Bekapcsolták a Cheops űrtávcső műszereit – A cél Földhöz hasonló bolygók felfedezése

A Naphoz hasonlító másik csillag mellett először 1995-ben mutattak ki bolygót: e felfedezésért tavaly decemberben vehette át két svájci csillagász, Michel Mayor és Didier Queloz a 2019. évi fizikai Nobel-díjat. Jelenleg a 4100-at is meghaladja az ismert exobolygók száma. Az eddig felfedezett exobolygók száma alapján a felfedezési módszerek hatékonyságát is figyelembe véve a csillagászok több milliárdra becsülik a Tejútrendszerben található bolygók számát.

Az ismert exobolygók számának növekedése az elmúlt 25 évben Forrás: Fizikai Szemle, 2019. december, Haris-Kiss András cikke, a http://exoplanet.eu alapján

A távoli csillagok körül keringő bolygók azonban még a legnagyobb távcsövekkel figyelve is csak ritkán látszanak, létükről közvetett módon, a csillagukra gyakorolt hatásuk alapján szerezhetünk tudomást.

Hogyan fedezik fel az exobolygókat?

Kezdetben többnyire úgy mutatták ki a csillag körül keringő bolygót, hogy a csillagról készített színképben a spektrumvonalak észlelt hullámhosszának változását keresték, mivel a csillag és a bolygó alkotta rendszerben mindkét égitest a rendszer tömegközéppontja körül kering, a pálya menti mozgás során pedig a csillag egy ideig közeledik felénk, majd távolodik tőlünk a bolygó keringési periódusának megfelelő ütemben váltakozva. A csillag színképében kialakuló vonalak hullámhossza a látóirányú sebesség változása következtében periodikusan változik a laboratóriumban mérhető értékhez képest – ez a hétköznapi életben a hanghullámokra jól ismert Doppler-hatás megfelelője fényhullámokra. A legelső exobolygókat mind ilyen módon, a Doppler-effektus kimutatásával fedezték fel. A csillagászati spektroszkópia tökéletesítésével ma már a látóirányú sebesség néhány cm/s mértékű változását is ki lehet mutatni a színképvonalak hullámhosszát megmérve. Ezzel a módszerrel azonban csak a csillagukhoz közel keringő és/vagy a Földénél sokkal nagyobb tömegű – leginkább a Jupiterhez hasonló – óriásbolygók kimutatására van esély, és csak a spektroszkópiai úton jól vizsgálható, fényes csillagoknál.

A 18 Delphini jelű csillag körül keringő bolygó hatása a gazdacsillag spektrumában mérhető látóirányú sebességre Forrás: exoplanets.org, Jason Wright, Dr. Geoff Marcy és a California Planet Survey

Egy csillag körül keringő másik égitest létére abból is lehet következtetni, ha a kísérő a csillag előtt áthaladva átmenetileg lecsökkenti a csillag látszó fényességét. A kísérő persze lehet akár csillag is, nem feltétlenül bolygó. Hogy csillag vagy bolygó átvonulása miatt halványul-e el a csillag, arra a fényességcsökkenés időbeli lefolyásából, a fénygörbe alapján lehet következtetni. A bolygó a csillaghoz viszonyítva csekély méretű, ezért egy exobolygó alig takar ki valamennyit a csillag korongjából, amikor éppen átvonul előtte. Emiatt a fedési módszerrel történő bolygókereséshez nagyon pontos fényességmérésre van szükség. Földfelszíni méréseknél a fotometria pontossága csökken amiatt, hogy a fény az állandóan nyugtalan földi légkörön keresztülhaladva jut a távcsőbe, ezért a fedési módszerrel történő exobolygó-keresés térnyeréséhez a fotométert az űrbe kellett telepíteni.

A bolygó átvonulása a csillag korongja előtt átmenetileg lecsökkenti a csillag látszó fényességét Forrás: Wikimedia Commons

A fotometriai űrtávcsövek első hulláma

A földi légkör nemcsak a mérési pontosságot rontja, hanem a kozmoszból érkező elektromágneses sugárzás nagy részét el is nyeli. Földfelszíni csillagászati műszerekkel csak az optikai tartomány és a rádiósugárzás egy része vizsgálható, magasabb hegyekről pedig az infravörös sugárzás néhány keskeny sávja is. Ezért magától értetődő volt, hogy amikor űrszondák fedélzetén elhelyezett távcsövekkel is lehetővé váltak a csillagászati megfigyelések, akkor a kutatók főként azokra a színképtartományokra voltak kíváncsiak, amelyekben a kozmoszból nem érkezik jel a Földre. A 20. század utolsó évtizedeiben így sor került az égbolt alapos vizsgálatára az ultraibolya, a röntgen- és a gamma-hullámhosszakon, valamint az infravörös sugárzás teljes tartományában.

A légkör hiánya azonban az optikai csillagászati megfigyeléseknek is kedvez. Bármilyen magas is az űrből végzett csillagászati észlelések költsége, a földi távcsövekkel elérhetőnél sokkal jobb szögfelbontás és nagyobb pontosság miatt az optikai tartományban észlelő űrtávcsövek is bekerültek a csillagászok eszköztárába. Közülük a leghíresebb, a Hubble űrtávcső közelít működésének 30. évfordulójához. Csakhogy a Hubble űrtávcső univerzális műszer, nemcsak a látható fényt vizsgálják vele, hanem az infravörös és ibolyántúli sugaraknak az optikaival szomszédos tartományát is.

A kifejezetten a látható fény hullámhosszain végzendő fotometriai észlelések céljából készített űrtávcsövek története csak a 21. században kezdődött, mégpedig az aktatáska méretű kanadai MOST űrszonda 2003-as felbocsátásával. Ezt három évvel később a francia kezdeményezésű, de az Európai Űrügynökség (ESA) közreműködésével készített és működtetett CoRoT űrtávcső követte. Az ezek által kapott nagyon pontos fényességadatok rengeteg fontos eredményre vezettek a csillagok fényességváltozásával kapcsolatban, nem mellesleg néhány újabb exobolygó is „horogra akadt” a gazdacsillag előtti átvonulás jellegzetes fénygörbéje alapján.

Az exobolygók felfedezésében az igazi áttörést a 2009-ben indított Kepler űrszonda hozta, amivel a csillagok fényességének néhány milliomodnyi változását is detektálni lehetett. Működésének majdnem tíz éve alatt a félmilliónál több csillagról gyűjtött adatsorban majdnem 2700 exobolygó által okozott fedést sikerült kimutatni, így tehát az ismert exobolygók nagyobbik hányadának felfedezését a Kepler-küldetésnek (és a Kepler folytatásának tekinthető K2 missziónak) köszönhetjük. A Kepler által vizsgált eredeti égboltrészleten a négyéves folyamatos adatsor alapján ráadásul nemcsak egyedi exobolygókat, hanem bolygórendszereket – amelyekben tehát több bolygó is kering a gazdacsillag körül – is sikerült találni. Akadt köztük olyan rendszer is, amelyben 8 nagybolygó kering a központi csillag körül, akárcsak a mi Naprendszerünkben.

A 2018-ban indított TESS (Transiting Exoplanets Survey Satellite – átvonuló exobolygókat felmérő műhold) jelenleg is működik. A NASA missziója abban a tekintetben jelent nagy előrelépést a korábbi fotometriai űrszondákhoz képest, hogy a programján a teljes égbolt vizsgálata szerepel: két év alatt a tetszőleges irányban levő fényes csillagokról gyűjt legalább 27 napos fotometriai adatsort. Napjainkig 1400 exobolygójelöltet talált, amelyek közül 34 a gazdacsillagról földi távcsővel készített színkép alapján (a látóirányú sebesség változását kimérve) már biztosan új exobolygó.

Exobolygók kutatásával (is) foglalkozó csillagászati űrszondák. A középen látható vízszintes időtengely fölött azok az űrtávcsövek szerepelnek, amelyek elsődleges célja exobolygók felfedezése és vizsgálata, az időtengely alatt pedig azok, amelyek fő célja más, de exobolygók vizsgálatára is sor kerül(t) Forrás: ESA

Az „új hullám” első képviselője: a Cheops

Sok ezer exobolygó felfedezése után az elsődleges cél már nem a még több újabb bolygó keresése, hanem az, hogy a Földhöz hasonló bolygókat sikerüljön találni, méghozzá olyan környezetben, ahol az élet kialakulása számára is adottak a feltételek. Ez a szakemberek és a nagyközönség közös vágya. A terv megvalósításának egyik fontos lépése a Cheops fotometriai űrtávcső megépítése és mérési programjának végrehajtása.

A Cheops a CHaracterising ExOPlanet Satellite kifejezésből alkotott betűszó, és az angol elnevezésből már kiderül, hogy ezzel az űrtávcsővel nem újabb exobolygók keresése a cél, hanem már ismert exobolygóknak a korábbiaknál alaposabb vizsgálata. A svájci csillagászoktól származó küldetésötletet az ESA 2012-ben felkarolta – a 26 beérkezett javaslat közül ezt választották –, és kis költségvetésű misszióként 50 millió euróval támogatta. Az ESA a spanyolországi Airbus Defence and Space céget választotta az űrszonda gyártójául, és az űrtávcső indítását is magára vállalta.

A Berni Egyetem által szervezett Cheops Konzorciumhoz számos más ország csatlakozott – az űrtávcső elkészítéséhez anyagilag is hozzájárulva –, így a Cheops nagyjából 100 millió euróból valósult meg. A belga, brit, német, olasz, osztrák és svéd intézetek, cégek mellett az EU13 régióból egyedül a magyarok csatlakoztak a konzorciumhoz.

A Cheops az ESA fantáziaképén Forrás: ESA/ATG medialab

Magyar hozzájárulás

A Cheops programjában a miskolci Admatis Kft., továbbá a CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet és az ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatórium vesz részt. Az Admatis Kft. szakemberei tervezték és készítették azokat a hűtőradiátorokat, amelyek a távcsőre szerelt CCD-kamera és a vezérlőelektronika működése során felszabaduló hőt vezetik el a detektor környezetéből, elősegítve a maximális mérési pontosságot. Ezzel a mindössze 56 kg tömegű műszerben 1,2 kilogrammnyi magyar alkatrész került a világűrbe.

A Cheops programjában részt vevő magyar kutatók főként az exobolygók körül keringő holdak (exoholdak) kimutatására alkalmas megfigyelési stratégiák kidolgozásában, az észlelendő célpontok kiválasztásában, valamint a megfigyelési adatokat feldolgozó szoftverek fejlesztésében vettek részt a konzorcium megalakulása óta eltelt hat évben. A Cheops legfelsőbb irányító testületeiben Kiss László (CSFK) és Szabó M. Gyula (ELTE GAO) képviselik Magyarországot, de a Berni Egyetemen dolgozó magyar kutató, Simon Attila szerepe is jelentős, ő ugyanis exoholdszakértőként és szoftverfejlesztőként működik közre a Cheops projektben.

Száz ígéretes célpont

A Cheops szonda lelke egy 32 cm tükörátmérőjű optikai teleszkóp, amely a fókuszába szerelt CCD-kamerával 100 előre kiválasztott fedési exobolygó átvonulásait fogja mérni. Szükség esetén az előre tervezett mérési programtól el is lehet térni, és ennek során kedvező körülmény, hogy az űrtávcsövet az égbolt tetszőleges iránya felé lehet fordítani. Az exobolygókkal foglalkozó korábbi űrprojekteknél ilyesmire nem volt lehetőség.

A Cheops űrtávcsövet 2019. december 18-án indították egy Szojuz-Fregat hordozórakétával az ESA kouroui (Francia Guyana) űrközpontjából. A Cheops az indítás után két és fél órával vált le a hordozórakétáról, és a földfelszíntől 710 km magasan húzódó napszinkron pályára állt. Az űrtávcső működését 3,5 évesre tervezik. Ez idő alatt a már ismert 4100 exobolygó közül százról vesz fel részletes fénygörbét, hogy annak alapján meg lehessen határozni a planéták méretét, átlagos sűrűségét, továbbá azt, hogy van-e atmoszféra körülöttük. A megfigyelések során keletkezett mérési adatokat 1,2 Gbit/nap sebességgel továbbítják majd a Földre.

Az előre kiválasztott száz célpont között akad a Földnél kissé nagyobb méretű bolygó, ún. szuper-Föld, de a programban szerepel a Neptunusz méretét majdnem elérő bolygó, ún. mini-Neptunusz is. A fő cél annak megállapítása, hogy van-e köztük olyan bolygó, amelyiken a körülmények kedvezőek az általunk ismert élet fenntartásához. A mérési programban szerepel néhány bolygórendszer is. Ezek vizsgálata a Naprendszer kialakulásának és fejlődésének megértését segíti. Arra is van lehetőség, hogy az időközben – pl. a TESS szonda mérései alapján – felfedezett exobolygókat részletes vizsgálat alá vonják, hiszen a Cheops hosszabban tudja mérni a csillagok fényességét, mint a TESS.

A rendelkezésre álló megfigyelési idő ötödét a tudományos közösség igényei alapján más objektumok észlelésére fordítják. A csillagászok előzetesen megfigyelési javaslatokat nyújthattak be, és azok tudományos értéke szerint állították össze a vendégészlelői programot, amelyben nemcsak exobolygókkal kapcsolatos kutatások szerepelnek. Mivel a korábbi fotometriai űrszondák nagyon sikeresek voltak a változó fényű csillagok kutatásában, most is lényeges eredmények várhatók a különféle típusú változócsillagok Cheops-adatainak elemzéséből.

A következő bolygóvadászok

Ha nem is elsőre, de a második pályázáskor az ESA támogatásáról biztosította a PLATO fotometriai űrprojektet. Ez az elnevezés a PLAnetary Transits and Oscillations of stars (bolygóátvonulás és csillagoszcilláció) betűszóvá formálásából ered. A PLATO is az egész égbolton fogja mérni a csillagok fényességét, hogy exobolygók átvonulására utaló jeleket találjon, és mivel a korábbi fotometriai űrtávcsöveknél hosszabb üzemidőre tervezik, a csillaguktól távolabb keringő, emiatt hosszabb keringési periódusú bolygók felfedezése is lehetővé válik. A PLATO indítását jelenleg 2026-ra tervezik.

Az ARIEL – az Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey (légköri távérzékelő, infravörös exobolygó-felmérő) alapján alkotott betűszó – a PLATO-hoz hasonlóan ugyancsak az ESA közepes költségvetésű küldetése, amelyet várhatóan a következő évtized vége felé indítanak. Az ARIEL egy lépéssel tovább megy az exobolygók jellemzésében, ugyanis korábbról már ismert ezer exobolygó atmoszféráját fogja spektroszkópiai úton vizsgálni, hogy meg lehessen határozni a bolygót körülvevő atmoszféra kémiai összetételét és fizikai tulajdonságait. Ez szintén a bolygók és bolygórendszerek kialakulásának megértését segíti elő.

Háttéranyagok

A Cheops központi weblapja: https://cheops.unibe.ch

Az Admatis Kft. weboldala: http://www.admatis.com

Gyorsított felvétel a Cheops összeszereléséről:
https://www.youtube.com/watch?v=v7VbkoaV2hg

Videó a 4000 exobolygó felfedezésének üteméről:
https://www.youtube.com/watch?v=aiFD_LBx2nM

A Cheops projektet angol nyelven ismertető videók:
https://www.youtube.com/watch?v=WLhx51sNuUY

https://www.youtube.com/watch?v=AldA1h_mTR4

Az űrszondát gyártó Airbus ismertetője a Cheopsról:
https://www.youtube.com/watch?v=sR9MAFJrud4

A Cheops indítása (a hasznos teherként a hordozórakétára szerelt COSMO-SkyMed, OPS-SAT, EyeSat és ANGELS űrszondákkal együtt):
https://www.youtube.com/watch?v=rG6lx3-S9Eg