Velkommen alle til den første i vores serie om Exoplanet-jagtmetoder. I dag begynder vi med den mest populære og udbredte, kendt som Transit Method (alias Transit Photometry).
I århundreder har astronomer spekuleret i eksistensen af planeter uden for vores solsystem. Når alt kommer til alt med imellem 100 og 400 mia stjerner alene i Mælkevejsgalaksen, virkede det usandsynligt, at vores var den eneste, der havde et system af planeter. Men det har først været inden for de sidste par årtier, at astronomer har bekræftet eksistensen af ekstra-solare planeter (aka. exoplaneter).
Astronomer bruger forskellige metoder til at bekræfte eksistensen af exoplaneter, hvoraf de fleste er indirekte i naturen. Af disse har den mest udbredte og effektive til dato været Transit fotometri , en metode, der måler lyskurven for fjerne stjerner for periodiske dyk i lysstyrke. Disse er resultatet af exoplaneter, der passerer foran stjernen (dvs. passerer) i forhold til observatøren.
Beskrivelse:
Disse ændringer i lysstyrke er kendetegnet ved meget små fald og i faste perioder, normalt i nærheden af 1/10.000 af stjernens samlede lysstyrke og kun i et spørgsmål om timer. Disse ændringer er også periodiske, hvilket forårsager de samme fald i lysstyrken hver gang og i samme tidsrum. Baseret på i hvor høj grad stjerner dæmpes, er astronomer også i stand til at få vital information om exoplaneter.
Af alle disse grunde betragtes Transit Photometry som en meget robust og pålidelig metode til exoplanetdetektion. Af de 3.526 ekstra-solplaneter, der er blevet bekræftet til dato, har transitmetoden stået for 2.771 opdagelser - hvilket er flere end alle de andre metoder tilsammen.
Fordele:
En af de største fordele ved Transit Photometry er den måde, den kan give nøjagtige begrænsninger på størrelsen af detekterede planeter. Dette er naturligvis baseret på, i hvilket omfang en stjernes lyskurve ændrer sig som følge af en transit. Mens en lille planet vil forårsage en subtil ændring i lysstyrken, vil en større planet forårsage en mere mærkbar ændring.
Når det kombineres med Radial Velocity-metoden (som kan bestemme planetens masse) kan man bestemme tætheden af planeten. Ud fra dette er astronomer i stand til at vurdere en planets fysiske struktur og sammensætning - altså afgøre, om det er en gaskæmpe eller klippeplanet. De planeter, der er blevet undersøgt ved hjælp af begge disse metoder, er langt de bedst karakteriserede af alle kendte exoplaneter.
Ud over at afsløre planeternes diameter, kan Transit Photometry give mulighed for at undersøge en planets atmosfære gennem spektroskopi. Når lyset fra stjernen passerer gennem planetens atmosfære, kan de resulterende spektre analyseres for at bestemme, hvilke grundstoffer der er til stede, og dermed give fingerpeg om atmosfærens kemiske sammensætning.
Kunstnerens indtryk af en ekstrasolplanet, der passerer sin stjerne. Kredit: QUB Astrophysics Research Center
Sidst, men ikke mindst, kan transitmetoden også afsløre ting om en planets temperatur og stråling baseret på sekundære formørkelser (når planeten passerer bag sin sol). Ved denne lejlighed måler astronomer stjernens fotometriske intensitet og trækker den derefter fra målinger af stjernens intensitet før den sekundære formørkelse. Dette giver mulighed for målinger af planetens temperatur og kan endda bestemme tilstedeværelsen af skyformationer i planetens atmosfære.
Ulemper:
Transit Photometry lider også af et par store ulemper. For det første kan planetariske transitter kun observeres, når planetens kredsløb tilfældigvis er perfekt på linje med astronomernes synslinje. Sandsynligheden for, at en planets kredsløb falder sammen med en observatørs udsigtspunkt, svarer til forholdet mellem stjernens diameter og kredsløbets diameter.
Kun omkring 10 % af planeter med korte omløbsperioder oplever en sådan justering, og dette falder for planeter med længere omløbsperioder. Som et resultat kan denne metode ikke garantere, at en bestemt stjerne, der observeres, faktisk er vært for nogen planeter. Af denne grund er transitmetoden mest effektiv, når man undersøger tusinder eller hundredtusindvis af stjerner ad gangen.
Det lider også af en betydelig andel af falske positiver; i nogle tilfælde så højt som 40 % i enkeltplanetsystemer (baseret på en 2012 undersøgelse fra Kepler-missionen). Dette nødvendiggør, at der udføres opfølgende observationer, ofte baseret på en anden metode. Antallet af falske positiver falder dog for stjerner, hvor der er blevet opdaget flere kandidater.
Antal ekstrasolare planetopdagelser om året til september 2014, med farver, der indikerer detektionsmetode - radial hastighed (blå), transit (grøn), timing (gul), direkte billeddannelse (rød), mikrolinsing (orange). Kredit: Public domain
Mens transitter kan afsløre meget om en planets diameter, kan de ikke lægge nøjagtige begrænsninger på en planets masse. Til dette er Radial Velocity-metoden (som tidligere nævnt) den mest pålidelige, hvor astronomer leder efter tegn på 'slingre' i en stjernes kredsløb for at måle gravitationskræfterne, der virker på dem (som er forårsaget af planeter).
Kort sagt har transitmetoden nogle begrænsninger og er mest effektiv, når den er parret med andre metoder. Ikke desto mindre er det stadig det mest udbredte middel til 'primær detektion' - påvisning af kandidater, som senere bekræftes ved hjælp af en anden metode - og er ansvarlig for flere exoplanetopdagelser end alle andre metoder tilsammen.
Eksempler på transitfotometriundersøgelser:
Transitfotometri udføres af flere jordbaserede og rumbaserede observatorier rundt om i verden. Størstedelen er dog jordbaserede og er afhængige af eksisterende teleskoper kombineret med avancerede fotometre. Eksempler inkluderer Super vidvinkelsøgning efter planeter (SuperWASP) survey, en international exoplanet-jagtundersøgelse, der er afhængig af Roque de los Muchachos-observatoriet og Sydafrikanske astronomiske observatorium .
Der er også Ungarsk automatiseret teleskopnetværk (HATNet), som består af seks små, fuldautomatiske teleskoper og vedligeholdes af Harvard-Smithsonian Center for Astrofysik . Det MEarth projekt er et andet, et National Science Foundation-finansieret robotobservatorium, der kombinerer Fred Lawrence Whipple Observatory (FLWO) i Arizona med C erro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) i Chile.
SuperWasp-kameraerne ved det sydafrikanske astronomiske observatorium. Kredit: SuperWASP project & David Anderson
Så er der Kilodegree Extremely Little Telescope (KELT), en astronomisk undersøgelse administreret i fællesskab af Ohio State University, Vanderbilt University, Lehigh University og South African Astronomical Society (SAAO). Denne undersøgelse består af to teleskoper, den Winer Observatory i det sydøstlige Arizona og Sutherland Astronomical Observation Station i Sydafrika.
Med hensyn til rumbaserede observatorier er det mest bemærkelsesværdige eksempel NASA's Kepler rumteleskop . Under sin første mission, som løb fra 2009 til 2013, opdagede Kepler 4.496 planetariske kandidater og bekræftede eksistensen af 2.337 exoplaneter. I november 2013, efter svigt af to af dets reaktionshjul, begyndte teleskopet sin K2-mission, i løbet af hvilket tidsrum yderligere 515 planeter er blevet opdaget, og 178 er blevet bekræftet.
Hubble-rumteleskopet udførte også transitundersøgelser i løbet af dets mange år i kredsløb. For eksempel Skytten Window Eclipsing Extrasolar Planet Search (SWEEPS) – som fandt sted i 2006 – bestod af Hubble, der observerede 180.000 stjerner i Mælkevejsgalaksens centrale bule. Denne undersøgelse afslørede eksistensen af 16 yderligere exoplaneter.
Andre eksempler omfatter ESA'erne Planetarisk konvektion og transitter (COROT) – på engelsk “Convection rotation and planetary transits” – som fungerede fra 2006 til 2012. Så er der ESA's Gaia-mission, som blev lanceret i 2013 med det formål at skabe det største 3D-katalog, der nogensinde er lavet, bestående af over 1 milliard astronomiske genstande.
NASAs Kepler-rumteleskop var den første agenturmission, der var i stand til at opdage planeter på størrelse med jorden. Kredit: NASA/Wendy Stenzel
I marts 2018, NASA Transiterende Exoplanet Survey Satellite (TESS) er planlagt til at blive sendt i kredsløb. Ved hjælp af transitmetoden vil TESS detektere exoplaneter og også vælge mål til yderligere undersøgelse af James Webb rumteleskop (JSWT), som vil blive indsat i 2019. Mellem disse to missioner forventes bekræftelsen og karakteriseringen eller mange tusinde exoplaneter.
Takket være forbedringer med hensyn til teknologi og metodologi er opdagelsen af exoplaneter vokset med stormskridt i de seneste år. Med tusindvis af exoplaneter bekræftet, er fokus gradvist flyttet mod karakteriseringen af disse planeter for at lære mere om deres atmosfærer og forhold på deres overflade.
I de kommende årtier forventes nogle meget dybtgående opdagelser, delvist takket være indsættelsen af nye missioner!
Vi har mange interessante artikler om exoplanetjagt her på Universe Today. Her er Hvad er ekstra solarplaneter? , Hvad er planetariske transitter? , Hvad er Radial Velocity Method? , Hvad er den direkte billeddannelsesmetode? , Hvad er gravitationel mikrolinsemetode? , og Keplers univers: Flere planeter i vores galakse end stjerner .
Astronomy Cast har også nogle interessante episoder om emnet. Her er Afsnit 364: The COROT Mission.
For mere information, sørg for at tjekke NASAs side på Exoplanet udforskning , Planetsamfundets side på Ekstrasolære planeter , og NASA/Caltech Exoplanet Arkiv .
Kilder:
