Det er en utfordrende natt for astronomi ved Lick Observatory nær San Jose, California. Lysene fra Silicon Valley skimrer under toppen av fjellene på Mount Hamilton, og vasker ut de svakeste stjernene. Skyer driver nærmere nordfra med en trussel om regn. På fjelltoppen ligger ti teleskopkuppler, og jeg går opp en bratt oppkjørsel til den største. Det er en uhyggelig lyd, som en løs skodde som stønner i vinden. Det er selve kuppelen som knirker mens den roterer for å holde åpningen sentrert over det sakte bevegelige teleskopet inni.
Relatert innhold
- Livets byggesteiner kan ha kommet fra det ytre rom
- Hva oppdagelsen av hundrevis av nye planeter betyr for astronomi - og filosofi
- Se, Geminidene
Chris McCarthy, en astronom ved San Francisco State University (SFSU), hilser meg ved en dør ved siden av. Han bærer et lite lys festet til hodet og fører meg opp metall trapper gjennom kuppelens indre, holdt blekk mørkt for observasjoner om natten og inn i det varme kontrollrommet. Der sitter Howard Isaacson, en SFSU-senior, og Keith Baker, en teleskoptekniker, ved dataskjermer midt i tykke bunter med kabler og stativer med elektronisk elektronikk. McCarthy og Isaacson chatter og nipper til varm te mens Baker bruker datamus for å justere teleskopet. Før daggry vil astronomene samle lys fra dusinvis av stjerner. Noen av stjernene, håper de, har nye verdener.
I en tid med rovere som utforsker Mars og rombaserte teleskoper og tar blendende bilder av kosmos fra over klønet fra jordens atmosfære, føles rutinen ved Lick - som peker et 47 år gammelt teleskop mot stjerne etter stjerne i timevis - sjarmerende. Likevel er disse astronomene medlemmer av et team som er best i planleggingsvirksomheten. Ved å bruke teleskoper på Hawaii, Chile og Australia, så vel som de ved Lick-observatoriet, for å overvåke rundt 2000 stjerner - de fleste av dem stille og middelaldrende som solen vår og nær nok til Jorden til at store teleskoper kan få en oversikt over deres bevegelser — teamet har funnet omtrent to tredjedeler av de rundt 200 planetene som er oppdaget utenfor solsystemet vårt så langt. (Den nylige hubbuben om hvordan man definerer en planet i solsystemet vårt har ikke truet planetstatusen til disse fjerne objektene.)
Noen av de nyfundne ekstrasolare planetene, eller eksoplaneter, som de kalles, er gigantiske verdener på størrelse med Jupiter som sirkler stjernene sine på tette, stekende baner, langt nærmere enn Merkurius bane rundt solen. Andre svirrer nær stjernene sine og svinger deretter langt ut på eggformede stier og sprer mindre kropper mens de går. Noen nyfødte planeter slenger søskenplanetene sine til et brennende undergang eller ned i verdensdypet.
Ingen steder å se - i det minste ikke ennå - er et solsystem som vårt, med solide planeter i nærheten av solen og gassgigantplaneter på ordnede prosesjoner lenger ut. Et slikt system er det mest sannsynlige stedet for en steinete planet som Jorden å overleve i en stabil bane i milliarder av år. Det er kanskje parochiale, men astronomer som søker livstegn andre steder i kosmos - en søken som animerer letingen etter eksoplaneter - leter etter planeter og solsystemer heller som vår, med en planet som verken er for langt fra eller for nær en stjerne, og kanskje med vann på overflaten. California-teamet sier at det å finne jordlignende planeter bare er et spørsmål om tid.
Studien av eksoplaneter er tross alt fremdeles veldig ny. Tidligere enn et tiår siden antok astronomer at det ville være umulig å se dem mot stjerners strålende gjenskinn. Så noen få astronomer prøvde å finne eksoplaneter ved å lete etter stjerner som så ut til å vingle, trukket av tyngdekraften til usett kropper som kretser rundt dem. Men de fleste eksperter tvilte på at tilnærmingen ville fungere. "Folk syntes å se etter planeter var verdiløs, " sier McCarthy. "Det var et skritt over jakten på utenomjordisk etterretning, og det var ett skritt over å bli bortført av romvesener. Nå er det en av de største vitenskapelige fremskritt i det 20. århundre."
Den første eksoplaneten, oppdaget i 1995 av Michel Mayor og Didier Queloz fra Universitetet i Genève, i Sveits, var en gigantisk gjenstand som var halvparten så stor som Jupiter, og hvirvlet rundt en stjerne som ligner vår sol i en vanvittig bane hver fjerde dag. Stjernen, i stjernebildet Pegasus, ligger omtrent 50 lysår unna. Flere "varme Jupiters", eller gigantiske gassformige planeter som går i nærheten av stjerner, dukket raskt opp, om bare fordi de store kroppene pålegger foreldrene sine de mest uttalte wobblene.
Selv om astronomer ikke har observert disse planetene direkte, trekker de ut at de er gassformet fra deres store størrelse og hva som er kjent om planetdannelse. En planet samles opp av ruskene i de store skiver av støv og gass som omgir stjerner. Hvis den når en viss størrelse - 10 til 15 ganger jordens størrelse - utøver den et slikt gravitasjonstrekk og suger inn så mye gass at det blir en gassgigant.
Da målingsteknikkene ble bedre, skjente astronomer gradvis mindre planeter - først på størrelse med Saturn, deretter ned til Neptun og Uranus. Etter noen år med å oppdage eksoplaneter, så forskere en lovende trend: etter hvert som størrelsene de kunne oppdage ble mindre, ble det flere og flere av dem. Prosessen som bygger planeter ser ut til å favorisere de små, ikke titanene.
I løpet av det siste halvannet året oppdaget California-teamet og en gruppe ledet av forskere i Paris de minste eksoplaneter som ennå er sett rundt sollignende stjerner: De to planetene var bare fem til åtte ganger jordens masse. Astronomer sier at slike verdener hovedsakelig kan bestå av metall og stein, kanskje med tykke atmosfærer. Eksoplaneten funnet av astronom Geoff Marcy fra University of California i Berkeley og kolleger er nær stjernen og sannsynligvis for varm til at væske kan eksistere på overflaten. Den andre planeten går i bane langt fra en svak stjerne og kan være like kald som Pluto. Likevel var det et landemerke for feltet å lære at ikke alle eksoplaneter er gigantiske kuler med bensin. "Dette er de første plausibelt steinete verdenene, " sier Marcy. "For første gang begynner vi å oppdage vår planetariske familie blant stjernene."
Det mest overraskende ved eksoplaneter så langt, sier Marcy en dag på kontoret sitt på Berkeley-campus, er deres uvanlige baner. I det klassiske "overhead view" -diagrammet av solsystemet vårt, sporer planetene (bortsett fra oddball Pluto, som nylig er blitt nedmontert til en dvergplanet), fine konsentriske sirkler rundt solen. Marcy rekker bak sitt pene skrivebord og tar frem et orrery, en mekanisk modell av solsystemet vårt. Metallkuler i endene av spindly armene svinger rundt solen. "Vi forventet alle å se disse fonograf-sporene sirkulære baner, " sier Marcy. "Det var hva lærebøkene sa om planetariske systemer. Så da vi først begynte å se eksentriske baner i 1996, sa folk at de ikke kunne være planeter. Men de viste seg å være en innhøsting av tingene som kommer."
Like etter midnatt på Lick-observatoriet gjør astronomene gode fremskritt på nattens sjekkliste på 40 stjerner. Målene deres er vanligvis ikke de største stjernene i stjernene, men til tross for det er mange lyse nok til å se med det blotte øye. "Når jeg er ute med vennene mine, kan jeg vise til et par stjerner som vi vet har planeter, " sier Howard Isaacson. En spesielt lysstjerne i Andromeda-stjernebildet har tre.
McCarthy tilbyr å avsløre hemmeligheten bak lagets suksess med å spionere eksoplaneter. Vi går inn i den mørke kuppelen og passerer under teleskopet, med det ti fot brede speilet som samler og fokuserer de svake lysstrålene fra fjerne stjerner. Jeg hadde sett det enorme teleskopet på dagtidsturer, men om natten ser det mye viktigere ut, de tykke metallstagene vinklet som beina til en høy bede mantis og ser opp mot himmelen. McCarthy fører meg til et trangt rom under kuppelgulvet, der stjernelys konsentrert av teleskopets speil strømmer inn i en sylinder som er mindre enn en brus. Den er pakket inn i blått skum, med glass i begge ender. Det ser tomt ut inne, men jeg blir fortalt at den er full av jodgass oppvarmet til 122 grader Fahrenheit.
Denne jodcellen ble utviklet av Marcy og hans tidligere student Paul Butler, nå astronom ved Carnegie Institution i Washington, DC Når lys fra en stjerne passerer gjennom den varme gassen, absorberer jodmolekyler visse bølgelengder av lys. Det gjenværende lyset spres ut i en regnbue av et instrument som fungerer som et prisme. Fordi jod har trukket lysbiter, er mørke linjer spredt over spekteret som en lang strekkode i supermarkedet. Hver stjerne har sin egen signatur av bølgelengder av lys som er blitt absorbert av stjernens atmosfære. Disse bølgelengdene skifter litt når en stjerne beveger seg mot eller bort fra oss. Astronomene sammenligner stjernens egen signatur av mørke linjer med de stabile jodlinjene fra en natt til den neste, og fra måned til måned og år til år. Fordi det er så mange fine linjer, er det mulig å oppdage enda minuttskift. "Det er som å holde stjernen opp til et stykke grafikkpapir, " sier McCarthy. "Jodlinjene beveger seg aldri. Så hvis stjernen beveger seg, bruker vi jodlinjene som en linjal som vi måler bevegelsen mot."
For noe så stort som en stjerne, er de eneste tingene som kan forårsake et regelmessig, repeterende skifte, gravitasjonsbrekkene til en annen stjerne - som astronomer lett kunne oppdage på grunn av en følgesvennstjernens egen lyssignatur og dens heftige masse - eller en skjult planet i bane rundt det. Jodcellen kan spore en stjerne som beveger seg så sakte som flere fot per sekund - menneskelig ganghastighet - over den enorme tomheten for billioner kilometer med plass. Denne følsomheten er grunnen til at mange planetjaktlag bruker jodcellen.
Jeg kikker inni den og ser litt krøllet folie og varmekabler som snoker gjennom det blå skummet. Det ser ut til at strimler av kanalbånd holder deler av det sammen. Etter at vi er kommet tilbake til kontrollrommet, humrer McCarthy og peker på slagordet på Keith Bakers svette-skjorte: "Når det blir tøft, bruker du tøff tape."
Jo mer merkelig formede og merkelig fordelt baner astronomene finner, jo mer er de klar over at den naturlige prosessen med planetdannelse innbyr til kaos og uorden. "Det ble klart at solsystemet vårt med sin vakre dynamikk og arkitektur var mye mer stabilt enn de rundt andre stjerner, " sier teoretisk astrofysiker Greg Laughlin fra University of California i Santa Cruz, som samarbeider med Marcy og Butlers team. Å prøve å finne ut hvordan nye planeter skaffet seg rare baner har vært en skremmende oppgave. Laughlin designer datamodeller av eksoplanettbaner for å prøve å lage planetenes historie og forutsi skjebnen deres. Han fokuserer på tyngdekraften i ødeleggelse. For eksempel, når en stor planet beveger seg på en eksentrisk bane, kan tyngdekraften fungere som en sprettert og slenge mindre verdener i nærheten. "I noen av disse systemene, " sier Laughlin, "hvis du setter inn en jordlignende planet i en beboelig bane, kan den bokstavelig talt kastes ut i løpet av uker."
Samhandling mellom planeter kan være vanlig i kosmos, sier Laughlin og kollegene. Nesten 20 stjerner er kjent for å ha mer enn en planet som går i bane rundt seg, og noen av disse søskeneksoplanettene er innelåst i en dans som kalles en "resonans." For eksempel tar det 30 dager å gå i en bane rundt en stjerne som heter Gliese 876, mens en annen planet tar nesten nøyaktig dobbelt så lang tid. Laughlins beregninger viser at deres gjensidige gravitasjonstrekk bevarer et stabilt, klokkelignende arrangement mellom de to planetene.
Resonanser er sterke ledetråder som planetene vandret langt fra fødestedene sine. Disken med støv og gass som gyter fosterplaneter har en egen tyngdekraft. Disken drar på planetene og drar dem gradvis innover mot stjernen, eller tvinger dem i noen tilfeller utover. Når denne migrasjonen pågår i hundretusenvis av år, blir noen eksoplaneter fanget i resonanser med naboene. Når store planeter havner på nært hold, pisker de hverandre rundt og lager noen av de eksentriske banene som teamet har sett. I det minste er det dagens beste gjetning.
Andre planeter er ikke lenge etter denne verdenen. Laughlins datamodeller antyder at noen av planetene nærmest stjernene vil kaste seg ut i dem når fjernere planeter mobber seg inn i mindre baner, kanskje i løpet av hundretusenvis av år. Denne forskningen på fjerne solsystemer har reist et fascinerende scenario om vårt eget solsystem. Noen astronomer teoretiserer at Venus, Jorden og Mars er "andre generasjons" planeter, etterfølgere av tidligere kropper som ble født nærmere solen og vandret innover til de ble fortært.
Har alt det observerte kaoset i universet store konsekvenser for små steinete planeter? Ikke i det hele tatt, sier Laughlin. Teknikken for å måle stjernene som er følsomme som de er frem og tilbake, må være omtrent ti ganger finere for å avsløre gjenstander på jordens størrelse. Men satellitteleskoper planlagt i løpet av de neste årene vil kanskje være i stand til å oppdage "skygger" av fremmede jordarter når de små planetene passerer foran stjernene sine. Laughlin spår at satellittene vil finne slike kropper i hopetall, selv rundt stjerner der det ennå ikke er sett noen store planeter. "Det er veldig sannsynlig at [sollignende] stjerner ledsages av landlige planeter, " sier han. "Min intuitive sans er at solsystemet vårt ikke er uvanlig i det hele tatt."
Berkeleys Geoff Marcy er enig, fordi han sier at hver stjerne er født med nok råstoff rundt seg til å lage mange planeter. Mange solide planeter som Jorden burde dannes, sier han, mens støv samles sammen til småstein, som kolliderer igjen og igjen for å lage asteroider, måner og planeter. "Kanskje Jupiters er sjeldne, " sier han, "men steinete planeter er nesten helt vanlige. Jeg ser bare ikke hvordan det kan være vanskelig å lage en jord."
Det lille eksoplanettet som nylig ble oppdaget av Marcy og Butlers team, støtter den oppfatningen. De fant det mens de overvåket de to resonante planetene i Gliese 876-systemet, som ligger 15 lysår unna. Noe utøvde subtile ekstra slepebaner på planetenes baner, og den beste forklaringen på det er en tredje planet kanskje 7, 5 ganger så massiv som Jorden. Gitt sin størrelse, er planeten sannsynligvis steinete, som Jorden, i stedet for en gassgigant. Oppdagelsen var et stort skritt mot å svare på spørsmålet i alles sinn: Kan vi finne potensielle leveområder for livet andre steder?
Astronomer håpet at spørsmålet ville bli besvart av et NASA-satellittoppdrag kalt Terrestrial Planet Finder. Det var meningen at det skulle gå lenger enn å oppdage eksoplaneter: det skulle ta bilder av de mest pirrende eksoplaneter og analysere atmosfærene deres. Men tidlig i år satte NASA oppdraget på vent, i stor grad på grunn av budsjettoverskridelser fra romstasjonen og romfergen og de forventede kostnadene for planen for å sende folk til Mars.
I mellomtiden leter det California-baserte teamet etter flere eksoplaneter. Om noen måneder vil Marcy og medarbeideren Debra Fischer fra SFSU begynne å jobbe med et nytt teleskop på Lick kalt Automated Planet Finder, som vil inneholde det mest følsomme lysanalyseringsinstrumentet som er gjort for eksoplanettsøk. Robotinstrumentet vil skanne rundt 25 lovende stjerner hver klar natt, med potensial til å oppdage planeter så små som tre til fem ganger større enn jorden. "Dette vil være verdens første teleskop helt dedikert til jakt på planeten, " sier Fischer. "Folk trodde det ville ta en milliard dollar-oppdrag å finne andre planeter som Jorden, men jeg tror vi har tatt et skudd mot det fra bakken."
Marcy sier å finne planeter fra jorden bare er begynnelsen. "Til syvende og sist må vi dra, med robot romfartøy og et lite digitalt kamera, og sende den lille valpen til Tau Ceti eller Epsilon Eridani, " sier Marcy og navngir to nærliggende stjerner med særlig løfte om å være vert for jordlignende planeter. De er henholdsvis 12 og 10, 5 lysår unna. "Visst vil det ta 100 år [å utvikle teknologien], men det er et fantastisk mål for artene våre, og det er innenfor vårt grep. Det er helt teknologisk mulig å få de første bildene av overflaten til en planet rundt en annen stjerne . Vi kan starte et globalt oppdrag, en utsending fra Jorden. Innsatsen vi gjør nå er ganske enkelt rekognosering for det oppdraget, men det er en strålende rekognosering å få øye på de første oaseene i den kosmiske ørkenen. "
Robert Irion leder Science Science Program ved University of California i Santa Cruz. Fotograf Peter Menzel var medforfatter av Hungry Planet: What the World Eats .
