Eksoplanetmetoder: Slik finner astronomer nye verdener

Jakten på en sister-jord starter i stjernelyset

Hver natt søker astronomer etter planeter som potensielt kunne huse liv. Fra ren spekulasjon har jakten blitt til konkret vitenskap, og per mars 2022 var det totale antallet bekreftede eksoplaneter kommet opp i 5000, ifølge Store norske leksikon. En eksoplanet er en planet som kretser rundt en annen stjerne enn Sola. De fleste er vanskelige å observere direkte fordi de drukner i lyset fra moderstjernen.

Astronomer bruker derfor ulike teknikker for å avsløre dem. Transitmetoden måler små endringer i stjernelyset når en planet passerer foran. Direkte observasjon er mulig i enkelte tilfeller, men krever avansert teknologi. Gjennom slike signaler konstruerer forskere kunnskap om verdener de aldri har sett direkte.

Denne artikkelen gir en innføring i metodene bak exoplanetfunn – hva som fungerer, og hvor teknologien peker fremover.

Fra spekulasjon til virkelighet: Hvordan exoplanetene ble oppdaget

Ifølge Store norske leksikon var spørsmålet om andre stjerner hadde planeter ren teori helt til 1995, da Michel Mayor og Didier Queloz oppdaget en planet omkring stjernen 51 Pegasi. Dette var den første oppdagelsen av en ekstrasolar planet som går i bane rundt en hovedseriestjerne, og oppdagerne ble tildelt halvparten av Nobelprisen i fysikk for 2019, ifølge Store norske leksikon. Planeten var ikke mulig å se direkte, men ga seg til kjenne ved at den virker på moderstjernen med en gravitasjonskraft.

Per mars 2022 var det totale antallet bekreftede eksoplaneter kommet opp i 5000, ifølge Store norske leksikon. Langt de fleste av disse er oppdaget med data fra romobservatoriet Kepler. Det er også observert eksoplaneter fra blant annet European Southern Observatory på La Silla i Chile og Keck 1-teleskopet på Hawaii.

Ulike metoder avslører ulike typer planeter. Transitmetoden krever at planetens bane ligger omtrent i synslinjen sett fra Jorden. Direkte observasjon er mulig når planeten kan skilles fra stjernelyset. Valg av metode og teleskop påvirker hvilke planeter som blir funnet.

Transitmetoden: Hvordan lyset fra en stjerne avslører sine planeter

Transitmetoden bygger på at en planet som passerer foran en stjerne, forårsaker en liten reduksjon av lyset fra stjernen som observeres fra Jorden. Ifølge Store norske leksikon dreier det seg vanligvis om lysreduksjoner på omtrent én til to prosent. For en planet på størrelse med Jorden i bane rundt en sollignende stjerne er reduksjonen bare 84 deler per million, eller mindre enn 0,01 prosent, ifølge Store norske leksikon.

Metoden forutsetter at planetens bane foran stjernen ligger i synslinjen sett fra Jorden. Ifølge Store norske leksikon er sjansen for transitt for en planet i en bane tilsvarende Jordens mindre enn én prosent. Romobservatoriet Kepler gjør slike transittmålinger med så stor nøyaktighet at planeter på størrelse med Jorden er blitt oppdaget. Kepler-37b, oppdaget i 2013, er den hittil minste eksoplaneten bekreftet av Kepler som går i bane rundt en stjerne tilsvarende Sola, ifølge Store norske leksikon. Planeten er bare litt større enn Jordens måne.

Kepler var utstyrt med et fotometer som omfattet et Schmidt-teleskop og 42 lysfølsomme silisiumbrikker (CCD-detektorer) av samme type som finnes i fjernsyns- og digitalkameraer, ifølge Store norske leksikon. Hver brikke hadde 2200x1024 piksler, altså totalt 95 megapiksler, ifølge Store norske leksikon. Datamaskiner registrerer lysendringene, og gjentagende mønstre avslører planeten.

Transitmetoden: Presisjon og store mengder data

Transitmetoden har blitt stadig viktigere fordi den kan brukes med stor nøyaktighet og oppdage mange planeter. NASA sitt Kepler-teleskop ble skutt opp 7. mars 2009 og veide 1052 kilogram, ifølge Store norske leksikon. Observatoriet observerte 530 506 stjerner og oppdaget 2662 eksoplaneter før det ble slått av 30. oktober 2018, ifølge Store norske leksikon.

Kepler målte variasjoner i lysstyrken fra over 100 000 stjerner samtidig hvert 30. minutt i stjernebildene Svanen og Lyren, ifølge Store norske leksikon. Effekten av en transit varer fra omkring en time til en halv dag, avhengig av banen og stjernetypen.

TESS er en etterfølger som ble skutt opp i 2018, ifølge Store norske leksikon. Ifølge Store norske leksikon har satellitten fire identiske kameraer som hver dekker et synsfelt på 24 ganger 24 grader. Foreløpige analyser av observasjoner fra det første året har påvist 75 eksoplaneter. Den overveiende andelen av disse har omløpstider mellom to og åtte dager, mens noen få har opp mot 40 døgn, ifølge Store norske leksikon.

Tallet forteller: Transitmetodens rolle

Kepler og TESS har levert store mengder data om exoplaneter:

• Kepler observerte 530 506 stjerner og oppdaget 2662 eksoplaneter, ifølge Store norske leksikon.
• Kepler målte lysstyrken fra over 100 000 stjerner samtidig hvert 30. minutt, ifølge Store norske leksikon.
• Data fra Kepler tyder på at hver stjerne i galaksen i gjennomsnitt har minst 1,6 planeter, og at 5,4 prosent av stjernene har planetkandidater på størrelse med Jorden, ifølge Store norske leksikon.
• TESS påviste 75 eksoplaneter i løpet av sitt første år, ifølge Store norske leksikon.

Direkte observasjon: Når du faktisk ser planeten selv

Direkte observasjon av exoplaneter høres enkelt ut, men i praksis er det motsatt. Ifølge Store norske leksikon er ekstrasolare planeter vanskelige å observere direkte fordi de drukner i lyset fra moderstjernen. I de fleste tilfeller er det derfor ikke mulig å se dem direkte.

Likevel har det i enkelte tilfeller vært mulig å bekrefte eksoplaneter ved hjelp av direkte observasjon. For å oppnå dette kreves avanserte instrumenter og store teleskoper. Jo større speildiameter, jo høyere bildeoppløsning og jo svakere objekter kan registreres, ifølge Store norske leksikon.

Direkte observasjon: Fra stjernelys til planetens hemmeligheter

Transitmetoden kan bare finne planeter når banen ligger omtrent i synslinjen sett fra Jorden, ifølge Store norske leksikon. Direkte observasjon er ikke like avhengig av denne geometriske tilfeldigheten, og kan i prinsippet avsløre planeter i ulike baner rundt stjernen.

Store speil gir bedre bildeoppløsning og gjør det mulig å registrere svakere objekter, ifølge Store norske leksikon.

Infrarøde teleskoper kan registrere stråling fra objekter som er for svake i synlig lys. James Webb-romteleskopet registrerer infrarød stråling som lettere trenger gjennom tynne skyer av støv og gass, ifølge Store norske leksikon.

James Webb: Infrarødt lys endrer bildet

James Webb-romteleskopet ble skutt opp 25. desember 2021 fra Kourou i Fransk Guyana med en Ariane 5 ECA-rakett, ifølge Store norske leksikon. Teleskopet er en etterfølger til Hubble og representerer en ny epoke innen astronomi.

Mens Hubble hovedsakelig observerer synlig lys og ultrafiolett stråling, registrerer James Webb infrarød stråling over bølgelengdeområdet fra 0,6 til 28 mikrometer, ifølge Store norske leksikon. Infrarød stråling lettere trenger gjennom tynne interstellare og intergalaktiske skyer av støv og gass, slik at teleskopet kan registrere både mindre og vesentlig flere strukturer og kilder, og se lenger ut i universet enn Hubble.

Hovedspeilet er 6,5 meter i diameter, sammenlignet med Hubbles 2,4 meter, ifølge Store norske leksikon. Speilet består av 18 heksagonale berylliumsegmenter som hver veier omkring 20 kilogram og er dekket av et tynt lag gull, ifølge Store norske leksikon. For å unngå forstyrrelser fra varmestråling er teleskopet plassert i en elliptisk bane rundt Lagrange-punkt L2, omtrent 1,5 millioner kilometer utenfor Jorden, ifølge Store norske leksikon.

Atmosfærer: Hvor sporene etter liv kan vises

For at liv som kjennes fra Jorden, skal kunne oppstå, må en planet ligge i en gunstig avstand fra stjernen slik at vann kan eksistere i flytende form. Ifølge Store norske leksikon lette Kepler etter jordlignende planeter i nettopp slike soner.

Å studere en exoplanets atmosfære krever at man skiller planetens svake signal fra stjernens sterke lys. Infrarøde teleskoper som James Webb kan registrere langbølget stråling som gir informasjon om omgivelsene rundt planeten, ifølge Store norske leksikon.

Selv for planeter i den beboelige sonen er det krevende å finne tegn på liv. Observasjonene krever lange eksponeringstider og instrumenter med svært høy følsomhet.

Planettyper astronomer leter etter

Astronomer klassifiserer exoplaneter ut fra størrelse, masse og bane. Her er noen kategorier som forekommer i forskningen:

• Jordlignende planeter: Små planeter i en gunstig avstand fra stjernen der vann kan være flytende. Kepler lette spesifikt etter slike objekter, ifølge Store norske leksikon.
• Små planeter: Kepler-37b, oppdaget i 2013, er bare litt større enn Jordens måne og går i bane rundt en stjerne tilsvarende Sola, ifølge Store norske leksikon.
• Gasskjemper: VB-10b, påvist med astrometri i 2012, er en gasskjempe, ifølge Store norske leksikon. Gliese 86 har en planet med to tredjedeler av Saturns masse, ifølge Store norske leksikon.
• Planeter på korte baner: Mange eksoplaneter oppdaget av TESS har omløpstider mellom to og åtte dager, ifølge Store norske leksikon.

Tallet forteller: Teknologiens kraft

Store teleskop og avanserte sensorer gir bedre data:

• Hubble-romteleskopet har et speil på 2,4 meter og har vært i full drift siden desember 1993, ifølge Store norske leksikon.
• James Webb-romteleskopet har et hovedspeil på 6,5 meter og ble skutt opp i 2021, ifølge Store norske leksikon.
• ELT, som bygges av ESO på Cerro Armazones, vil få en speildiameter på 39 meter og forventes ferdig i 2030, ifølge Store norske leksikon.
• Keplers fotometer hadde 95 megapiksler fordelt på 42 CCD-brikker, ifølge Store norske leksikon.

Norge og astronomisk infrastruktur

Norge deltar i internasjonalt astronomisk samarbeid gjennom Nordisk Optisk Teleskop (NOT) på Kanariøyene. Teleskopet har en diameter på 2,5 meter og har vært i drift siden 1990, ifølge Store norske leksikon.

I tillegg har Norge et mindre stjerneobservatorium i Skibotn i Troms. Tidligere fantes også et solobservatorium på Harestua, som ble nedlagt i 1986 og senere brukt til skolebesøk og formidling, ifølge Store norske leksikon.

Norge har en fremtredende rolle i satellittobservatoriene SOHO og HINODE for observasjoner av solen. Store exoplanetoppdagelser krever imidlertid ofte tilgang til spesialiserte, store teleskoper og internasjonale samarbeid.

Slik følger du med – og bidrar selv

Hvis du vil følge med på exoplanetforskningen, finnes det flere tilgjengelige ressurser. NASA og ESA publiserer regelmessig funn fra romobservatoriene Kepler, TESS og James Webb.

Amatørastronomer kan bidra til vitenskapelig arbeid ved å observere variasjoner i stjernelys. Selv om amatørutstyr ikke kan ta direkte bilder av exoplaneter, kan presise målinger av kjente stjerner hjelpe forskere med å overvåke endringer.

For studenter og fagfolk finnes det utdanningsløp innen astronomi og astrofysikk ved universiteter verden over. Programmering, instrumentering og dataanalyse er viktige ferdigheter i feltet.