211service.com
Satellitten min passet i en liten koffert.
Men det kan hjelpe oss å finne andre verdener. 18. desember 2020
Sara Seager med et teleskop i hagen sin og venter på nattehimmelens mørke. Webb Chappell
Sara Seager har tenkt lenge og hardt på regnestykket: oddsen for at jorden har det eneste livet i universet er nesten umulig. Den største oppdagelsen astronomer muligens kan gjøre er at vi ikke er alene, skriver MIT-astrofysikeren i sin nye memoarbok De minste lysene i universet . Menneskeheten har søkt himmelen etter en refleksjon av oss selv i århundrer; å se noen eller noe annet som bor på en annen jord — det er drømmen.
En pioner i søket etter eksoplaneter, eller planeter som kretser rundt andre stjerner, kom hun opp med den nå standard praksisen med å studere atmosfæren til planeter ved å analysere lyset som filtrerer gjennom dem. Seager, som vant et genistipend fra MacArthur Foundation, er professor i planetarisk vitenskap fra 1941 og har også ansettelser i avdelingene for fysikk og luftfart og astronautikk. Hun var også assisterende vitenskapsdirektør for det MIT-ledede NASA Explorer-oppdraget TESS (transiterende eksoplanetundersøkelsessatellitt) fra 2016 til 2020, og leder for Starshade Rendezvous, en mulighetsstudie for et rombasert oppdrag for å finne og karakterisere jordlignende eksoplaneter. I memoarene hennes deler hun sin personlige historie om å finne seg selv som enke i 40-årsalderen, en plutselig alenemor til to små sønner, mens hun forklarer vitenskapen om hennes søken etter andre verdener.
Dette utdraget, hentet fra forskjellige deler av boken hennes, forteller om arbeidet hennes for å utvikle ASTERIA. ASTERIA, en satellitt på størrelse med en liten koffert, ble designet for å demonstrere teknologien som trengs for et lite teleskop for å lete etter eksoplaneter ved å oppdage den lille nedgangen i en stjernes lys når en planet i bane passerer foran den. Seager initierte og utviklet ASTERIA ved MIT, og fungerte senere som hovedetterforsker mens det ble bygget og drevet av Jet Propulsion Laboratory fra november 2017 til desember 2019.
Søker etter skygger for å finne andre verdener
I sin essens er astrofysikk studiet av lys. Vi vet at det finnes andre stjerner enn solen fordi vi kan se dem skinne. Men lyset lyser ikke bare opp. Lys forurenser. Lyse persienner. Små lys - eksoplaneter - har for alltid blitt vasket ut av de større lysene til stjernene deres, slik disse stjernene vaskes ut av solen vår. For å finne en annen jord, må vi finne de minste lysene i universet.
Hvis, i det minste for øyeblikket, ikke astronomer kunne bekjempe lysstyrken til stjerner, kunne vi kanskje bruke kraften deres til vår fordel. Organer i transitt justerer seg noen ganger. Hvis vi var heldige, kan en planet passere mellom oss og stjernen og skape noe som en miniatyrformørkelse. Månen ser gigantisk ut når den blokkerer solen. Transit-teknikken, som den kommer til å bli kalt, brukte det samme prinsippet på eksoplaneter. Vi ville ikke finne dem ved lyset de sendte ut, men ved lyset de ødela. Ingenting skiller seg ut som en svart flekk.
Høsten 1999, mens jeg var postdoktor ved Institute for Advanced Study i Princeton, ble den første transitt av en kjent planet – HD 209458b, en varm Jupiter – annonsert. Det var helt fantastiske nyheter, delvis fordi oppdagelsen slettet det siste snev av tvil om at eksoplaneter eksisterer.
Studerer stjernelys for tegn på liv
Jeg hadde snudd en idé – en genuint original en – og den vellykkede bruken av transittteknikken gjorde det mer presserende. Mye vitenskap, spesielt banebrytende vitenskap, er avhengig av intuisjon. Jeg hadde ingen bevis for at ideen min ville fungere. Men jeg var uten tvil. Jeg hadde innsett at teknikken kunne bidra til å avsløre noe mer enn den svarte silhuetten av en planet. Umiddelbart rundt den lille delvise formørkelsen ville det samme stjernelyset som ble blokkert av en eksoplanet passere gjennom atmosfæren. Stjernelyset ville nå oss, men ikke slik vanlig stjernelys når oss. Det ville bli filtrert, som vann som renner gjennom en skjerm, eller en lommelykt som strever gjennom en tåke. Hvis du ser på en regnbue på avstand, danner dens mange farger en perfekt forening. Men hvis du ser nærmere på en regnbue, ved å bruke et instrument som kalles en spektrograf, kan du se hull i lyset, små brudd i hver bølgelengde som manglende tenner. Gasser i solatmosfæren og jordens egen tynne konvolutt avbryter overføringen av sollys, slik kraftledninger forårsaker statisk elektrisitet i et radiosignal. Visse gasser forstyrrer på avslørende måter. En gass kan ta en bit av indigo, mens en annen gass kan ha en appetitt på gult eller blått. Hvorfor kunne vi ikke bruke en spektrograf til å se på stjernelyset som passerer gjennom en transittende eksoplanets atmosfære? På den måten kunne vi finne ut hva slags gasser som omgir den eksoplaneten. Vi visste allerede at store mengder av visse gasser sannsynligvis bare eksisterer i nærvær av liv. Vi kaller dem biosignaturgasser. Oksygen er ett; metan er en annen. Vi kan starte med varme Jupiters, planetene vi allerede kjenner, og deres mer lett påviselige atmosfærer. Som en skunks spray, vil sporene deres av natrium og kalium skille seg ut blant mindre potente atomer. Jeg holdt ideen min for meg selv, fordi jeg visste at den var flott – jeg var den første som så potensialet i Transit Technique for å studere atmosfærer – og jeg visste også at gode ideer blir stjålet. Dimitar Sasselov, min tidligere PhD-veileder, var den eneste personen jeg fortalte om teorien min, og han tilbød seg å hjelpe meg med å bringe den nærmere praksis. Da vi hadde utarbeidet detaljene, publiserte jeg en artikkel som berømmet det Dimitar og jeg kalte transittoverføringsspektra – å lese hullene i regnbuene.
Papiret mitt fikk betydelig oppmerksomhet. NASA godtok forslag om å bruke Hubble-romteleskopet; i løpet av noen få måneder etter publisering, siterte ett team arbeidet mitt og vant rettighetene til å studere lyset som passerte gjennom atmosfæren til en varm Jupiter. Jeg var rasende over å ikke bli inkludert på det laget, som valgte en eldre mannlig vitenskapsmann fremfor meg.
I løpet av to år avslørte arbeidet deres den første eksoplanetatmosfæren. Den omringet ikke en annen jord, men premisset mitt hadde fungert. Vi hadde sett vår første fremmede himmel.
Spionerer på stjerner med bittesmå satellitter
En av de store hindringene for å lete etter eksoplaneter er tiden det tar å finne dem. De nærmeste og klareste sollignende stjernene er spredt over hele himmelen, noe som betyr at intet teleskop kan ta inn mer enn noen få om gangen. Men det er uoverkommelig dyrt, så vel som useriøst, å bruke noe som Hubble eller Spitzer til å stirre på et enkelt stjernesystem som venter i håp om å se skyggene til planeter vi ikke er sikre på. Korrekt kartlegging av et stjernesystem kan ta år.
Jeg hadde prøvd å lage en langsiktig plan for å finne en annen jord da jeg lærte om hva fellesskapet hadde brukt for å kalle cubesats – bittesmå satellitter designet i en standardform, som visstnok gjorde dem billigere og enklere å bygge og levere ut i verdensrommet. Hva om jeg lagde en konstellasjon av cubesats, hver tildelt til å se på bare én stjerne? Jeg drømte om romteleskoper på størrelse med et brød – ikke ett, men en hær, som vifter ut i bane som så mange forhåndsspeidere. Hver kunne slå seg ned og overvåke den tildelte sollignende stjernen så lenge jeg trengte den; hver kunne være dedikert til å lære alt mulig om ett enkelt lys. Hubble, Spitzer, Kepler – de så enormt hver. Kanskje nå trengte vi dusinvis eller hundrevis av smalere blikk, ved å bruke transittteknikken som den viktigste metoden for oppdagelse. Cubesats ville ikke se hva større romteleskoper kunne se, men de ville aldri trenge å blinke.
Dette panoramaet av den nordlige himmelen fanget av TESS (transiting exoplanet survey satellite) inkluderer en kantvis utsikt over Melkeveien. Sara Seager fungerte som assisterende vitenskapsdirektør for MIT-ledede TESS, et NASA Explorer-oppdrag, fra 2016 til 2020.
NASA/MIT/TESS OG ETHAN KRUSE (USRA)
Jeg snakket med David Miller, en kollega og ingeniørprofessor som hadde ansvaret for det som skulle bli en av favorittklassene mine: en design-og-bygg-klasse for studenter på fjerde år. Det var revolusjonerende da det startet, fordi det var så prosjektbasert; etter noen få innledende forelesninger dykket studentene ned i utfordringene med å lage en faktisk satellitt. Jeg spurte David om jeg kunne bruke klassen hans til å inkubere cubesat-ideen min.
Han var entusiastisk fra start. Kanskje det beste med MIT er at uansett hvor gal ideen din er, er det ingen som sier at den ikke kommer til å fungere før den har vist seg ubrukelig. Og å klemme et romteleskop inne i noe så lite som en cubesat var en ganske sprø idé. Hovedutfordringen ville være å lage noe lite som fortsatt var stabilt nok til å samle klare data - en høy ordre fordi mindre satellitter, som mindre alt annet, blir presset rundt i verdensrommet lettere enn større objekter. For å ta nøyaktige lysstyrkemålinger av en stjerne, må vi være i stand til å holde lysstyrkesenteret festet til den samme lille brøkdelen av en piksel, langt finere enn bredden til et menneskehår. Vi måtte lage noe som var hundre ganger bedre enn noe som for tiden eksisterte i cubesatsens masseklasse. Tenk deg å lage en bilmotor som går hundre ganger bedre enn dagens beste bilmotor.
La oss gjøre det, sa David.
Statistikk og plass maskinvare
Cubesats er mye billigere enn vanlige satellitter, fordi de er mindre og lettere å skyte opp; de tar opp mye mindre plass i lasterommet til en rakett, og det koster $10 000 å sende et pund av noe ut i verdensrommet. Dessverre gjør deres billige produksjon dem utsatt for feil. Mange av dem fungerer aldri. Vi bruker den samme håpløse betegnelsen på dem som leger bruker for pasienter de aldri fikk sjansen til å redde: DOA.
En av våre første hindringer var da et statistikkproblem. (Hvert problem er et statistikkproblem.) For å lage skyen av cubesats som skulle komme til å bli kalt ASTERIA, måtte vi finne ut hvor mange satellitter vi ville trenge for å gi oss en rimelig sjanse til å finne en annen planet på jordstørrelse. Tusenvis av klare, sollignende stjerner var verdt å overvåke, men vi ville ikke være i stand til å bygge og administrere tusenvis av satellitter. Vi visste også at gitt den flyktige naturen til transitter, var sjansen for at en planet på størrelse med jorda passerer en sollignende stjerne bare rundt 1 av 200. Noen av satellittene våre ville også uten tvil svikte eller gå tapt. Hvis vi bare sendte opp noen få, måtte vi enten være veldig strategiske eller veldig heldige for å finne det vi lette etter. Det var et optimalt antall satellitter som, kombinert med en smart liste over målstjerner, ville holde budsjettet vårt rimelig, men fortsatt gi oss en god sjanse til å lykkes.
Jeg var heldig som hadde en flott gruppe hovedfagsstudenter og postdoktorer som jeg støttet meg på da mannen min, Mike, ble syk. Jeg satte en til å jobbe med ASTERIAs optikk, en annen på presisjonspeking, en tredje på kommunikasjon. Med deres hjelp hadde jeg gjort fremskritt mot en prototype for mine bittesmå satellitter, oppfunnet og testet presisjonspekende maskinvare og programvare, og perfeksjonert utformingen av det innebygde teleskopet og dets beskyttende baffel. Jeg jobbet hardt for å rydde resten av banen for at ASTERIA skulle bli ekte. Etter at vi hadde lagt grunnlaget i design-og-bygg-klassen, fikk elevene mine og jeg selskap av Draper Laboratory i Cambridge, hvor forskere jobber med ting som missilstyringssystemer og ubåtnavigasjon. De gjør også mye arbeid på plass maskinvare. Vi hadde møter hver uke for å prøve å løse problemene med små teleskoper. Vi kunne bygge små nok komponenter, og vi kunne distribuere satellitten og fortelle den hva den skulle gjøre, men vi kunne fortsatt ikke finne ut hvordan vi skulle holde den så stabil som vi trengte den. Mens vi prøvde å løse det problemet, brukte jeg min pågående forskning på biosignaturgasser for å finne ut hvilke typer eksoplaneter som fortjente fokuset vårt. Jeg trodde vi kanskje kunne utforske hundre stjernesystemer eller så i løpet av livet mitt; de måtte være de rette.
En test i ørkenen
Natten falt på, ørkenhard og svartere enn svart da vi krøp sammen på en stor betongflekk på et gammelt missilsted midt i New Mexico for å teste ut en ny komponent for ASTERIA. Jeg ble mer og mer sikker på verdien. Det var ikke Hubble eller Spitzer eller Kepler, og det kan aldri bli noe så fantastisk. Men ikke alle malerier burde eller kunne være det Stjerneklar natt . Det er plass i universet for mindre verk, en annen type kunst. Kepler kan finne tusenvis av nye verdener, men den ville ikke avsløre nok av noen av dem til at vi kunne vite om det var noens hjem. Den feide øyet over stjernefelt som var for langt unna til at astronomer kunne gjøre noe mer enn antagelser om steder som Kepler-22b.
Men hvis jeg bare kunne få ASTERIA til å fungere, og deretter finne en måte å sende opp en flåte av satellitter, ville det kombinere de beste resultatene av NASAs Kepler-romteleskop, i stand til å finne mindre planeter rundt sollignende stjerner, og den begynnende TESS, med sitt mer nærliggende søk og følsomhet for røde dvergstjerner.
Ingeniører tester ASTERIA før lanseringen i 2017.
NASA/JPL-CALTECHTeamet mitt bygde en prototype for et mulig kamera, et som var lovende stabilt og kunne operere ved en varmere temperatur enn detektorene som brukes i de fleste satellitter. (De fleste må kjøles ned, noe som belaster maskinen.) Jeg var bare ikke sikker på at den ville se det vi trengte å se. Jeg hadde en spesielt flink og entusiastisk student på den tiden, som het Mary Knapp; hun hadde vært undergraduate i den første design-and-build-klassen jeg underviste. Hun oppfordret oss til å teste kameraet ute ved å bruke det til å se på ekte stjerner. Mary foreslo ørkenene i New Mexico som vår prøveplass. Den april ville det komme en ny måne, og kastet den allerede klare ørkenhimmelen jevnt beksvart. Den nymånen falt også sammen med skoleferien for sønnene mine, Max og Alex, noe som gjorde at jeg kunne ta dem med. Like mye som jeg ønsket å se stjernene, ville jeg også se dem.
Jeg hadde spurt en lokal klubb av amatørastronomer hvor det beste stedet å teste kameraet vårt kunne være. Den kvelden inviterte de oss til deres stjernevisningsfest, en feiring av nymånen. Vi ankom det gamle missilstedet i skumringen. Jeg så opp på stjernene og kjente at mitt barnlige vidunder kom tilbake. Jeg tror guttene følte det også.
Vi satte opp kameraet. Vi måtte vente til vi var tilbake på MIT for å analysere dataene våre, men vår nye type detektor, en som ennå ikke er brukt til astronomi, så ut til å gjøre susen. Vi visste i det minste at eksperimentet vårt ikke var en total fiasko.
En etterlengtet lansering
I august 2017, etter år med arbeid og håp og innsats, forberedte SpaceX seg på å skyte en Falcon 9-rakett ut i verdensrommet. Raketten hadde ikke mannskap, men ASTERIA var om bord.
Det hadde vært en vanskelig reise. Kameraet hadde tatt veien fra fantasien min til design-og-bygg-klassen vår, gjennom tegninger og prototyper og et gammelt missilsted i New Mexico. Da hadde vi gått tom for penger ved MIT, og Draper Laboratory hadde likt teknologien bedre for andre ting. Jet Propulsion Laboratory, som alltid hadde vært interessert i mulighetene til cubesats og spesielt ASTERIA, fortsatte der MIT og Draper slapp. Tre MIT-kandidater der ville spille ledende roller i prosjektet; de tok arbeidet sitt på alvor, etter å ha sett på egenhånd hvor mye det betydde noe. Deres lidenskap og ekspertise sørget for at ASTERIA ble alt det kunne være, at det ble bygget riktig og kjærlig plassert, til slutt, i lasterommet til en rakett, stønnende på utskytningsrampen på en vakker sensommerdag. Raketten ville skjære inn i himmelen og møte den internasjonale romstasjonen. Astronautene der ville sette vår lille satellitt fri senere på høsten. Fra en hvisking i drømmene mine til verdensrommet: Jeg kunne ikke tro at vi nærmet oss slutten på et så langt oppgjør.
Jeg hadde planlagt å dra til ASTERIA-lanseringen, men den ble forsinket akkurat lenge nok til at reise- og barnepassplaner falt gjennom. På lanseringsdagen tok jeg toget til Cambridge i stedet, gikk til Green Building og tok heisen til min etasje. Jeg gikk forbi reiseplakatene for fjerne verdener inn på kontoret mitt, lukket døren og ringte opp videostrømmen på nettet. Lanseringen var en stor sak; over hele verden ble øynene trent på den raketten som fortsatt ventet på puten.
Nå og da så jeg opp fra de skyfrie Florida-opptakene på skjermen og ut vinduene mine, på min krystallklare utsikt over Boston sentrum. Det var klar himmel overalt hvor jeg så. Jeg brukte kanskje 30 minutter i det stille, og skrev takke-e-poster til andre medlemmer av ASTERIA-teamet. I siste sekund bestemte jeg meg for å ikke sende dem. Jeg vet at overtro er uvitenskapelig. Jeg forstår at det ikke spiller noen rolle for universet om en baseballspiller har på seg det heldige undertøyet sitt – om han får et treff er mest opp til pitcheren og til ham. Men raketter er delikate, dårlig tempererte maskiner. Før russerne skyter opp raketter fra steppene i Kasakhstan i bane, tilkaller de en ortodoks prest for å kaste hellig vann på boosterne, skjegget og kappen hans og det hellige vannet båret sidelengs av vinden. Jeg skulle ikke så langt, men jeg hadde ikke tenkt å sende et par e-poster før vi var trygt vektløse. Jeg ble overrasket over hvor nervøs jeg var da jeg så nedtellingsklokken tikke ned for å starte.
Motorene antente med en stor ball av ren ild. Oppskytningstårnet falt bort, og raketten lettet seg av puten, fikk fart og presset de skinnende skuldrene mot sin fremtidige bane. Kameraene ombord registrerte dens bueflukt mens himmelen rundt den gikk fra blått til lilla til svart. Raketten hadde brutt gjennom i verdensrommet. Forsterkerne ble kastet ut, og resten av raketten fortsatte sin stigning inn i den dypeste mulige natt, jorden blå og lysende bak den, en umulig svarthet foran seg. Det ville ta litt tid før den fant opp romstasjonen, som raste sin egen vei gjennom bane med 17 000 miles i timen, omtrent fem miles hvert sekund. Men raketten, og satellitten vår, var på god vei.
Alt modig må begynne et sted, tenkte jeg.
Tror jeg på annet liv i universet?
Ja jeg tror.
Det bedre spørsmålet: Hva sier søket etter det om oss? Det står at vi er nysgjerrige. Den sier at vi er håpefulle. Den sier at vi er i stand til å undre oss og til fantastiske ting.
Tilpasset og gjengitt fra De minste lysene i universet . Copyright 2020 av Sara Seager. Publisert av Crown, et avtrykk av Random House Publishing Group, en avdeling av Penguin Random House.