Jakten på exoplaneter har bara börjat

Det här är en artikel från 2019.

Fram till 1995 fanns inga kända planeter som kretsade kring vanliga stjärnor utanför solsystemet – exoplaneter. (Innan dess hade planeter hittats vid pulsarer – se artikeln Recept för planetsystem ur F&F 4/1995.) Nu känner vi till tusentals, och nya upptäcks nästan dagligen. Innan vi hade något att jämföra med trodde de flesta forskare att andra planetsystem skulle likna vårt: steniga planeter närmast stjärnan, några av dem kanske med atmosfärer som jorden och Venus. Längre ut gasjättar som mest består av väte, i stil med Jupiter. Utanför dem isjättar som Neptunus – stora gasplaneter som även innehåller is av vatten, metan och ammoniak. Det blev en stor överraskning när det visade sig att alla planetsystem som hittills upptäckts är väldigt olika vårt. Där finns nya typer av planeter som helt saknas i solsystemet, och planeter i banor som ingen hade förväntat sig. Många av de planeter som hittills har upptäckts kretsar också kring små röda stjärnor, med helt andra egenskaper än solen.

Den stora frågan som överskuggar allt är om det finns någon plats i universum som är lika lämpad för liv som vår egen jord. I sökandet efter liv i rymden letar vi efter jordlika planeter – steniga planeter som kan ha en atmosfär och flytande vatten. Superjordar som är något större och mer massiva än jorden antas också ofta vara bra kandidater för att hysa liv och är lättare att upptäcka. För att vara lämpliga för liv behöver planeterna också befinna sig i den så kallade beboeliga zonen, det avstånd från sin stjärna där det är lagom varmt för att flytande vatten ska kunna existera på ytan.

Det är mycket svårt att upptäcka planeter kring avlägsna stjärnor, och ännu svårare att fastställa deras egenskaper. Forskningsresultaten pekar än så länge på att små planeter är betydligt vanligare än stora, även om deras sammansättning och avstånd från sina stjärnor varierar kraftigt. För att förstå om en planet består mest av gas eller i stället domineras av järn och sten behöver vi mäta både massan och radien så att vi kan räkna ut medeltätheten. Av de över 4 000 planeter som upptäckts är det bara cirka 600 som har mätningar av både massan och radien. Bara några enstaka av dem har hittats i sina beboeliga zoner. Tyvärr är osäkerheten i mätningarna i de allra flesta fall alldeles för hög för att mätningarna ska kunna användas i modeller. Bara några tiotals superjordar har osäkerheter lägre än 20 procent som är den minsta noggrannhet vi skulle behöva.

Vi vill kunna bestämma planeternas sammansättning och uppbyggnad med en så hög noggrannhet att vi kan modellera planeternas uppkomst och utveckling – göra exoplanetologi. För att kunna göra det, och för att söka efter förutsättningarna för liv, krävs osäkerheter i massa och radie på bara några få procent. Därför har vår forskargrupp på Chalmers bidragit i arbetet med satelliten Cheops, som snart ska ge oss noggranna mätningar av redan kända exoplaneter. Under sommaren har de sista testerna genomförts av den europeiska rymdorganisation Esa och ett konsortium av elva medlemsländer, inklusive Sverige. Uppskjutningen av Cheops är planerad till slutet av december.

Att hitta och studera jordliknande planeter är extremt svårt eftersom planeternas ljus är miljarder gånger ljussvagare än stjärnornas ljus. Men med hjälp observationer av stjärnornas ljus, rörelser och hastigheter kan man få indirekta uppgifter om planeterna.

Den första exoplaneten kring en solliknande stjärna, 51 Pegasi b, upptäcktes 1995. Den visade sig vara en Jupiterliknande exo­planet som befinner sig så nära sin stjärna att ett banvarv bara tar fyra dygn – en så kallad Het Jupiter (se faktaruta). Det var en häpnadsväckande upptäckt och många forskare var till en början tveksamma till upptäckten. Existensen av 51 Pegasi b borde vara omöjlig eftersom det inte finns tillräckligt mycket material nära stjärnan för att en stor gasplanet ska kunna bildas. Men nya teoretiska modeller kunde till slut visa att planeter migrerar. De bildas ofta på en plats längre ut i systemet än där de slutligen hamnar i en stabil bana efter en relativt kort period av migration.

51 Pegasi b upptäcktes med radialhastighetsmetoden som mäter hur en planet påverkar sin stjärnas hastighet i vår siktlinje. Planetens dragningskraft på stjärnan får den att “gunga” fram och tillbaka för varje varv planeten gör. Storleken på variationen beror på planetens massa relativt sin stjärna och avståndet till stjärnan. För att få planetens absoluta massa krävs förutom mätningar av stjärnans hastighet även stjärnans massa och lutningen av omloppsbanans plan relativt siktlinjen, vilket kräver andra metoder.

Under mer än tio år var radialhastighetsmetoden det mest framgångsrika sättet att upptäcka nya exoplaneter på. Nackdelen är att stjärnorna måste vara väldigt ljusstarka vilket är ovanligt. De flesta stjärnor är små och ljussvaga och befinner sig på stora avstånd. Dessutom får man ingen information om lutningen av banplanet eller planetens storlek med denna metod. Detta är oerhört viktiga parametrar eftersom både absolut massa och storlek krävs för att modellera planetens sammansättning. Bara för att en planet är liten behöver den inte vara stenig.

Men en annan metod som erbjöd den saknade informationen visade sig snart vara enormt framgångsrik – passagemetoden.

Passagemetoden utnyttjar det faktum att om en stjärna har planeter som passerar stjärnan i vår siktlinje kommer stjärnans ljus att minska lite varje gång planeten passerar stjärnan. De här passagerna, som även kallas transits, är ett direkt mått på planetens storlek relativt sin stjärna. Ju större planeten är desto mer skymmer den stjärnans ljus. Små stjärnor och stora planeter ger starkast signaler. Dessutom får man viktig information om till exempel omloppstiden, stjärnans medeltäthet, lutningen av banplanet, och planetens avstånd till stjärnan.

De första passageobservationerna gjordes år 2000 och ledde till flera automatiserade nätverk av markbaserade teleskop som letade efter exoplaneter. Men jordens atmosfär och rotation innebär problem och reducerar metoden till stora exoplaneter med korta omloppstider.

Med uppskjutningar av flera rymdteleskop som använde denna metod startade en ny epok. Rymdteleskop begränsas inte av jordens atmosfär. Dessutom kan de följa stjärnorna mer kontinuerligt och observera dem dygnet runt under lång tid med hög noggrannhet och stabilitet.

Den första banbrytande exoplanetsatelliten som använde passagemetoden var europeiska Corot (Convection, Rotation and planetary Transits; 2006–2013) som var ett samarbete mellan franska rymdstyrelsen och Esa.

Nackdelen med passager är att sannolikheten för att en planet ska befinna sig i vår siktlinje är väldigt liten. För att hitta en planet måste man observera hundratals till tusentals stjärnor. Corot observerade ungefär 175 000 stjärnor i mer än 20 olika små fält under max 150 dagar per fält. Dussintals viktiga upptäckter gjordes, bland annat den första steniga superjorden, Corot-7b, som har en omloppsperiod på bara 20 timmar.

Några år senare formligen exploderade antalet nya detektioner i och med uppskjutningen av Nasa:s satellit Kepler (2009–2018) som observerade ett 25 gånger större fält med ett tre gånger större teleskop än Corot. Under fyra års tid mätte Kepler mycket noggrant ljuset från över 150 000 stjärnor i ett fixt område på himlen. Mer än hälften av alla exoplaneter vi känner till i dag har hittats med Kepler.

Trots succén med passagemetoden så har den problem med många falska detektioner. Det är inte bara skuggande exoplaneter som orsakar periodiska ljusminskningar utan även till exempel dubbelstjärnor – två stjärnor som kretsar kring varandras gemensamma masscentrum.

För att verifiera att en passage verkligen orsakas av en planet och inte en annan stjärna eller instrumentfel, behövs uppföljningsobservationer. Man tar bilder på stjärnan för att utesluta att det är en dubbelstjärna och gör radialhastighetsmätningar som ger planetens massa. Men ett stort problem är att det finns få ljusstarka stjärnor och de är utspridda över hela himlen. De flesta exoplaneterna som hittats med Kepler bara har uppmätta storlekar eftersom deras stjärnor är för ljussvaga för att kunna mätas med radialhastighetsmetoden. Ett okänt antal av dessa planeter är därmed falska detektioner.

Därför görs nu en rejäl satsning i forskarvärlden på en ny generation av rymdteleskop som fokuserar på ljusstarka stjärnor.

Först ut var Nasa:s nya satsning, Tess (Transiting Exoplanet Survey Satellite) som sköts upp i april 2018. I motsats till Kepler söker Tess av nästan hela himlen under två års tid för att fånga in flera hundra tusen ljusstarka stjärnor. Tess kameror har redan observerat hela södra himmelssfären som delats upp i 13 sektorer och började i somras med den norra himmelssfären. En förlängning på ytterligare två år har nyligen beviljats.

Tess har upptäckt tusen planetkandidater under sitt första år och dussintals planeter har bekräftats med uppföljande radialhastighetsmätningar. Forskare över hela världen, även vår forskargrupp på Chalmers, tävlar febrilt om att vara först med att verifiera och publicera de nya upptäckterna. Målet för Tess är att mäta storleken av 50 planeter med storlekar mellan Jorden och Neptunus. Planeternas massor fås genom uppföljande radialhastighetsmätningar.

För att kunna upptäcka en planet behöver man fånga upp minst två passager. Eftersom Tess bara observerar varje himmelssektor i ungefär 27 dagar kan den bara upptäcka planeter med kort omloppstid, och som alltså befinner sig nära sina moderstjärnor. Det här innebär att Tess planeter bara kan befinna sig i den beboeliga zonen om de kretsar kring lågmassiva stjärnor som har låg yttemperatur. Men det är omdebatterat om dessa typer av stjärnor kan ha planeter som är gynnsamma för liv eller om planeterna blivit sterila av stjärnornas höga aktivitet av solutbrott och energirik strålning som kan blåsa bort planeternas atmosfärer helt.

Cheops (Characterising Exoplanet Satellite) är den första av tre kommande europeiska exoplanetprojekt. Cheops är också Esa:s första så kallade small class mission med en mycket kort utvecklingstid och låg kostnad. Senare tillkommer de större projekten Plato och Ariel med planerade respektive uppskjutningar 2026 och 2028.

Cheops kommer att observera stjärnor som man redan vet har planeter, framför allt sådana med storlekar mellan Jorden och Neptunus. Den kommer att mäta planeternas storlek med ultrahög precision, så att vi kan göra en noggrann bestämning av planeternas sammansättning. Detaljer i ljuskurvan för en passage kan också avslöja om planeterna till exempel har månar och ringar, vilka ger ytterst små avvikelser i passagen. I viss mån kan det också gå att studera planeters atmosfärer.

Cheops kommer skjutas upp från Esa:s rymdbas Kourou i Franska Guyana, som medpassagerare till en italiensk satellit. Den kommer kretsa kring jorden på 700 kilometers höjd under minst 3,5 år.

Vår forskargrupp på Chalmers tekniska högskola har arbetat med utvecklingen av Cheops sedan 2011, tillsammans med Stockholms universitet. Lunds universitet anslöt 2014. Cheopskonsortiet leds av Schweiz och samarbetar med Esa. Schweiz har aldrig tidigare lett ett satellitprojekt, och därför sågs Sveriges erfarenhet med små framgångsrika satelliter (till exempel Odin) som mycket värdefull.

Stockholms universitet har bidragit med simuleringar av dataflödet mellan teleskopet i omloppsbana och mottagningsstationen på jorden. De har även skapat en stjärndatabas som beräknar alla stjärnor som kommer synas i bakgrunden av varje stjärna som ska observeras. På Chalmers har vi arbetat med algoritmer som hittar och analyserar passager.

Vi har även jobbat med de vetenskapliga kraven, utformningen av observationsprogrammen och val av vilka stjärnor som ska observeras. Cheops kommer att kunna riktas var som helst på himlen mot ljusstarka stjärnor med planeter. Man vet alltså redan vart Cheops måste peka och när, för att fånga en passage från en exoplanet. På så sätt blir Cheops väldigt effektiv, och genom att observera många passager kommer precisionen att öka. Men det ställer också stora krav på planeringen av vilka objekt som ska observeras, och när, vilket har varit föremål för långa diskussioner på varje möte med den vetenskapliga ledningen.

Efter Cheopsprojektet kommer vår forskargrupp att jobba vidare mot uppskjutningen av Plato som också kommer observera passager. I likhet med Kepler kommer Plato observera ett fixt område under flera års tid för att söka efter nya exoplaneter. Men eftersom Plato kommer täcka ett betydligt större område på himlen än Kepler kommer man att kunna fånga in fler ljusstarka stjärnor. Målet är därför att för första gången hitta jordliknande planeter i jordliknande banor runt solliknande stjärnor. Dessa planeter bedöms vara de allra bästa för liv.

När lämpliga exoplaneter som befinner sig i sina respektive beboeliga zoner hittats är nästa steg att undersöka om de har atmosfärer, med hjälp av Ariel och Nasa:s rymdteleskop James Webb (se faktaruta). Utan en atmosfär kan inte flytande vatten finnas på ytan. Atmosfären höjer och jämnar även ut temperaturen och skyddar livet från farlig energirik strålning.

Inom en rimlig framtid kan vi alltså vänta oss att få svar på frågan om vårt planetsystem och jorden är unika eller om planeter lämpliga för liv är vanligt förekommande. Kanske till och med hitta spår av liv.