211service.com
Mój satelita zmieściłby się w małej walizce.
Ale może nam pomóc znaleźć inne światy. 18 grudnia 2020
Sara Seager z teleskopem na swoim podwórku, czekając na ciemność nocnego nieba. Kaplica Webba
Sara Seager długo i intensywnie myślała o matematyce: prawdopodobieństwo, że Ziemia jest jedynym życiem we wszechświecie, jest prawie niemożliwe. Największym odkryciem, jakiego astronomowie mogliby dokonać, jest to, że nie jesteśmy sami, pisze astrofizyk z MIT w swoim nowym pamiętniku Najmniejsze światła we wszechświecie . Ludzkość od wieków przeszukiwała niebiosa w poszukiwaniu odbicia nas samych; zobaczyć kogoś lub coś innego zamieszkującego inną Ziemię — to jest marzenie.
Pionierka w poszukiwaniach egzoplanet, czyli planet krążących wokół innych gwiazd, opracowała standardową obecnie praktykę badania atmosfer planet poprzez analizę światła, które przez nie przenika. Seager, który zdobył genialny grant Fundacji MacArthura, jest profesorem nauk planetarnych w klasie 1941 i ma nominacje na wydziałach fizyki, aeronautyki i astronautyki. Była także zastępcą dyrektora naukowego kierowanej przez MIT misji NASA Explorer TESS (tranzytujący satelita do badań egzoplanet) w latach 2016-2020 oraz przewodniczyła Starshade Rendezvous, studium wykonalności misji kosmicznej mającej na celu znalezienie i scharakteryzowanie podobne do Ziemi. egzoplanety. W swoim pamiętniku dzieli się swoją osobistą historią owdowiania w wieku 40 lat, nagle samotnej matki dwóch małych synów, podczas gdy wyjaśnia naukę swoich poszukiwań innych światów.
Ten fragment, zaczerpnięty z różnych części jej książki, jest kroniką jej pracy nad rozwojem ASTERII. Satelita wielkości małej walizki, ASTERIA, został zaprojektowany, aby zademonstrować technologię potrzebną maleńkiemu teleskopowi do poszukiwania egzoplanet poprzez wykrywanie maleńkiego zagłębienia w świetle gwiazdy, gdy orbitująca planeta przechodzi przed nią. Seager zainicjował i rozwinął ASTERIA w MIT, a później pełnił funkcję głównego badacza, gdy był budowany i obsługiwany przez Jet Propulsion Laboratory od listopada 2017 do grudnia 2019 roku.
Poszukiwanie cieni, aby znaleźć inne światy
W swej istocie astrofizyka to nauka o świetle. Wiemy, że poza słońcem istnieją gwiazdy, ponieważ widzimy, jak świecą. Ale światło nie tylko oświetla. Zanieczyszczenia światłem. Lekkie rolety. Małe światła – egzoplanety – zostały na zawsze zmyte przez większe światła ich gwiazd, tak jak te gwiazdy są zmywane przez nasze słońce. Aby znaleźć inną Ziemię, musielibyśmy znaleźć najmniejsze światła we wszechświecie.
Jeśli przynajmniej na razie astronomowie nie mogliby walczyć z jasnością gwiazd, może moglibyśmy wykorzystać ich moc na naszą korzyść. Ciała w tranzycie czasami się wyrównują. Gdybyśmy mieli szczęście, planeta mogła przejść między nami a swoją gwiazdą, tworząc coś w rodzaju miniaturowego zaćmienia. Księżyc wygląda jak gigantyczny, gdy zasłania słońce. Technika Tranzytu, bo tak by się nazywała, zastosowała tę samą zasadę do egzoplanet. Znajdowalibyśmy ich nie po świetle, które emitowali, ale po świetle, które zepsuli. Nic tak nie wyróżnia się jak czarna plama.
Jesienią 1999 roku, kiedy byłem stażystą podoktoranckim w Institute for Advanced Study w Princeton, ogłoszono pierwszy tranzyt znanej planety – HD 209458b, gorącego Jowisza. To była absolutnie fantastyczna wiadomość, po części dlatego, że odkrycie to usunęło ostatni ślad wątpliwości, że egzoplanety istnieją.
Badanie światła gwiazd w poszukiwaniu oznak życia
Odwracałem pomysł — naprawdę oryginalny — a pomyślne zastosowanie techniki tranzytowej nadało mu większą pilność. Wiele nauki, zwłaszcza pionierskiej, opiera się na intuicji. Nie miałem żadnych dowodów na to, że mój pomysł zadziała. Ale bez wątpienia. Zdałem sobie sprawę, że ta technika może pomóc w ujawnieniu czegoś więcej niż czarnej sylwetki planety. Natychmiast wokół tego małego częściowego zaćmienia, to samo światło gwiazdy, które było blokowane przez egzoplanetę, przeszłoby przez jej atmosferę. Światło gwiazd docierałoby do nas, ale nie w taki sposób, w jaki dociera do nas zwykłe światło gwiazd. Byłaby filtrowana, jak woda przepływająca przez ekran albo promień latarki przedzierający się przez mgłę. Jeśli spojrzysz na tęczę z daleka, jej wiele kolorów tworzy idealne połączenie. Ale jeśli przyjrzysz się tęczy bliżej, używając przyrządu zwanego spektrografem, zobaczysz przerwy w świetle, maleńkie przerwy na każdej długości fali, jak brakujące zęby. Gazy w atmosferze słonecznej i własna cienka powłoka Ziemi zakłócają transmisję światła słonecznego, tak jak linie energetyczne powodują zakłócenia w sygnale radiowym. Niektóre gazy ingerują w charakterystyczny sposób. Jeden gaz może ugryźć indygo, podczas gdy inny gaz może mieć apetyt na żółty lub niebieski. Dlaczego nie moglibyśmy użyć spektrografu do obserwacji światła gwiazd przechodzącego przez atmosferę przechodzącej przez egzoplanetę? W ten sposób mogliśmy określić, jakie rodzaje gazów otaczają tę egzoplanetę. Wiedzieliśmy już, że duże ilości niektórych gazów mogą istnieć tylko w obecności życia. Nazywamy je gazami biosygnaturowymi. Tlen jest jednym; metan jest kolejnym. Moglibyśmy zacząć od gorących Jowiszów, planet, które już znamy, i ich łatwiej wykrywalnych atmosfer. Jak spray skunksa, ich śladowe ilości sodu i potasu wyróżniałyby się wśród towarzystwa słabszych atomów. Zachowałem swój pomysł dla siebie, ponieważ wiedziałem, że jest świetny — jako pierwszy dostrzegłem potencjał techniki tranzytowej do badania atmosfer — i wiedziałem też, że wielkie pomysły zostają skradzione. Dimitar Sasselov, mój były promotor, był jedyną osobą, której opowiedziałem o swojej teorii i zaoferował mi pomoc w jej zbliżeniu do praktyki. Kiedy opracowaliśmy szczegóły, opublikowałem artykuł wychwalający to, co Dimitar i ja nazwaliśmy widmami transmisji tranzytowej — odczytywanie przerw w tęczach.
Mój artykuł spotkał się z dużym zainteresowaniem. NASA przyjmowała propozycje wykorzystania Kosmicznego Teleskopu Hubble'a; w ciągu kilku miesięcy od publikacji jeden zespół zacytował moją pracę i zdobył prawa do badania światła, które przeszło przez atmosferę tranzytującego gorącego Jowisza. Byłem wściekły, że nie znalazłem się w tym zespole, który wybrał starszego mężczyznę-naukowca zamiast mnie.
W ciągu dwóch lat ich praca ujawniła pierwszą atmosferę pozaplanetarną. Nie otaczał innej Ziemi, ale moje założenie zadziałało. Widzieliśmy nasze pierwsze obce niebo.
Szpiegowanie gwiazd za pomocą maleńkich satelit
Jedną z największych przeszkód w poszukiwaniu egzoplanet jest czas ich odnalezienia. Najbliższe i najjaśniejsze gwiazdy podobne do Słońca są rozrzucone po całym niebie, co oznacza, że żaden teleskop nie może objąć więcej niż kilku na raz. Ale używanie czegoś takiego jak Hubble lub Spitzer do patrzenia na pojedynczy układ gwiazd czekający, mając nadzieję, że zobaczy cienie planet, których istnienia nie jesteśmy pewni, jest zbyt drogie, a także nonsensowne. Właściwe odwzorowanie układu gwiezdnego może zająć lata.
Próbowałem opracować długoterminowy plan znalezienia innej Ziemi, kiedy dowiedziałem się, jak społeczność nazywała satelity typu cubesat — maleńkie satelity zaprojektowane w standardowej formie, co rzekomo czyniło je tańszymi i łatwiejszymi do zbudowania i dostarczenia w kosmos. A jeśli zrobię konstelację sześcianów, z których każdy ma patrzeć tylko na jedną gwiazdę? Śniły mi się teleskopy kosmiczne wielkości bochenka chleba — nie jeden, ale armia, która wędruje na orbitę jak wielu zaawansowanych zwiadowców. Każdy mógł się osiedlić i monitorować przypisaną mu podobną do słońca gwiazdę tak długo, jak tego potrzebowałem; każdy może być poświęcony nauce wszystkiego, co możliwe, o jednym świetle. Hubble, Spitzer, Kepler — każdy z nich widział ogromnie. Może teraz potrzebowaliśmy dziesiątek lub setek węższych spojrzeń, wykorzystując Technikę Tranzytu jako główną metodę odkrywania. Cubesats nie widziałyby tego, co mogłyby zobaczyć większe teleskopy kosmiczne, ale nigdy nie musiałyby mrugać.
Ta panorama północnego nieba uchwycona przez TESS (tranzytujący satelita do przeglądów egzoplanet) zawiera krawędziowy widok Drogi Mlecznej. Sara Seager pełniła funkcję zastępcy dyrektora naukowego prowadzonej przez MIT TESS, misji NASA Explorer, od 2016 do 2020 roku.
NASA/MIT/TESS I ETHAN KRUSE (USRA)
Rozmawiałem z Davidem Millerem, kolegą i profesorem inżynierii, który był odpowiedzialny za to, co stało się jednym z moich ulubionych zajęć: zajęcia z projektowania i budowy dla studentów czwartego roku. To było rewolucyjne, kiedy się zaczęło, ponieważ było tak oparte na projektach; po kilku wykładach wprowadzających studenci zagłębili się w wyzwania stworzenia prawdziwego satelity. Zapytałem Davida, czy mógłbym wykorzystać jego zajęcia do inkubacji mojego pomysłu na Cubesat.
Od początku był entuzjastyczny. Być może najlepszą rzeczą w MIT jest to, że bez względu na to, jak szalony jest twój pomysł, nikt nie mówi, że nie zadziała, dopóki nie okaże się niewykonalny. A wciśnięcie teleskopu kosmicznego wewnątrz czegoś tak małego jak satelita sześcianowym było dość szalonym pomysłem. Głównym wyzwaniem byłoby zrobienie czegoś małego, co nadal byłoby wystarczająco stabilne, aby zebrać jasne dane – trudne, ponieważ mniejsze satelity, jak wszystko mniejsze, łatwiej są popychane w kosmos niż większe obiekty. Aby dokonać precyzyjnych pomiarów jasności gwiazdy, musielibyśmy być w stanie utrzymać jej środek jasności na tym samym, maleńkim ułamku piksela, znacznie cieńszym niż szerokość ludzkiego włosa. Musielibyśmy zrobić coś, co byłoby sto razy lepsze niż wszystko, co obecnie istniało w klasie masowej cubesata. Wyobraź sobie, że robisz silnik samochodowy, który działa sto razy lepiej niż najlepszy dzisiejszy silnik samochodowy.
Zróbmy to, powiedział David.
Statystyka i sprzęt kosmiczny
Cubesaty są znacznie tańsze niż zwykłe satelity, ponieważ są mniejsze i łatwiejsze do wystrzelenia; zajmują znacznie mniej miejsca w ładowni rakiety, a wysłanie w kosmos funta czegokolwiek kosztuje 10 000 dolarów. Niestety ich tania produkcja sprawia, że są podatne na awarie. Wiele z nich nigdy nie działa. Używamy dla nich tego samego beznadziejnego terminu, którego lekarze używają w odniesieniu do pacjentów, których nigdy nie mieli szansy na uratowanie: DOA.
Jedną z naszych pierwszych przeszkód był więc problem statystyki. (Każdy problem jest problemem statystycznym.) Aby stworzyć chmurę sześcianów, która miała się nazywać ASTERIA, musieliśmy wymyślić, ile satelitów będziemy potrzebować, aby dać nam rozsądną szansę na znalezienie innej planety wielkości Ziemi. Warto monitorować tysiące jasnych, podobnych do Słońca gwiazd, ale nie bylibyśmy w stanie zbudować i zarządzać tysiącami satelitów. Wiedzieliśmy również, że biorąc pod uwagę efemeryczny charakter tranzytów, prawdopodobieństwo, że planeta wielkości Ziemi przejdzie przez gwiazdę podobną do Słońca, wynosi tylko około 1 na 200. Niektóre z naszych satelitów bez wątpienia również ulegną awarii lub zostaną utracone. Gdybyśmy wysłali tylko kilka, musielibyśmy być albo bardzo strategiczni, albo mieć dużo szczęścia, aby znaleźć to, czego szukaliśmy. Istniała pewna optymalna liczba satelitów, która w połączeniu z inteligentną listą gwiazd docelowych pozwoliłaby utrzymać rozsądny budżet, ale nadal dawałaby duże szanse na sukces.
Miałam szczęście, że miałam wspaniałą grupę doktorantów i doktorów, na których opierałam się, gdy mój mąż Mike zachorował. Jeden zabrałem do pracy nad optyką ASTERIA, inny nad precyzyjnym celowaniem, trzeci nad komunikacją. Z ich pomocą poczyniłem postępy w kierunku prototypu moich maleńkich satelitów, wynajdując i testując sprzęt i oprogramowanie do precyzyjnego wskazywania oraz udoskonalając projekt pokładowego teleskopu i jego ochronnej przegrody. Ciężko pracowałem, aby oczyścić resztę ścieżki, aby ASTERIA stała się prawdziwa. Po przygotowaniu podstaw do zajęć z projektowania i budowy, do moich uczniów i mnie dołączyło laboratorium Draper w Cambridge, gdzie badacze pracują nad takimi systemami naprowadzania rakiet i nawigacją łodzi podwodnej. Wykonują również dużo pracy na sprzęcie kosmicznym. Co tydzień spotykaliśmy się, próbując rozwiązać problemy małych teleskopów. Moglibyśmy zbudować wystarczająco małe komponenty, rozmieścić satelitę i powiedzieć mu, co ma robić, ale wciąż nie mogliśmy wymyślić, jak utrzymać go tak stabilnym, jak tego potrzebowaliśmy. Podczas gdy staraliśmy się rozwiązać ten problem, wykorzystałem moje trwające badania nad gazami biosygnaturowymi, aby określić, jakie typy egzoplanet zasługują na naszą uwagę. Pomyślałem, że w ciągu mojego życia moglibyśmy zbadać około stu systemów gwiezdnych; musiały być właściwe.
Test na pustyni
Zapadła noc, twarda jak pustynia i ciemniejsza niż czarna, gdy skuliliśmy się razem na wielkim kawałku betonu w starym wyrzutni rakiet w samym środku Nowego Meksyku, aby przetestować nowy komponent dla ASTERIA. Byłem coraz bardziej przekonany o jego wartości. To nie był Hubble, Spitzer ani Kepler i może nigdy nie będzie to coś tak wspaniałego. Ale nie każdy obraz powinien lub mógłby być Gwieździsta noc . We wszechświecie jest miejsce na mniejsze prace, inny rodzaj sztuki. Kepler mógłby znaleźć tysiące nowych światów, ale nie ujawniłby wystarczająco żadnego z nich, abyśmy wiedzieli, czy jest to czyjś dom. Omiatał wzrokiem pola gwiazd, które były zbyt odległe, aby astronomowie mogli poczynić cokolwiek więcej niż tylko przypuszczenia dotyczące miejsc takich jak Kepler-22b.
Ale gdybym mógł po prostu sprawić, by ASTERIA zadziałała, a następnie znaleźć sposób na wysłanie floty satelitów, połączyłoby to najlepsze wyniki teleskopu kosmicznego Kepler NASA, zdolnego do znajdowania mniejszych planet wokół gwiazd podobnych do Słońca, oraz rodzącego się TESS, z jego bliższym poszukiwaniem i wrażliwością na czerwone karły.
Inżynierowie testują ASTERIA przed jej premierą w 2017 roku.
NASA/JPL-CALTECHMój zespół zbudował prototyp możliwej kamery, która była obiecująco stabilna i mogła działać w wyższej temperaturze niż detektory używane w większości satelitów. (Większość musi być chłodzona, co obciąża maszynę.) Po prostu nie byłem pewien, czy zobaczy to, czego potrzebujemy. Miałem wtedy szczególnie błyskotliwą i entuzjastyczną studentkę, Mary Knapp; była studentką na pierwszych zajęciach z projektowania i budowy, których uczyłem. Zachęcała nas do przetestowania aparatu na zewnątrz, używając go do oglądania prawdziwych gwiazd. Maryja zaproponowała pustynie Nowego Meksyku jako nasz poligon doświadczalny. Tego kwietnia miał nastąpić nów księżyca, który już i tak już czyste pustynne niebo zaciemniłby się jak dzban. Ten nów księżyca zbiegł się również z przerwą szkolną dla moich synów, Maxa i Alexa, co oznaczało, że mogłem ich zabrać ze sobą. Chociaż bardzo chciałem zobaczyć gwiazdy, chciałem je też zobaczyć.
Zapytałem lokalny klub astronomów amatorów, gdzie może być najlepsze miejsce do testowania naszego aparatu. Tego wieczoru zaprosili nas na swoją imprezę z widokiem na gwiazdy, święto nowiu księżyca. Dotarliśmy o zmierzchu do starego miejsca pocisków. Spojrzałem na gwiazdy i poczułem powrót mojego dziecięcego zdumienia. Myślę, że chłopcy też to poczuli.
Ustawiamy kamerę. Musielibyśmy poczekać, aż wrócimy do MIT, aby przeanalizować nasze dane, ale nasz nowy typ detektora, który nie był jeszcze używany w astronomii, wydawał się załatwić sprawę. Wiedzieliśmy przynajmniej, że nasz eksperyment nie zakończył się całkowitą porażką.
Długo oczekiwana premiera
W sierpniu 2017 roku, po latach pracy, nadziei i wysiłków, SpaceX przygotowało się do wystrzelenia rakiety Falcon 9 w kosmos. Rakieta nie miała załogi, ale ASTERIA była na pokładzie.
To była trudna podróż. Kamera przeszła z mojej wyobraźni do naszej klasy projektowania i budowy, poprzez rysunki i prototypy oraz starą bazę rakiet w Nowym Meksyku. Potem skończyły nam się pieniądze w MIT, a Draper Laboratory polubiło tę technologię bardziej do innych rzeczy. Laboratorium Napędów Odrzutowych, które zawsze interesowało się możliwościami satelitów sześcianowych, a w szczególności ASTERII, rozpoczęło pracę w miejscu, w którym skończyli MIT i Draper. Trzech absolwentów MIT miałoby odgrywać wiodące role w projekcie; traktowali swoją pracę poważnie, widząc na własne oczy, jak bardzo ma to znaczenie. Ich pasja i wiedza sprawiły, że ASTERIA stała się wszystkim, czym mogła być, że została właściwie zbudowana i w końcu z miłością umieszczona w ładowni rakiety, jęczącej na wyrzutni w piękny późny letni dzień. Rakieta przecięłaby niebo i spotkała się z Międzynarodową Stacją Kosmiczną. Tamtejsi astronauci mieli uwolnić naszego małego satelitę późną jesienią. Od szeptu w moich snach do kosmosu: nie mogłem uwierzyć, że zbliżamy się do końca tak długiego rozrachunku.
Planowałem pojechać na premierę ASTERIA, ale było to opóźnione na tyle długo, że plany podróży i opieki nad dziećmi się nie powiodły. W dniu premiery zamiast tego wsiadłem do pociągu do Cambridge, poszedłem do Green Building i pojechałem windą na moje piętro. Przeszedłem obok plakatów podróżniczych dla odległych światów do mojego biura, zamknąłem drzwi i wywołałem transmisję wideo online. Premiera była wielką sprawą; na całym świecie oczy były skierowane na tę rakietę, wciąż czekającą na lądowisku.
Od czasu do czasu spoglądałem znad bezchmurnego materiału z Florydy na moim ekranie i przez okna, na krystaliczny widok na centrum Bostonu. Wszędzie, gdzie spojrzałem, było czyste niebo. Spędziłem może 30 minut w ciszy, pisząc e-maile z podziękowaniami do innych członków zespołu ASTERIA. W ostatniej sekundzie postanowiłem ich nie wysyłać. Wiem, że przesąd jest nienaukowy. Rozumiem, że dla wszechświata nie ma znaczenia, czy baseballista ma na sobie swoją szczęśliwą bieliznę — to, czy zostanie trafiony, zależy głównie od miotacza i od niego. Ale rakiety to delikatne, złośliwe maszyny. Zanim Rosjanie wystrzelą rakiety ze stepów Kazachstanu na orbitę, wzywają prawosławnego księdza, by rzucił święconą wodę na silniki, brodę i płaszcz oraz wodę święconą niesiona bokiem przez wiatr. Nie szedłem tak daleko, ale nie zamierzałem wysłać kilku e-maili, dopóki nie będziemy bezpiecznie w stanie nieważkości. Byłem zaskoczony tym, jak bardzo się denerwowałem, obserwując, jak zegar odliczający tyka do startu.
Silniki zapłonęły wielką kulą czystego ognia. Wieża startowa odpadła, a rakieta zwolniła się z lądowiska, nabrała prędkości i skierowała lśniące ramiona w kierunku przyszłej orbity. Pokładowe kamery rejestrowały jego łukowaty lot, gdy niebo wokół niego zmieniało się z niebieskiego przez fioletowy na czarny. Rakieta przedarła się w kosmos. Silniki rakietowe zostały odrzucone, a pozostała część rakiety kontynuowała wznoszenie w najgłębszą możliwą noc, Ziemia była niebieska i płonęła za nią, a przed nimi niemożliwa czerń. Zajęłoby mu trochę czasu, zanim dogonił stację kosmiczną, która pędziła po orbicie z prędkością 17 000 mil na godzinę, około pięciu mil na sekundę. Ale rakieta i nasz satelita były na dobrej drodze.
Wszystko odważne musi się gdzieś zacząć, pomyślałem.
Czy wierzę w inne życie we wszechświecie?
Tak wierze.
Lepsze pytanie: Co nasze poszukiwania mówią o nas? Mówi, że jesteśmy ciekawi. Mówi, że mamy nadzieję. Mówi, że jesteśmy zdolni do cudów i cudownych rzeczy.
Zaadaptowane i przedrukowane z Najmniejsze światła we wszechświecie . Copyright 2020 by Sara Seager. Wydane przez Crown, wydawnictwo Random House Publishing Group, oddział Penguin Random House.