Obserwator planety

Jako dziecko Sara Seager była przekonana, że ​​księżyc podąża za nią, gdziekolwiek się udała. Dreszcz patrzenia na to przez teleskop, gdy miała pięć lat, jest jednym z jej najwcześniejszych wspomnień.

Sara Seager

Kiedy Seager po raz pierwszy przyglądał się Księżycowi w 1976 roku, astronomowie z NASA dyskutowali już o potrzebie kosmicznego teleskopu na podczerwień. Kiedy Teleskop Kosmiczny Spitzera wystrzelił na orbitę prawie trzy dekady później, sama Seager byłaby jednym z naukowców wykorzystujących go do badania atmosfer planet poza naszym Układem Słonecznym – planet, których istnienia nikt nie był pewien 10 lat wcześniej.

Do 1995 roku księżyc podążył za Seagerem do szkoły wyższej na Harvardzie, gdzie wybierała temat pracy doktorskiej. Tej jesieni szwajcarscy naukowcy ogłosili, że zauważyli planetę krążącą wokół gwiazdy w konstelacji Pegaza – pierwszej z wielu planet, które wkrótce zostaną wykryte poza naszym Układem Słonecznym. Seager napisała swoją pracę magisterską na temat tego, w jaki sposób na atmosfery gorących Jowiszów – planet pozasłonecznych, które są olbrzymie i gazowe, jak Jowisz, ale znacznie bliżej swoich gwiazd, a zatem ponad 10 razy gorętsze – wpływa promieniowanie ich gwiazd. Dziś uważana jest za pionierkę w badaniach planet pozasłonecznych, czyli egzoplanet. W niektórych dziedzinach po prostu robi się stopniowy postęp w kierunku pytań, które istnieją od dziesięcioleci, mówi. W tej dziedzinie mamy tyle pytań, ile odpowiedzi.

Mając obecnie udokumentowanych ponad 200 egzoplanet, naukowcy są, co zrozumiałe, entuzjastycznie nastawieni do posiadania tak wielu nowych obszarów do zbadania i wyjaśnienia. Ludzie są podekscytowani i chcą po prostu robić nowe rzeczy, ale często nie są tak ostrożni, jak powinni, mówi Seager. To jak Dziki Zachód. Rzeczy dzieją się tak szybko, że po prostu coś robisz. Potem odchodzisz. Chcąc wnieść więcej wyrafinowania w tę dziedzinę, dołączyła do wydziału MIT w styczniu, aby rozpocząć nowy program na planetach pozasłonecznych i opracowuje kurs dotyczący egzoplanet, którego będzie uczyć jesienią. Przyjechałam tutaj, aby wnieść część wiedzy i narzędzi [nauki o atmosferze MIT] do badań atmosfery egzoplanet, mówi. Jako profesor nadzwyczajny Ellen Swallow Richards na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosfery i Planetarnej, Seager współpracuje teraz z meteorologami i naukowcami zajmującymi się atmosferą, a także z innymi astronomami. Mapy topograficzne Stanów Zjednoczonych i świata wyznaczają wejście do jej biura Green Building, gdzie rozważa planety daleko poza naszym Układem Słonecznym.

Laboratorium Seager składa się z jej mózgu i komputera, który jest zaopatrzony w dane zebrane nad ziemską atmosferą przez teleskop Spitzera. Jej biuro zawiera niewiele więcej. Pudła z aktami z jej ostatniej pracy, jako starszego badacza w Carnegie Institution of Washington, leżą przy jednej ze ścian; ich rozpakowanie zabrałoby jej czas na badania. Na drugiej wisi tablica pokryta diagramami ilustrującymi techniki, które ona i inni opracowali, aby zebrać wskazówki na temat atmosfer egzoplanet.

Kiedy astronomowie odkryli pierwszą egzoplanetę, byli zszokowani, gdy znaleźli ją siedem razy bliżej swojej gwiazdy niż Merkury do Słońca. Bliskość oślepiająco jasnej gwiazdy sprawiała, że ​​badanie było niezwykle trudne. Ale Seager wiedział, że niedługo ktoś znajdzie egzoplanetę, która widziana z Ziemi przemieści się przed swoją gwiazdą, a następnie zniknie za nią. (Prawdopodobieństwo przejścia przez swoją gwiazdę egzoplanety o bliskiej orbicie wynosi około 10%.) Astronomowie mogliby wtedy wykorzystać metodę opracowaną w połowie XX wieku do badania zaćmieniowych gwiazd podwójnych: poprzez pomiar niewielkiego spadku światła gwiazdy, gdy egzoplaneta przeszła przez nią. z przodu mogli obliczyć stosunek powierzchni planety do jej gwiazdy.

Rzeczywiście, w 1999 roku astronomowie zaobserwowali siódmą egzoplanetę bliskiej orbicie przechodzącą przez swoją gwiazdę jakieś 904 biliony mil od Ziemi. Egzoplaneta HD 209458b, gazowy olbrzym o temperaturach dochodzących do 1300 °C, została sklasyfikowana jako gorący Jowisz. Jest to również jedna z zaledwie dwóch znanych tranzytujących egzoplanet, których gwiazdy oświetlają wystarczająco dużo światła przez ich atmosfery, aby dostarczyć astronomom danych potrzebnych do szczegółowych badań.

Jedynym sposobem, w jaki astronomowie mogą dowiedzieć się o atmosferze innej planety, jest zbadanie transferu radiacyjnego planety lub propagacji światła przez jej atmosferę. Ale HD 209458b jest tak blisko swojej gwiazdy, że kończy swoją orbitę w ciągu trzech i pół dnia i nawet Spitzer, który wykrywa promieniowanie podczerwone na poziomie 1 części na 1000, nie jest w stanie samodzielnie odróżnić światła planety od gwiazdy. Jako część grupy badawczej z NASA Goddard Space Flight Center, Seager i jej koledzy wykorzystali proste obliczenia, aby wyizolować światło planety. Za pomocą spektrografu w podczerwieni Spitzera naukowcy zmierzyli światło gwiazdy i planety razem (gdy oba są widoczne) i odjęli światło od samej gwiazdy (kiedy zaćmie planetę).

Spektrograf, który działa jak pryzmat, również rozdzielił światło planety na jego składowe długości fal. Naukowcy przeanalizowali światło na każdej długości fali, szukając cech, które pozwoliłyby zidentyfikować molekuły w atmosferze egzoplanety. W wydaniu z 22 lutego Natura , poinformowali, że zebrali pierwsze dane spektralne z HD 209458b podczas dwóch zaćmień w lipcu 2005 r. – i wyjaśnili swoje nieco zaskakujące odkrycia.

Aby przeprowadzić analizę spektralną – a nawet zdecydować, czego szukać w pierwszej kolejności – naukowcy wykorzystali modele możliwych atmosfer egzoplanet opracowane przez Seagera. Kiedy światło gwiazd oświetla planetę, fotony napotykają cząsteczki w atmosferze; w zależności od tego, w którą cząsteczkę trafi, foton może zostać pochłonięty, rozproszony lub reemitowany przy innej długości fali. Obserwując fotony wyłaniające się z atmosfery, Seager może określić, jakie cząsteczki zawiera atmosfera. Fotony to nasza waluta, mówi.

Aby stworzyć swoje modele tego, jak może wyglądać gorący Jowisz, Seager zaadaptowała model nie innej planety, ale chłodnej gwiazdy, takiej jak nasze Słońce. Najpierw zmieniła go, aby jego temperatura była zbliżona do temperatury Jowisza. Następnie zastanowiła się, które atomy i molekuły można znaleźć na gorącej planecie w równowadze chemicznej. Ponieważ na przykład sód wydawał się prawdopodobnym kandydatem, dodała jego właściwości do swojego modelu, aby stworzyć sygnaturę widmową wskazującą na obecność sodu. Kiedy HD 209458b została odkryta w 1999 roku, Seager, wówczas świeżo upieczona doktorantka, wprowadziła dostępne dane o planecie do swoich modeli i przewidziała obecność sodu (między innymi) w atmosferze, którą miał mieć. Korzystając z jej modeli, astronomowie zaprojektowali eksperymenty, w których Kosmiczny Teleskop Hubble'a szukał sodu. W 2001 roku eksperymenty te przyniosły pierwsze wykrycie atmosfery planety pozasłonecznej – i potwierdziły przewidywania Seagera.

Kiedy Seager i jej koledzy kazali Spitzerowi obserwować HD 209458b w 2005 roku, spodziewali się znaleźć dowody na obecność cząsteczek wody w atmosferze. Ale takie dowody się nie pojawiły. Naukowcy zaobserwowali jednak, jak sądzą, widmową sygnaturę chmur krzemianowych, pod którymi może zostać uwięziona para wodna. Seager stawia również hipotezę, że po dziennej stronie egzoplanety temperatura może być stała w całej atmosferze, w takim przypadku istniałaby równowaga: wszelkie dowody absorpcji wody zostałyby zniwelowane przez dowody na emisję wody.

Seager nie jest zaskoczony, gdy dane eksperymentalne nie pasują do większości z setek modeli, które do tej pory zbudowała. W ten sposób natura jest bardziej kreatywna niż my, mówi, ciesząc się, że można z całą pewnością stwierdzić, jakie pierwiastki istnieją na planecie oddalonej o 150 lat świetlnych. Właściwie możemy scharakteryzować atmosfery egzoplanet, mówi. Cztery lata temu nikt by nie uwierzył, że możesz to zrobić.

Żądna większej ilości danych, które można by podłączyć do swoich modeli, Seager jest częścią prowadzonych przez MIT wysiłków zmierzających do opracowania i do 2009 r. wystrzelenia prywatnego satelity o nazwie TESS, który rozszerzy poszukiwania egzoplanet. Spitzer może patrzeć tylko na rzeczy, które już znamy i widzi tylko jedną gwiazdę na raz, wyjaśnia. To pozwoli spojrzeć na dosłownie miliony gwiazd, szukając tego małego spadku jasności, wskazującego na tranzyt planety.

Seager ma nadzieję znaleźć skaliste planety – najlepiej krążące wokół jasnych gwiazd, aby było wystarczająco dużo światła do ich badania. Planety-olbrzymy gazowe są nudne, ponieważ zawierają wszystkie gazy, z którymi się urodziły, mówi. Ziemia jednak ewoluowała; na przykład wczesne wulkany wyrzucały gazy, a rośliny wytwarzają obfitość tlenu. Ponadto gazowe olbrzymy są zbyt gorące na życie. Chcemy być w stanie znaleźć planety, które mogą podtrzymywać życie, mówi Seager, który absolutnie uważa, że ​​życie istnieje poza naszą planetą.

Nie zobaczymy żadnych małych zielonych ludzi, ostrzega, dodając, że sama nie jest zainteresowana spotkaniem z żadnymi kosmitami. Mówi, że najprawdopodobniej znajdziemy bakterie. Ale nawet to może być odkrywcze. Jeśli znajdziemy życie w innych miejscach, może to być wskazówka, skąd pochodzimy – mówi.

Seager wierzy, że istnieje duża szansa, że ​​za jej życia wykryjemy oznaki życia na innych planetach. Ale żartuje, mam nadzieję, że będę żył długo.

ukryć