Jag har fördjupat mig lite i Keplerteleskopet och i frågor kring exoplaneter i stort. Här kommer därför ett lite längre inlägg som beskriver detta spännande uppdrag. Enligt nyhetsrapporteringen ska det komma en information från Keplerprojektet senare idag. Om så är fallet återkommer jag med ett inlägg om det också (och möjligen en revidering av nedanstående fakta!). I bloggen finns inom kort en särskild flik som ska heta "Exoplaneter" där dels nedanstående fakta finns, dels mer allmänna fakta om utforskningen av exoplaneter.
Rymdteleskopet Kepler har nu varit uppe i sin omloppsbana runt jorden i mer än 1.000 dagar. Under denna tid har en rad upptäckter gjorts som närmast inneburit en revolution inom exoplanetutforskningen. Jag ska här beskriva lite mer utförligt vad Kepler-teleskopet gör, hur den gör det och vilka fynd den har gjort.
Keplerteleskopet är riktat så att det studerar Cygnus-Lyra-regionen av stjärnhimlen. Till dags dato har Keplerteamet visserligen "bara" hittat 33 planeter som kunnat bekräftas (av totalt 714 exoplaneter, se
exoplanet.eu), men publicerat förteckningar på hela 2.326 exoplanetkandidater där fortsatta studier behövs för att bekräfta om det rör sig om exoplaneter eller något annat. De exoplaneter man hittills hittat kan grupperas i tre större grupper; gasjättar, heta superjordar med korta omloppstider nära sina stjärnor samt isjättar. Det man framförallt söker efter är jordliknande planeter på lagom avstånd från sina respektive stjärnor, dvs inom den s.k beboeliga zonen. Den 5 december 2011 meddelade Keplerteamet att man hittat en sådan planet, Kepler 22b, som även om den är betydligt större än jorden, kan ha jordliknande förhållanden. Ikväll (20 december 2011) kom uppgifter om att två planeter som storleksmässigt liknar jorden hittats runt samma stjärna, Kepler 20e och 20f.
Cygnus-Lyra-regionen som Kepler studerar (Bildkälla: NASA)
Keplerteleskopets uppdrag
Uppdraget för Kepler kan sammanfattas enligt följande:
- Bedöm antalet jordliknande planeter eller planeter som är större än jorden och hur många av dessa som finns i eller i närheten av den beboeliga zonen. Kepler studerar ett område i Vintergatan som kan tänkas ha ungefär samma förutsättningar för planetbildning som vårt solsystem. Inom detta område observeras olika typer av stjärnor.
- Bedöm hur fördelningen mellan planeter ser ut utifrån planetstorlek, omloppsbanors utseende m.m.
- Uppskatta hur många planeter som finns kring binära och multipla stjärnor.
- Bedöm variation vad gäller storleken på omloppsbanor samt planeternas reflektivitet, storlek, massa och densitet.
- Identifiera ytterligare planeter med hjälp av andra metoder i de system där man observerat någon planet.
- Bedöm egenskaper hos de stjärnor där planetsystem finns.
De fynd som Keplerteleskopet gör startar ofta en mängd aktiviteter på observatorier på jorden, t.ex på Keck-observatoriet, vars 10-metersteleskop riktats in mot särskilt intressanta objekt i syfte att bekräfta fynden.
Beboeliga zonen
Beboelig zon, eller Guldlocks-zon som den ibland kallas, är en region i rymden där förhållandena är fördelaktiga för att upprätthålla liv (Definition enligt Wikipedia, som för övrigt har en mycket bra artikel om ämnet,
läs här). Man brukar säga att detta är ett sfäriskt område runt en stjärna där yttemperaturen på en planet gör det möjligt för vatten att existera i flytande form. Utöver det finns andra viktiga förutsättningar som måste vara uppfyllda för att en planet ska vara beboelig. En sådan är stjärnsystemets plats i galaxen. Det ska helst vara ett lugnt och fridfullt område utan några supernovaexplosioner eller annat som på ett slag kan utplåna allt liv (Effekterna av en supernova sträcker sig åtskilliga ljusår bort).
Atmosfärens storlek och sammansättning påverkar i högsta grad förutsättningarna för liv (se bara på ogästvänliga Venus!). Det har också framförts teorier om att en stenplanet behöver vara utsatt för tektonik, dvs att jordskorpan består av plattor som rör sig i förhållande till varandra, för att vatten bättre ska kunna bibehållas på planeten. En viktig fråga är väl också: Beboelig för vad? Handlar det om små mikroorganismer eller om mer avancerade livsformer?
Exempel på beboeliga zoner (Bildkälla: NASA)
I december 2011 gjorde Keplerteamet en omdefinition avseende den beboeliga zonen, vilket flyttade zonen längre ut från en stjärna och minskade därmed denna zon högst markant. Framöver kan det tänkas att ytterligare omdefinitioner kan komma att ske. En av de faktorer som diskuterats alltsedan rymdsonden Cassinis minisond Huygens dök ner genom Saturnusmånen Titans tjocka atmosfär är om annat än vatten kan föda liv. Titans flytande metan och etan kan eventuellt ge förutsättningar för enkla livsformer. Om så är fallet måste en större omdefinition av ”Beboelig zon” göras. Detsamma gäller om spår av liv kan hittas på t.ex Jupitermånen Europa eller på Saturnusmånen Enceladus. Båda tros ha flytande vatten, men kretsar långt utanför solsystemets beboeliga zon. Det som eventuellt kan ge förutsättningar för liv är effekterna av Jupiters och Saturnus omfattande gravitationella tidvattenkrafter.
Keplers metod för att hitta exoplaneter
Den metod som Keplerteleskopet använder sig av kallas transitmetoden. Det innebär att teleskopet letar efter planeter som passerar över ”solskivan” och som därmed skapar en mycket liten, men mätbar, skillnad i stjärnans skenbara ljusstyrka. För en jordliknande planet kan det handla om en reduktion avseende ljusstyrka på kanske 1/10000-del. Denna reduktion måste också periodiskt återupprepas för att det ska kunna avgöras att det rör sig om en planet. Det innebär att ett flertal mätningar måste göras. Det är också detta som gör att Keplerteleskopet hittills främst kunnat bekräfta sådana exoplaneter som har relativt kort omloppstid runt en stjärna och därmed passerat ett antal gånger över solskivan. Metoden ger kunskaper om en exoplanets storlek (diameter), men inte direkta kunskaper om dess massa. Viss kunskap erhålls också om planetens atmosfär (om den har någon sådan) vad gäller ämnessammansättning i och med att stjärnljuset passerar atmosfären. Utifrån dessa data kan vissa slutsatser dras om yttemperatur m.m.
Hur transitmetoden fungerar (Bildkälla: Wikipedia)
Vad är då sannolikheten för att hitta planeter med denna metod? Att hitta planeter som kretsar nära stjärnan är betydligt lättare än att hitta planeter som kretsar på längre avstånd från stjärnan. Det som krävs är att en planet i sin omloppsbana ”råkar” passera över solskivan så att Kepler kan se detta utifrån sin synvinkel. Keplerteleskopet, planeten och stjärnan måste ligga i linje för att möjliggöra en observation. Sannolikheten för detta kan beräknas med formeln stjärnans diameter/omloppsbanans diameter. För en planet av jordens storlek och med jordens omloppsbana runt en stjärna av solens storlek är chansen för en transit endast ca 0,5% (1,4 miljoner kilometer/300 miljoner kilometer). För en gasjätte på kort avstånd från sin stjärna och med en omloppstid på några få dygn ökar chansen markant att finna den med hjälp av transitmetoden.
I och med att sannolikheten att hitta jordliknande planeter inom den beboeliga zonen är så liten måste Keplerteleskopet studera ett mycket stort antal stjärnor och på så sätt försöka hitta fler planeter.
Keplerteamets besked så här långt att man funnit 2.326 planetkandidater visar på att så är fallet. Faktum är att teleskopet studerar mer än 150.000 stjärnor! En planet som är en jordkopia och som kretsar runt en stjärna som är en solkopia gör ett varv runt stjärnan en gång per år. Det krävs alltså mer än två år för att studera tre transits, vilket enligt Keplerteamet bekräftar att det rör sig om en exoplanet. Så varje förlängning av Keplerteleskopets uppdrag ökar sannolikheten för att fler jordliknande planeter kan bekräftas. En jordliknande planet med två års omloppstid kräver ju mer än 4 års observationer.
Keplerteamets förväntningar är att med omloppstider runt respektive stjärna på ca 1 år hitta 50 planeter som är av max jordens storlek samt ytterligare 185 planeter som är upp till 1,3 gånger jordens storlek. En målsättning är också att 12% av funna exoplaneter finns i system med mer än en planet. En mycket stor mängd planeter förväntas dessutom hittas där omloppstiden är kortare än ett år. Dessutom förväntas ett par hundra gasjättar hittas.
Det finns också andra metoder för att leta efter exoplaneter. De beskrivs inom kort under fliken "Exoplaneter".
Fakta om teleskopet
Keplerteleskopet har en primärspegel som är 1,4 meter i diameter och med 0,95 meters bländare. Den observerar 105 kvadratgrader, vilket motsvarar den yta en hand har med armen utsträckt. Arean är betydligt större än för andra motsvarande teleskop eftersom Kepler behöver observera ett stort antal stjärnor. Teleskopet har en precision som gör det möjligt att mäta de små variationer i ljusstyrka som en transit innebär. Hänsyn har då också tagits till stjärnors ”normala” variation i ljusstyrka. Även vår sols ljusstyrka varierar något över dess 11-åriga solfläckscykel. Keplers kamera har en upplösning på 95 megapixlar fördelat på 42 CCD:er.
(Bildkälla: NASA)
Keplerteleskopets viktigaste fynd så här långt
I februari 2011 rapporterade Kepler-teamet att man funnit 1.235 exoplanetkandidater. I början av december 2011 utökades denna skara med ytterligare drygt 1.000 och uppgår nu totalt till 2.326. Av dessa planeter är 207 ungefär av jordens storlek, 680 är s.k superjordar (lite större än jorden alltså), 1.181 har en storlek som Neptunus, 203 är Jupiterstora och 55 är större än Jupiter. 48 av dessa planetkandidater finns inom den beboeliga zonen.
Några av de viktigaste fynden som Kepler gjort:
- Kepler 20e, 20f - två planeter som storleksmässigt är väldigt lika jorden. Det är första gången sådana hittas.
- Kepler 22b – en s.k superjord som kretsar runt en solliknande stjärna och inom den beboeliga zonen. Planeten, med en diameter som är 2,4 gånger jordens, är den minsta man hittills hittat i den beboeliga zonen kring en solliknande stjärna.
- Kepler 16b – den första planet man funnit som kretsar runt en stjärna i ett dubbelstjärnesystem. Planeten har alltså två solar. Planeten är inte inom den beboeliga zonen.
- Kepler 18b, 18c och 18d – tre planeter, en superjord och två Neptunusstora planeter, som kretsar runt en solliknande stjärna. Planeterna kretsar dock väldigt nära sin stjärna och är inte inom den beboeliga zonen.
- Kepler 11-systemet, bestående av planetsystem med sex planeter.
- Kepler 10b – Keplers första stenplanetfynd. Planeten är 1,4 gånger större än jorden och den minsta planet som Kepler hittat utanför vårt solsystem.
