Ο αστρονόμος που πρόκειται να δει τους ουρανούς των άλλων γης

Δεν γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα για τους άλλους 6 δισεκατομμύρια περίπου πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη στον γαλαξία. Με την επικείμενη εκτόξευση του μεγαλύτερου, ισχυρότερου διαστημικού τηλεσκοπίου που κατασκευάστηκε ποτέ, η Laura Kreidberg είναι αισιόδοξη ότι αυτό θα αλλάξει σύντομα.

Ο Kreidberg είναι ο 32χρονος ιδρυτικός διευθυντής ενός νέου τμήματος στο Ινστιτούτο Αστρονομίας Max Planck στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας, αφιερωμένο στη μελέτη του πώς είναι ο καιρός στους εξωγήινους κόσμους. Μέχρι στιγμής, αυτή και η ομάδα της έχουν εξετάσει εξονυχιστικά τις ατμόσφαιρες γύρω από εξωπλανήτες μεγέθους Δία (πλανήτες σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια). Όταν πρόκειται για μικρούς, βραχώδεις εξωπλανήτες που θα μπορούσαν δυνητικά να φιλοξενήσουν ζωή, τα σημερινά τηλεσκόπια δεν έχουν την ικανότητα επίλυσης να κάνουν πολύ περισσότερα από τον υπολογισμό του αριθμού που υπάρχει εκεί έξω. Όμως, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) των 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων της NASA, που πρόκειται να εκτοξευτεί τον Δεκέμβριο μετά από δεκαετίες σχεδιασμού και κατασκευής, θα επιτρέψει σε αστρονόμους όπως ο Kreidberg να κοιτάξουν τους ουρανούς των βραχωδών πλανητών και, όπως είπε, «να μετατρέψουν αυτούς τους πλανήτες σε μέρη». /P>

Το χαρακτηριστικό γνώρισμα του JWST είναι μια ηλιοπροστασία στο μέγεθος ενός γηπέδου τένις που θα προστατεύει τα όργανα και τους επιχρυσωμένους καθρέφτες του από τη θερμότητα του ήλιου και της Γης. Σκιασμένο με αυτόν τον τρόπο, το τηλεσκόπιο θα μπορεί να ανιχνεύει αμυδρή υπέρυθρη ακτινοβολία, όπως το φως που προέρχεται από εξωπλανήτες. Ο Kreidberg είναι ο επικεφαλής ερευνητής για δύο προγράμματα στον πολυπόθητο πρώτο γύρο παρατηρήσεων του JWST. Τα έργα της αναζητούν στοιχεία για ατμόσφαιρες και ηφαιστειακή δραστηριότητα γύρω από κόσμους στο μέγεθος της Γης.

Η Kreidberg, η οποία μεγάλωσε στο Ρίνο της Νεβάδα, είναι ένα ανερχόμενο αστέρι μεταξύ των επιστημόνων εξωπλανητών από τότε που ολοκλήρωσε το διδακτορικό της στην αστρονομία και την αστροφυσική στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο το 2016. Το γενικό ερώτημα που παρακινεί την έρευνά της για τις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών — έργο για το οποίο κέρδισε το Το βραβείο Annie Jump Cannon Award νωρίτερα φέτος — είναι αν υπάρχει εξωγήινη ζωή στον κόσμο. «Το σύμπαν αισθάνεται βαθιά μοναξιά», είπε. Η ανακάλυψη εξωγήινων «θα ήταν παρήγορο, με έναν περίεργο τρόπο». Οι επιστήμονες υποψιάζονται ότι η ζωή δεν μπορεί να επιβιώσει σε πλανήτες χωρίς ουρανό, επομένως η διερεύνηση της ατμόσφαιρας γύρω από βραχώδεις πλανήτες είναι ένα βασικό βήμα προς την απάντηση στο «Είμαστε μόνοι;» ερώτηση.

Κατά τη διάρκεια της συνομιλίας μας, η Kreidberg παρουσίασε τις έξυπνες μεθόδους που θα χρησιμοποιήσει για να παρατηρήσει μακρινούς, ακριβείς πλανήτες που περιφέρονται σε τροχιά με την εκτυφλωτική λάμψη των γονέων αστεριών τους. Παρά τον ήρεμο και σχολαστικό τρόπο της, ο ενθουσιασμός της για το νέο τηλεσκόπιο ξέσπασε:«Το περιμέναμε τόσο καιρό!» Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

Μερικές χιλιάδες εξωπλανήτες έχουν εντοπιστεί τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Τι έχουμε μάθει για αυτά μέχρι στιγμής;

Αυτό που προκάλεσε έκπληξη ήταν το πόση ποικιλομορφία υπάρχει. Έχουμε την ιδέα από το ηλιακό μας σύστημα ότι υπάρχουν οι εσωτερικοί, επίγειοι πλανήτες, και μετά υπάρχουν οι εξωτερικοί γίγαντες αερίων. Τα περισσότερα άλλα ηλιακά συστήματα δεν μοιάζουν έτσι. Υπάρχουν πολλοί πλανήτες που περιφέρονται πολύ κοντά στα αστέρια υποδοχής τους - πλανήτες που είναι τόσο ζεστοί που η επιφάνεια της ημέρας λιώνει σε λάβα. Υπάρχει μια ολόκληρη σειρά μεγεθών. Έχουμε δει ακόμη και πλανήτες σε τροχιά γύρω από δύο αστέρια, όπως ο Tatooine στο Star Wars . Δεν νομίζω ότι κανείς, όσο δημιουργικός κι αν είναι, δεν θα μπορούσε να το προβλέψει αυτό. Οι άνθρωποι τον αποκαλούν «ζωολογικό κήπο εξωπλανήτη».

Μέχρι στιγμής, τα περισσότερα από όσα γνωρίζουμε για αυτούς τους πλανήτες τα συμπεραίνουμε από τη μάζα, την ακτίνα και την τροχιακή τους περίοδο. Αλλά το επόμενο επίπεδο λεπτομέρειας - όπως, ποιος είναι ο καιρός; Από τι αποτελείται η ατμόσφαιρα; Είναι ένας πλανήτης δυνητικά κατοικήσιμος; Όλα αυτά μόλις ξεκινούν τώρα.

Πώς θα προωθήσει το JWST τέτοιου είδους έρευνες;

Το JWST είναι ένα όνειρο που έγινε πραγματικότητα για τους αστρονόμους εξωπλανητών. Είναι το πιο φιλόδοξο διαστημικό τηλεσκόπιο που κατασκευάστηκε ποτέ. Μου αρέσει να πω ότι το JWST θα είναι 10.000 φορές καλύτερο από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Είναι ένας συντελεστής 10 μεγαλύτερος καθρέφτης, οπότε με περισσότερη δύναμη συλλογής φωτός μπορείτε να παρατηρήσετε πράγματα που είναι πιο αμυδρά. 10 μεγαλύτερη κάλυψη μήκους κύματος — καλά στο υπέρυθρο όπου σταματά το Hubble. Η κάλυψη μήκους κύματος υπέρυθρης ακτινοβολίας θα μας επιτρέψει να ωθήσουμε σε πολύ ψυχρότερους και επομένως δυνητικά πιο κατοικήσιμους πλανήτες από ό,τι μπορούσαμε να μελετήσουμε πριν, και μας βοηθά να βλέπουμε μέσα από τα σύννεφα σε αυτούς τους πλανήτες. Υπάρχει επίσης συντελεστής 10 καλύτερη σταθερότητα και συντελεστής 10 καλύτερη φασματική ανάλυση. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να δούμε τα ακριβή μήκη κύματος στο χρωματικό φάσμα του πλανήτη που απορροφώνται από τα μόρια στην ατμόσφαιρά του, κάτι που μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε τη χημική σύνθεση των ατμοσφαιρών με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Τι γνωρίζουμε μέχρι στιγμής για τους εξωπλανήτες ουρανούς;

Οι περισσότερες παρατηρήσεις μέχρι στιγμής αφορούσαν θερμούς πλανήτες στο μέγεθος του Δία. Η πραγματική αλλαγή παιχνιδιού θα είναι οι παρατηρήσεις JWST βραχωδών πλανητών, οι οποίοι μέχρι σήμερα έχουν μόνο ανώτατα όρια στις ατμοσφαιρικές τους ιδιότητες. Υπάρχει όλη αυτή η υπόσχεση για μια τεράστια αφθονία αυτών των μικρών πλανητών, αλλά είναι ένα σημαντικό ερωτηματικό εάν η ατμόσφαιρά τους μπορεί να επιβιώσει. Υπάρχουν μερικές κόκκινες σημαίες. Τα περισσότερα αστέρια στον Γαλαξία μας δεν είναι σαν τον ήλιο. είναι σχετικά φωτεινά στο υπεριώδες φως για τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ζωής τους, έτσι θα μπορούσαν εύκολα να εξατμίσουν το νερό πολλών ωκεανών της Γης από έναν πλανήτη. Ο μόνος τρόπος για να μάθετε σίγουρα είναι να πάτε να ψάξετε.

Πείτε μου πώς θα προσπαθήσει να το κάνει αυτό το πρόγραμμα παρατήρησης που οδηγείτε.

Έχει σχεδιαστεί για να υπολογίσει εάν υπάρχει ατμόσφαιρα σε έναν πλανήτη γύρω από το σύστημα TRAPPIST-1, ένα αστρικό σύστημα 40 έτη φωτός μακριά που είναι διάσημο για το ότι έχει επτά πλανήτες περίπου στο μέγεθος της Γης. Δεν μπορούμε να διαχωρίσουμε χωρικά τον πλανήτη και το αστέρι. είναι πολύ κοντά μεταξύ τους. Βλέπουμε μόνο το άθροισμα της φωτεινότητας του άστρου και του πλανήτη. Αλλά παρατηρώ τον πλανήτη όταν περνά πίσω από το αστέρι, όταν το φως που λάμπει από τον πλανήτη μπλοκάρεται. Μετρώντας την αλλαγή στη συνολική φωτεινότητα, μπορούμε να καταλάβουμε πόσο φωτεινός είναι ο πλανήτης, κάτι που μας λέει τη θερμοκρασία του.

Η θερμοκρασία είναι πολύ ευαίσθητη στο αν υπάρχει ατμόσφαιρα ή όχι. Εάν έχετε πυκνή ατμόσφαιρα, είναι πολύ καλό στο να μεταφέρετε θερμότητα από την καυτή, φωτισμένη πλευρά του πλανήτη στη σκοτεινή πλευρά της νύχτας. Αν δεν έχετε ατμόσφαιρα, όλο αυτό το φως των αστεριών χτυπά μόνο ένα ημισφαίριο και θα μετρούσατε μια πραγματικά ζεστή πλευρά της ημέρας. Ενώ μια πιο δροσερή πλευρά της ημέρας υποδηλώνει ότι υπάρχει ατμόσφαιρα.

Ακούγεται δύσκολο.

Αναζητούμε παραλλαγές στη φωτεινότητα του αστεριού στο επίπεδο των 100 μερών ανά εκατομμύριο. Κάθε φωτόνιο είναι πολύτιμο γιατί πιέζουμε σε τόσο μικρά σήματα.

Θα μπορείτε να πείτε κάτι για το από τι αποτελείται η ατμόσφαιρα;

Αν μάθουμε ότι υπάρχει κάποια ατμόσφαιρα, το επόμενο βήμα θα ήταν να καταλάβουμε από τι αποτελείται. Με το JWST, εφόσον οι ατμόσφαιρες δεν είναι πολύ νεφελώδεις, μπορούμε να παρατηρήσουμε τα φάσματα τους. Παρατηρώντας το φως των αστεριών που περνά απευθείας από την ατμόσφαιρα, θα είμαστε σε θέση να πούμε εάν έχει νερό ή μεθάνιο ή διοξείδιο του άνθρακα μέσα του. Αλλά δεν θα είμαστε σε θέση να ανιχνεύσουμε βιουπογραφές, οι οποίες είναι παρατηρήσιμες ιδιότητες ενός πλανήτη που μπορούν να εξηγηθούν μόνο από την παρουσία ζωής.

Γιατί όχι;

Η βιουπογραφή του ιερού δισκοπότηρου είναι μια χημεία που βρίσκεται εκτός ισορροπίας. Για παράδειγμα, στη Γη έχουμε και οξυγόνο και μεθάνιο στην ατμόσφαιρα. Κανονικά, αν βάλετε αυτά τα δύο αέρια μαζί στο εργαστήριο, θα αντιδρούσαν μεταξύ τους και θα σχημάτιζαν διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Έτσι, το γεγονός ότι βλέπουμε και τα δύο ταυτόχρονα σημαίνει ότι πρέπει να παράγονται συνεχώς από κάτι και ότι κάτι στη Γη είναι ζωή.

Δεν υπάρχει γνωστός πλανήτης όπου το JWST θα έχει την ευαισθησία που απαιτείται για να ανιχνεύσει βιουπογραφές όπως αυτή. Το οξυγόνο είναι πραγματικά δύσκολο να ανιχνευθεί επειδή τα χαρακτηριστικά είναι μικρά σε σύγκριση με άλλα μόρια. Για παρατηρήσιμους πλανήτες που βρίσκονται στην κατοικήσιμη ζώνη των αστεριών τους, ακόμα κι αν υπάρχει πολύ περισσότερο οξυγόνο από αυτό που υπάρχει στη Γη, θα χρειαζόμασταν δεκάδες διελεύσεις του πλανήτη μπροστά από το αστέρι για να το ανιχνεύσουμε. Οποιαδήποτε πρόσθετη δυσκολία, όπως σύννεφα στην ατμόσφαιρα ή θόρυβος οργάνων από το JWST, θα το καθιστούσε απαγορευτικό. Θα πρέπει βασικά να είμαστε τυχεροί σε κάθε δυνατή πτυχή για να έχουμε μια προσευχή για να δούμε οξυγόνο, και από την εμπειρία μου οι εξωπλανήτες είναι πάντα πιο σκληροί από το αναμενόμενο.

Τούτου λεχθέντος, είμαι πραγματικά αισιόδοξος ότι θα δούμε μερικά από τα πιο εύκολα παρατηρήσιμα μόρια, ιδιαίτερα το διοξείδιο του άνθρακα. Αν και αυτό δεν αποτελεί βιογραφική υπογραφή, εξακολουθεί να είναι ένα σημαντικό κομμάτι του παζλ της κατοικιμότητας.

Πώς μπορούμε να προσδιορίσουμε εάν υπάρχει εξωγήινη ζωή σε εξωπλανήτες;

Για να απαντήσετε σε μια τόσο περίπλοκη ερώτηση όπως "Υπάρχει ζωή εκεί;" χρειαζόμαστε ένα μεγάλο δείγμα πλανητών για να δουλέψουμε. Μια σειρά από διαστημικές αποστολές επόμενης γενιάς είναι υπό συζήτηση, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί για να τραβήξουν απευθείας μια εικόνα πλανητών που μοιάζουν με τη Γη. Πιστεύω ότι αυτό πρέπει να κάνουμε. Αλλά είναι επίσης πραγματικά, πολύ δύσκολο. Αυτός είναι ένα είδος σταδιοδρομίας για μένα.

Τι νιώθετε για την ύπαρξη εξωγήινης ζωής;

Είμαι αισιόδοξος. Για να είσαι σε αυτόν τον τομέα, πρέπει να είσαι. Είμαι σίγουρος ότι κάπου υπάρχει ζωή εκεί έξω. Γνωρίζουμε ήδη ότι η Γη δεν είναι τόσο ιδιαίτερη, ότι υπάρχουν πολλοί άλλοι πλανήτες που έχουν την ίδια θερμοκρασία και μέγεθος. Και γνωρίζουμε επίσης ότι το νερό είναι πραγματικά, πολύ συνηθισμένο. Όπου στη Γη βρίσκουμε νερό, βρίσκουμε και ζωή. Είναι εξαιρετικός διαλύτης. Γνωρίζουμε επίσης ότι η ζωή προέκυψε πολύ γρήγορα στη Γη. Λίγο καιρό αφότου ο ωκεανός σταμάτησε να βράζει και υπήρχε υγρό νερό, βρίσκετε τα πρώτα απολιθώματα ζωής. Για μένα αυτό είναι ένα σημάδι ότι αν έχετε τα σωστά συστατικά και περιμένετε αρκετό καιρό, θα καταλήξετε σε ζωντανά όντα.

Το άλλο σας πρόγραμμα παρατήρησης με το JWST θα αναζητήσει ηφαιστειακή δραστηριότητα. Γιατί αξίζει να το ψάξετε;

Η ηφαιστειακή δραστηριότητα είναι μια καλή ένδειξη για την τεκτονική των πλακών και οι τεκτονικές πλακών πιστεύεται ότι είναι ένα κρίσιμο συστατικό για τη ζωή στη Γη. Καθώς οι πλάκες υποβάλλονται πίσω στο εσωτερικό της Γης, μπορείτε να αφαιρέσετε τον άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Αυτό είναι που εμπόδισε τη Γη να μετατραπεί σε θερμοκήπιο, όπως έκανε η Αφροδίτη.

Η εξασφάλιση χρόνου παρατήρησης με αυτό το τηλεσκόπιο πρέπει να ήταν εξαιρετικά ανταγωνιστική. Γιατί πιστεύετε ότι επιλέχθηκαν τα προγράμματα παρατήρησής σας;

Ήμουν λίγο έκπληκτος που επιλέχθηκαν, γιατί ήταν οι πιο δύσκολες τεχνικά από όλες τις προτάσεις που υπέβαλα. Αλλά υπάρχει τόσος ενθουσιασμός για τους πλανήτες στο μέγεθος της Γης που νομίζω ότι ήταν πρόθυμοι να κάνουν μια παρατήρηση που είναι πιο φιλόδοξη. Είναι ένας τύπος παρατήρησης υψηλού κινδύνου και υψηλής ανταμοιβής.

Θα ήθελα να δω περισσότερο ρίσκο, γιατί απλώς δεν ξέρουμε καθόλου πώς είναι οι εξωπλανήτες. Μάλλον όλα τα μοντέλα είναι λάθος. Είμαι υπέρ του να δούμε τους καλύτερους πλανήτες που υπάρχουν εκεί έξω, αυτούς με το μεγαλύτερο σήμα, και να δούμε τι βλέπουμε. Δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι θα βρούμε κάτι ενδιαφέρον. Ωστόσο, πολλές από τις πιο συναρπαστικές ανακαλύψεις ήταν εκπλήξεις, και αν δεν ρισκάρετε, δεν θα βρείτε εκπλήξεις.

Λίγο μετά την εκτόξευση του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble το 1990, ανακαλύφθηκε ένα πρόβλημα στους καθρέφτες του. Ευτυχώς, οι αστροναύτες κατάφεραν να κάνουν επισκευές. Ανησυχείτε ότι μπορεί να πάει στραβά με το JWST;

Υπάρχει σίγουρη ανησυχία. Μια ιδιαίτερη πρόκληση είναι ότι το JWST έχει μια ηλιοπροστασία που πρέπει να ξεδιπλώνεται τέλεια στο διάστημα. Σε αντίθεση με το Hubble, το JWST είναι τόσο μακριά που δεν μπορούμε να στείλουμε κάποιον εκεί για να το διορθώσει.

Αν υποθέσουμε ότι όλα πάνε σύμφωνα με το σχέδιο, πότε ελπίζετε να έχετε κάποια αποτελέσματα;

Είμαι αισιόδοξος ότι θα έχουμε στοιχεία σε έξι μήνες. Εάν το ιστορικό είναι οποιοσδήποτε οδηγός, θα απαιτηθεί μια αρκετά απότομη καμπύλη εκμάθησης για την εξαγωγή σημάτων από τα ακατέργαστα δεδομένα. Ελπίζω να έχω κάποιες απαντήσεις για τουλάχιστον ορισμένους πλανήτες εντός 12 μηνών από την εκτόξευση. Αλλά είναι εντελώς αχαρτογράφητη περιοχή.

Τι σας κρατά να συνεχίσετε κατά τη διάρκεια αυτών των επίπονων παρατηρήσεων και αναλύσεων;

Μια φορά στο γυμνάσιο μελετούσα την ατμόσφαιρα ενός ζεστού πλανήτη σαν τον Δία. Προσπαθούσα να κάνω όλη την ανάλυση των δεδομένων μου τέλεια πριν κοιτάξω το τελικό αποτέλεσμα, γιατί προσπαθούσα να είμαι καλός επιστήμονας και να μην προκατειλω την ανάλυση. Τελικά ήμουν σε ένα αεροπλάνο και αποφάσισα:Τώρα είναι η στιγμή που θα κοιτάξω.

Το νερό ήταν εκεί δυνατά και καθαρά. Ήμουν τόσο ενθουσιασμένος σε αυτό το αεροπλάνο! Ο διπλανός μου νόμιζε ότι ήμουν τελείως τρελή. Έλεγα:«Κοίτα αυτό! Κοίτα αυτό!" Και είπαν, "Εντάξει, κυρία, παρακαλώ αφήστε με ήσυχο."

Δεν υπάρχει αίσθηση στον κόσμο σαν να είσαι ο πρώτος άνθρωπος που θα μάθει κάτι νέο για το σύμπαν. Υπάρχουν μερικές φορές που έχω ανακαλύψει νερό σε έναν πλανήτη που κανείς δεν είχε ξαναδεί. Αισθάνεστε σαν να κάνετε πεζοπορία σε έναν εξωγήινο πλανήτη. Αυτό δεν είναι κάτι που συμβαίνει τόσο συχνά στην καριέρα σου, αλλά αυτές είναι οι στιγμές που με κρατούν.

Διόρθωση: 13 Οκτωβρίου 2021

Λόγω ενός σφάλματος επεξεργασίας, αυτό το άρθρο ανέφερε αρχικά ότι η Kreidberg έλαβε το διδακτορικό της από το Πανεπιστήμιο Yale και όχι από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Το πτυχίο της είναι από το Yale.