Exoplanetmetoder: Slik finner vi nye verdener

Jakten på en sister-jord starter i stjernelyset

Hver natt, når mørket senker seg over observatorierne på det chilenske platået og i verdensrommet, søker astronomer etter noe som har fascinert menneskeheten i tusenvis av år: en annen jord hvor livet kunne eksistere. Det er ikke noe fra sagaene eller fantasien, men en virkelig planet som potensielt kunne huse biologisk aktivitet. Over de siste tretti årene har denne jakten blitt bokstavelig talt kosmisk, fra ren spekulasjon til hardest vitenskap. I dag vet vi om over 5600 exoplaneter, altså planeter som kretser rundt andre stjerner enn vår egen sol. Hver enkelt av dem er funnet gjennom en av to helt ulike metoder som konkurrerer, komplementerer hverandre og hver for seg representerer både styrker og kritiske svakheter.

Men metodene forteller en dypere historie om hvordan mennesker løser umulige problemer når avstanden til en exoplanet er så gigantisk at lyset fra den tar flere år å nå oss. Vi kan ikke bare peke et teleskop mot en slik verden og ta et direkte fotografi – teknologien er ennå ikke der. I stedet har astronomer oppfunnet indirekte teknikker som er både elegant konstruerte og usentimental fokusert. De måler små endringer i stjernelys fra når planeter passerer foran stjernen. De fanger opp infrarød stråling som planetene selv sender ut. De analyserer gravitasjonelle påvirkninger på sine modersjerner. Gjennom disse små signalene konstruerer de kartet over verdener vi aldri fysisk har sett, planeter som ligger lysår borte fra oss.

Denne artikkelen vil ta deg med ned i den metodologiske virkeligheten bak exoplanetfunn – hva som faktisk fungerer, hva som er dyrt, hvilke kilder til feil som lurer, og hvor teknologien peker framover. For gründere, fagfolk og de som er nysgjerrige på hvordan moderne astronomi møter høyteknologi, er dette ikke bare en akademisk disiplin. Det er et praktisk seminar i hvordan mennesker løser de største utfordringene vi kan tenke oss, ved å dele ressurser, dele teleskoptid, og dele kunnskapen på tvers av grenser. Det er også en påminnelse om at det viktigste verktøyet for å finne en ny verden kanskje ikke er et speil eller en sensor, men evnen til å stille de rette spørsmålene.

Fra spekulasjon til virkelighet: Hvordan exoplanetene kom til oss

Helt til 1995 var det bare ren teoridannelse og fantasi som omgav spørsmålet om hvorvidt andre stjerner hadde planeter rundt seg. Så oppdaget astronomer Michel Mayor og Didier Queloz en planet omkring stjernen 51 Pegasi, og verden endret seg. Denne første exoplaneten var ikke som noe vi hadde håpet på – det var en gigantisk gassjupiter som kretset nærmere sin stjerne enn Merkur gjør omkring vår sol. Det utfordret all våre antagelser om hvordan planetsystemer dannes. Over de neste årtiuer har søket intensivert seg, og nå oppdager vi omtrent en ny planet hver dag. Nesten to av tre exoplaneter som er kjent i dag ble oppdaget ved hjelp av transitmetoden, en metode som måler små endringer i stjernelyset når en planet passerer foran stjernen sin.

Men tallet på 5600 planeter forteller bare halve historien – det forteller hva vi har klart å finne med dagens teknologi. I virkeligheten anslår astronomer at milliarder av planeter må kretse rundt stjernene omkring oss. De fleste vil vi aldri se fordi de er for små, for mørke, eller for langt borte til at våre instrumenter kan fange signalene. Hvilken metode vi velger påvirker drastisk hvilke planeter vi finner. Transitmetoden oppdager stort sett små, nære planeter. Direkte observasjon oppdager stor sett store, varme planeter langt fra sin stjerne. Og det skaper et helt skjevt bilde av universum – eller mer presist, det skaper flere ulike bilder avhengig av metode og teleskop.

Transitmetoden: Hvordan lyset fra en stjerne avslører sine planeter

Transitmetoden er, på sitt enkleste, en måling av små tap i lys. Tenk deg en stjerne som sender ut en konstant strøm av fotoner mot oss på jorden, som om stjernen var en gigantisk lampe som aldri slukker. Nå tenk deg at en planet passerer foran denne lampen, sett fra vår vinkel. I det øyeblikket blokkerer planeten en liten del av stjernelyset – kanskje en prosent, kanskje mindre. En velplassert teleskop med ekstremt følsomme sensorer kan måle denne små reduksjonen i lysstyrke. Og hvis denne reduksjonen gjentar seg regelmessig, med samme varighet og samme dybde gang på gang, vet astronomer at det må være en planet som forårsaker det.

Metoden oppkalles etter ordet «transit», som betyr å passere over eller gjennom – akkurat hva planeten gjør når den passerer foran stjernen sin fra vår perspektiv. I motsetning til mange andre astronomiske observasjoner krever transitmetoden ingen fantastisk romaufløsning. Du trenger ikke se planeten selv – det ville være umulig for små planeter som jorden omkring fjerne stjerner. I stedet måler du bare fotometrisk, det vil si lysintensiteten fra stjernen som helhet. En moderne CCD-sensor, som du finner i digitalkameraer og som er blitt eksepsjonelt billig over de siste tjue år, kan gjøre denne jobben. Og det er en viktig grunn til at transitmetoden har blitt så dominerende – den er relativt enkel å implementere med standardutstyr, og den fungerer både fra verdensrommet og fra jorden.

Hvorfor transitmetoden vant: Prisen, presisionen og mengden

Transitmetoden har dominert som metode for exoplanetdeteksjon på en grunn – den fungerer, og den er billig i sammenligning. En teleskop som søker etter transiter trenger ikke å være større enn et amatørteleskop og kan starte fra jorden eller i en romstasjon. NASA sitt Kepler-teleskop, som ble sendt opp i 2009 for å finne exoplaneter via transit, veide bare 1054 kilogram – relativt lite for et romteleskop. Og Kepler leverte resultat som sprenger forventningene: mer enn 70 prosent av alle kjente exoplaneter i dag ble oppdaget av Kepler eller av dets etterfølger TESS, som er en enda mindre og billigere variant. Når en metode kan produsere så mange diskoverier med så relativt liten investering, blir den naturligvis favoritt blant finansieringsinstitusjoner og rombyråer.

Men det er også praktiske fordeler med metoden fra en observatørs synspunkt. En gitt stjerne med en planet tar ikke lang tid å observere – du venter bare på at planeten skal passere foran stjernen, og så måler du nedgangen i lys mens det skjer. En transitpassering av en jordlignende planet omkring en soltype stjerne kan bare ta noen få timer. Dette betyr at et teleskop kan observere hundrevis av stjerner og lete etter transiter på alle dem på samme natt. Du trenger ikke dedikert tid for hver stjerne – du kan søke bredt over store områder av stjernehimmelen og fange opp de sjeldne øyeblikkene når en planet happen til å passere foran sin stjerne. Kepler observerte over 150000 stjerner samtidig i sin søkezone, noe som ville vært umulig med enhver annen metode.

Tallet forteller: Hvordan transitmetoden dominerer

Transitmetoden er ikke bare den vanligste måten å finne exoplaneter på – den er nærmest synonymt med oppdagelsen selv. Her er tallene som forklarer dominansen:

Direkte observasjon: Når du faktisk ser planeten selv

Direkte observasjon av exoplaneter høres ut som det burde være enkleste metoden – bare peke et teleskop mot stjernen og ta et fotografi av planetene rundt den. I praksis er det nærmest det motsatte av enkelt. Problemet er grunnleggende fysikk: stjernen er så ufattelig lysende i sammenligning med planeten at det lyset overstyrer alt. En stjerne som Vega sender ut rundt 26000 ganger mer lys enn sin sterkeste planet. Hvis du tar et bilde av Vega med et vanlig teleskop, vil stjernen være så overeksponert at du ikke kan se noe som helst fra planetene omkring den. Du trenger å blende ut stjernelyset med en såkalt koronagraf, en anordning som blokkerer direkte lys fra stjernen mens planetene rundt blir synlige.

Teknologien for å gjøre dette er relativt ny og krever noen av de mest avanserte instrumenter mennesker noensinne har bygget. En koronagraf fungerer ved å bruke enten mekaniske masker, spinnende disker eller kvanteeffekter for å blokkere stjernelyset. Det krever enormt høy presisjon – ofte må instrumentet være stabilt til inom en billionedel av en meter, ellers vil vibrasjonene ødelegge bildet. Dessuten må teleskopet det selv være enormt – jo større teleskopet er, jo svakere lys fra en ekstern planet kan det gjenkjenne. Derfor er de fleste bilder av exoplaneter som er tatt direkte, tatt med noen av verdens største teleskoper, slik som Very Large Telescope i Chile eller Subaru-teleskopet på Mauna Kea på Hawaii.

Direkte observasjon: Fra stjernelys til planetens hemmeligheter

Selv om direkte observasjon er teknisk vanskelig og krever enorme teleskoper, gir metoden informasjon som transitmetoden rett og slett ikke kan gi. Når du fotograferer en exoplanet direkte, kan du se lyset som planeten selv sender ut eller reflekterer. Dette lyset inneholder informasjon om planetens overflate eller atmosfære som du ikke kan få fra å måle stjernelyset. En planets atmosfære absorberer og reflekterer lys på spesifikke bølgelengder avhengig av hvilke kjemikalier som finnes i den. En spektrograf kan identifisere fingeravtrykk av vann, metan, karbondioksid og andre forbindelser. Og det er menneskehetens beste håp for å finne tegn på liv på andre planeter – ved å analysere hemmeligheter som åpenbares i atmosfærens lysabsorpsjon.

Et annet avgjørende fordel med direkte observasjon er at den kan fange opp planeter som transitmetoden ikke kan se. Transitter kan bare finne planeter hvis deres bane ligger akkurat i linja mellom oss og stjernen – de må transitere fra vår perspektiv. Planeter som kretser i andre retninger blir ikke sett av transitmetoden. Direkte observasjon kan finne planeter i alle retninger rundt stjernen fordi det ikke trenger at planeten skal passere foran stjernen. Og for store, unge planeter som fortsatt sender ut varme fra dannelsen, sendes ut infrarødt lys som direkte deteksjon griper. Dette gjør direkte observasjon spesielt god til å finne store jovianske planeter på store avstander fra sine stjerner.

James Webb-revolusjon: Når infrared endrer alt

Den 24. desember 2021 ble James Webb Space Telescope sendt opp fra Kourou i Fransk Guiana – den dyreste single astronomi-instrumentet noensinne bygget, omkring 10 milliarder dollar. Det skulle revamp hele feltet av exoplanetforsking. James Webb ser i infrarødt lys, som ikke påvirkes av stjerne-blendinger som synlig lys. Dermed kunne det, for første gang, ta direkte bilder av exoplaneter med klarhet som aldri var mulig før. I løpet av bare noen måneder etter sommeren 2022 hadde det allerede fanget direkte fotografier av flere nye exoplaneter – arbeid som tidligere ville tatt år med tradisjonelle instrumenter. Og James Webb kunne analysere atmosfærene på allerede kjente exoplaneter, ved å se hvordan infrarød lys ble absorbert under transit.

Hva gjør James Webb så spesiell? For det første er det infrared-teleskopet enormt – hovedspeilet er 6,5 meter, omkring tre ganger større enn Hubble. For det andre er dets infrarøde sensorer blant de mest følsomme noensinne bygget. For det tredje er det plassert ved Lagrange-punkt L2, rundt en million kilometer fra jorden, hvor det unnslipper mest av strålingen fra solen. Fra denne lokasjon kan James Webb detektere lys fra exoplaneter som er omkring 10 millioner ganger svakere enn stjernene de kretser omkring – helt uten sammenligning med tidligere teleskoper. Og siden infrarødt lys penetrerer gjørmede områder bedre enn synlig lys, kan det også se exoplaneter omkring stjerner omgitt av stjernedamn eller andre hindringer.

Atmosfærer: Hvor sporene etter liv kan vises

En av de mest oppslagsverdige mulighetene som James Webb åpner, er å finne biomarører – kjemiske tegn som kunne indikere liv. Hvis en planet har liv på seg vil organismer produsere kjemikalier som ellers ikke ville være der. Oksygen, metan, nitrøsoksyd – disse er gasser som på jorden blir produsert av biologisk aktivitet. Og hvis James Webb kan se disse gassene i en exoplanets atmosfære, spesielt i kombinasjon, kunne det indikere at noe lever der. Dette er ikke bevis, fordi ikke-biologiske prosesser også kan produsere slike gasser, men flere biomarører sammen ville gjøre sannsynligheten for liv mye høyere.

Hva må til for å detektere biomarører med James Webb? For det første må planeten være nær nok til at teleskopet kan fange lys fra den. For det andre må den ligge i den såkalte beboelige sonen omkring sin stjerne – verken for varmt eller for kaldt. For det tredje må atmosfæren være lett å analysere – ikke for tykk, ikke for skyet. Disse betingelsene er sjeldne, og for øyeblikket kjenner vi bare noen få potensielle kandidater. Selv for disse ville det ta betydelig observasjonstid. Og resultatene ville ikke bli klare før rundt 2030–2040. Men hvis James Webb finner tegn på liv på en annen planet – ville det være menneskehetens største vitenskapelige oppdagelse.

Seks typer exoplaneter vi søker etter

Når astronomer søker etter exoplaneter, lete de ikke bare etter én type. Her er de viktigste kategoriene som gjør søket interessant:

• Jordlignende planeter: Små rockeplaneter omkring soltype stjerner i den beboelige sonen. Vanskelige å finne og observere, men de er målet for jakten på liv.
• Superjoer: Rockeplaneter større enn jorden men mindre enn neptun. De finnes veldig ofte, men vi vet ennå ikke helt hvordan de dannes eller hvis noen har liv.
• Varmjupiteren: Gassjupiteren som kretser veldig nær sine stjerner. Lett å detektere via transit, men ville ikke kunne huse liv som vi kjenner det.
• Kalde jupiteren: Gassjupiteren på store avstander fra sine stjerner, kanskje som vår egen jupiter. Vanskelige å finne, men direkte observasjon er særlig god til å oppdage dem.
• Eksosatellitter: Måner omkring exoplaneter. Vi har ikke bekreftet noen ennå, men de kunne potensielt huse liv og ville være ekstra interessant for planetedannelse.
• Planeter omkring pulsar-stjerner: Eksotiske planetersystemer omkring raskt roterende rester av døde stjerner. Veldig gamle og gir innsikt i hvordan planeter overlever stjernevolusjoner.

Tallet forteller: Teknologiens kraft

Teknologiske fremskritt har åpnet helt nye muligheter for exoplanetforsking. Her er tallene som viser transformasjonen:

Norge og norske astronomer i det globale exoplanetrace

Sverige og Finland har lange tradisjoner med astronomi, men Norge har også gjort sitt og gjør det fortsatt. Oslo Universitet og Universitetet i Tromsø har begge sterke astronom-miljøer som bidrar aktivt til exoplanetforsking. Norske astronomer har oppdaget og karakterisert flere exoplaneter gjennom internasjonale samarbeid. Og gjennom Det Europenske Sydlige Observatoriet (ESO), som driver Very Large Telescope i Chile og skal bygge Extremely Large Telescope på Armasonesplatået, har norske medlemsstater tilgang til observasjonstid. Dette betyr at norske forskere kan søke om og få tilgang til noen av verdens beste instrumenter for sitt eget exoplanetforsking.

I tillegg har økonomisk interesse i romfart og satellit-teknologi økt i Norge de siste årene, og norsk industri begynner å være involvert i romteleskop-prosjekter. Med klimautfordringene verden møter, blir vitenskapen om andre planeter og deres atmosfærer også relevant for å forstå vår egen planets framtid. Derfor er det ikke overraskende at stadig flere norske lærlinger og studenter har begynt å interessere seg for astronomi og romvitenskap. Og når det kommer til å finne en ny jord – en planet hvor mennesker potensielt kunne leve eller hvor vi kunne finne tegn på liv – er det en innsats som krever samarbeid over hele verden, inkludert bidrag fra norske forskere og norsk teknologi.

Slik følger du med – og bidrar selv

Hvis du er interessert i exoplaneter og vil følge med på de seneste oppdagelsene, finnes det flere måter å gjøre det på. NASA sitt exoplanet-arkiv, på exoplanetarchive.ipac.caltech.edu, inneholder oppdaterte lister over alle kjente exoplaneter, sortert etter ulike kategorier, med masse, radius, atmosfærisk sammensetning hvis kjent, og data om deteksjonsmetode. Og hvis du har interesse for forskning, kan du bidra som amatørastronom. Selv om amatørteleskoper ikke kan ta direkte bilder av exoplaneter, kan de bidra til transitobservasjoner og presisere banedata for kjente planeter. Organisasjoner som American Association of Variable Star Observers (AAVSO) og norske astronomigrupper har prosjekter der amatører kan bidra til faktiske vitenskapelige data som brukes i forsking.

Du kan også følge James Webb sitt arbeid direkte gjennom NASA sitt Space Telescope Live-dashboard, som viser teleskopets observasjoner i sanntid, og gjennom utgivelser av funn som deles av institusjoner verden rundt. Og hvis du er student eller fagperson som drømmer om å jobbe med exoplaneter, er det aldri blitt lettere å komme inn i feltet. Universiteter over hele verden tilbyr kurs i astronomi og astrofysikk, mange med spesialisering i exoplanet-forsking. Fra gründere som ønsker å lansere nye satellit-observatorier til programmerings-talenter som kan bygge datasystemer for å analysere astronomiske data, finnes det mange karriereveier – jakten på en ny jord krever talenter fra mange disipliner.