül mozog, ezáltal csökken annak a valószínűsége, hogy a Föld mágneses mezeje által befogott nagy energiájú töltött részecskék kárt tegyenek a TESS érzékeny berendezéseiben. Ezt a speciális pályát a szonda kb. 40 nappal az indítás után éri el, majd megkezdődik a nagyjából egy hónapos tesztüzem, és csak ezután indul el a TESS tudományos mérési programja.

A 2:1 arányú rezonancia miatt a TESS keringési ideje a Föld körül 13,7 nap. Amikor a TESS legközelebb kerül a Földhöz, három óra alatt a földi központba sugározzák az előző keringés (azaz kb. két hét) alatt gyűjtött megfigyelési anyagot.

A TESS Holddal rezonáns pályáját a piros ellipszis mutatja. Ezt a végső pályát a TESS az indítás utáni átmeneti pályákon keringve néhány hét alatt éri el A TESS Holddal rezonáns pályáját a piros ellipszis mutatja. Ezt a végső pályát a TESS az indítás utáni átmeneti pályákon keringve néhány hét alatt éri el Ábra: NASA

Mit várunk a TESS-től?

Az űrszonda fedélzetén négy nagy látószögű távcsövet helyeztek el. Az egyes teleszkópok alkotta képet CCD-kamerák (töltéscsatolt eszközök, ilyenek vannak a digitális fényképezőgépekben is) továbbítják a fedélzeti számítógépbe digitális jelek formájában.

A négy távcsőbe eltérő irányú, de egymással szomszédos területekről érkezik a fény, és együtt 400-szor nagyobb területet észlelnek egyidejűleg, mint a Kepler űrszonda által eredetileg vizsgált égboltrészlet. Mindegyik távcső látómezeje 24° × 24°. A TESS esetében a teljes égboltot 26 megfigyelendő szektorra osztották fel, és mindegyik szektor 24° × 96° méretű. A TESS valamennyi szektort egymást követő két keringése során, azaz 27 napig folyamatosan észleli. Működése első éve alatt az ekliptikától (a Föld Nap körüli keringési síkjától) északra levő szektorok észlelése zajlik, az éggömb déli felének vizsgálatára a második évben kerül sor.

A megfigyelési program során a 12 magnitúdónál fényesebb csillagok fényességét mérik a szonda detektorai. (Egy 12 magnitúdós csillag kb. 250-szer halványabb a szabad szemmel még éppen látszó leghalványabb csillagoknál.) A mérési programban így legalább kétszázezer csillag szerepel.

A TESS mérési szektorai és az égbolt feltérképezésének ütemezése a működés első évében A TESS mérési szektorai és az égbolt feltérképezésének ütemezése a működés első évében Forrás: NASA Ames Research Center
Az űrszonda szerkezete Az űrszonda szerkezete Forrás: tess.mit.edu

Becslések szerint több mint háromezer exobolygó felfedezése várható a TESS mérései alapján. Ezek között akár több száz is akkora vagy legfeljebb kétszer nagyobb lehet, mint a Föld. Az élet kialakulása szempontjából azok az exobolygók ígéretesek, amelyek az ún. lakhatósági zónában keringenek a csillaguk körül. Ennek helye és kiterjedése a csillag méretétől és hőmérsékletétől is függ. A TESS által felfedezett exobolygók közül pedig jó néhánynak az atmoszféráját majd az európai ARIEL űrszonda fogja vizsgálni egy évtized múlva.

Magyar részvétel a TESS tudományos programjában

Bár a TESS fő feladata minél több új exobolygó megtalálása, elődeihez hasonlóan más tudományos feladatok is szerepelnek az új fotometriai űrszonda programjában. Jelentős eredményekre számítanak a változócsillagok iránt érdeklődő kutatók, akik javaslatot tehettek a számukra érdekes csillagok időben sűrűbb mintavételezésű észlelésére, mint amilyen az exobolygók kimutatásához elegendő. A kiegészítő tudományos mérésekre vonatkozóan több asztrofizikai témájú javaslatot fogadtak el, mint ahányat az idegen naprendszerekben található bolygókkal kapcsolatban, és még extragalaxisok fotometriai vizsgálatára is sor kerül a TESS tudományos programja keretében.

A TESS tudományos programját George Ricker, az MIT munkatársa irányítja. A programban néhány amerikai intézmény (MIT, NASA, HarvardSmithsonian Asztrofizikai Központ, Űrtávcső Tudományos Intézet) munkatársai mellett más országok tudósai is közreműködnek. Magyarországról az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének több kutatója is részt vesz a TESS asztrofizikai programjaiban (lásd keretes írásunkat). 2017-ben Ricker professzor rövid munkalátogatást is tett a Csillagászati Intézet svábhegyi központjában, hogy a magyar közreműködőkkel szakmai megbeszélést folytasson.

A TESS kiegészítő mérési programjainak téma szerint megoszlása A TESS kiegészítő mérési programjainak téma szerint megoszlása Forrás: tess.mit.edu

Pál András (tudományos főmunkatárs, MTA CSFK Csillagászati Intézet) sikeres Lendület-pályázatának befejezése után csatlakozott a TESS csapatához. Ő felel a TESS-adatok MIT-n belüli fotometriai feldolgozásához szükséges programok fejlesztéséért. Az indítást követően, az ún. „commissioning phase” során – azaz az egyik legintenzívebb munkaszakaszban – néhány hónapig az MIT-n dolgozik majd, amikor az űrtávcső beállításai, kalibrációja és első megfigyelési szakaszai történnek. Munkájának jelentősége, hogy a hosszadalmas, sokszor hónapokig tartó kalibrálás és végleges adatok kinyerése helyett a kutatók minél hamarabb előzetes eredményekhez szeretnének jutni, ez pedig az ő szakértelmének és az általa fejlesztett szoftvereknek köszönhetően lesz lehetséges. Ez kulcsfontosságú mozzanat az exobolygó-jelöltek földi nyomon követése szempontjából, hiszen a TESS működési módjának miatt az éppen megfigyelt és felfedezett exobolygók néhány hónapra a nappali égre kerülve rövid időn belül eltűnnek a földi távcsövek hatóköréből.

Szabó Róbert (tudományos tanácsadó, MTA CSFK Csillagászati Intézet) a TESS Asztroszeizmológiai Tudományos Konzorciumában (TASC) a cefeida és RR Lyrae típusú változócsillagokkal foglalkozó munkacsoport vezetője. A nagy pontosságú, folyamatos megfigyelések számos új ismerettel fogják gazdagítani ezekről a csillagokról szerzett tudásunkat. A TESS-megfigyelések révén az egész égboltra kiterjedően vizsgálhatók lesznek a pulzáló változócsillagok dinamikai jelenségei (modulációk, extra pulzációs módusok, rezonanciák stb.). A cefeidák és az RR Lyrae csillagok is kitűnő távolságindikátorok, így a magyar kutatók a galaktikus szerkezet vizsgálatát is tervezik a TESS-megfigyelések felhasználásával. Ebben nagy segítség lesz az Európai Űrügynökség asztrometriai Gaia missziója is, amely független módon szolgáltat a csillagok pontos távolságáról szóló adatokat. Szabó Róbert és csoportja nemcsak a célpontválogatásban, de az adatfeldolgozásban, földi kiegészítő megfigyelések megszerzésében és az adatok publikálásában is szerepet vállal.

További oldalak, videók az űrszondáról

További információ

Szabó Róbert, MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet, tudományos tanácsadó, tudományos igazgatóhelyettes
rszabo@konkoly.hu
(+36 1) 391 93 67