Lektion 2 - Kepler visar vägen till exoplaneterna

I en tidigare modul beskrev vi hur Jeans mass- och längdkriterier samt Bonnor–Ebert-massan ledde fram till fragmentering av kalla, täta delar av stoftmoln. Dessa kriterier visar under vilka omständigheter det termiska trycket inte längre kan motverka gravitationen. Denna process bildar inte bara protostjärnor utan också ackretionsskivor där planeter senare kan formas. Det beror på att rörelsemängdsmomentet hos det infallande materialet hindrar gas och stoft från att falla direkt mot stjärnan. I stället lägger sig materien i en stabil omloppsrörelse kring den växande protostjärnan. De grundläggande processerna är i stort desamma som vid bildning av protostjärnor, men här blir detaljerna avgörande. Vi kan till exempel inte anta att planeter bildas utan påverkan från yttre tryck, magnetfält eller ambipolär diffusion. Dessa faktorer styr hur effektivt materialet kan röra sig genom det magnetiska fältet, medan virvlar och turbulens reglerar transport av massa och rörelsemängd. Stoftmolnets kemiska sammansättning påverkar dessutom kylning, jonisationsgrad och kondensationsgränser, och därmed hela skivans termodynamik och struktur.

Samtidigt har uppföljande program som TESS-Keck Survey visat hur vi nu kan gå från upptäckt till karaktärisering. Genom att kombinera transiter från TESS med dopplermätningar från Keck har astronomer kunnat bestämma både radie och massa hos hundratals exoplaneter, vilket ger densitet och insikt i deras sammansättning och sannolika bildningsvägar. Detta tillskott till vår observationsarsenal gör att vi tydligare än någonsin kan placera vårt eget solsystem i ett större kosmiskt sammanhang. 

Keplers data visade också att planeternas storlekar inte är jämnt fördelade. När forskarna räknade hur många planeter som finns av olika storlek upptäckte de ett oväntat tomrum runt 1,8 gånger Jordens radie. Det här radiegapet tycks markera gränsen där planeter inte längre kan behålla sina atmosfärer. Under sina första årmiljoner utsätts unga planeter för intensiv strålning från sin stjärna. Den värmen kan driva bort de yttre gaslagren, vilket gör att vissa planeter krymper till nakna stenklot medan något större planeter lyckas behålla sin gas och blir små gasjättar. Radiegapet visar alltså var gränsen går mellan dessa två typer av stabila världar. Tillsammans visar resultaten att galaxens planetpopulation är mycket mer varierad än man tidigare trodde.

Det är lätt att bara rabbla fakta när man gör en sådan här lektion, men bakom dessa resultat finns också mänskliga berättelser om envishet och uppfinningsrikedom. Natalie Batalha, som senare blev projektforskare för Kepler, beskrev i Sean Carrolls Mindscape podcast hur hon kom in i projektet efter att ha mejlat den då ansvarige Bill Borucki. Hon var till en början skeptisk till idén att använda transitmetoden, eftersom hon visste hur mycket stjärnfläckar kan påverka en stjärnas ljusstyrka. Hon frågade hur de hade tänkt komma runt det problemet. Borucki svarade att just den invändningen hade varit skälet till att tidigare förslag avslagits. Lösningen kom när teamet började studera solens egna ljusvariationer och jämförde deras tidsmönster med de tillfälliga dippar som orsakas av planeter. De upptäckte att fläckarnas förändringar sker på mycket längre tidsskalor än en planetpassage, som bara varar några timmar. Med hjälp av digitala filter kunde de sortera bort de långsamma variationerna och isolera signalen från själva transiten. Bara unga, snabbt roterande stjärnor visade sig fortsätta vara svåra att analysera, men metoden blev tillräckligt tillförlitlig för att Kepler-projektet skulle kunna genomföras. Det blev början på ett samarbete som förändrade planetforskningen. Genom avancerad signalbehandling, bland annat med data från solens ljusvariationer, lärde sig teamet att skilja mellan verkliga planettransiter och falska signaler från stjärnfläckar.

Utvecklingsfasen blev lång, delvis på grund av budgetproblem hos NASA, men också för att tekniken var oprövad. För att övertyga skeptikerna byggde teamet ett litet teleskop vid Lick Observatory för att demonstrera metoden. Det var ett provisoriskt bygge som ofta gick sönder och fick repareras, och vatten läckte ofta in i kupolen. Det blev en sorts forskningsskola i praktisk ingenjörskonst. När Kepler till slut sköts upp 2009 hade alla inblandade redan lärt sig massor om hur metoden fungerade och vad som kunde gå fel. Fyra år senare gick ett av teleskopets reaktionshjul sönder. På Batalhas födelsedag 2013 havererade även det andra. Uppdraget såg ut att vara förlorat, men ingenjörerna hittade en lösning genom att utnyttja solens strålningstryck för att stabilisera teleskopet. Denna uppfinningsrikedom gav Kepler en andra livsfas, kallad K2. Att ett teleskop som var på väg att överges fick ett nytt syfte tack vare en kreativ idé visar hur nära vetenskap och mänsklig uppfinningsrikedom ligger varandra. 

Efter Kepler tog TESS, Transiting Exoplanet Survey Satellite, över stafettpinnen 2018. Medan Kepler koncentrerade sig på ett enda fält i stjärnbilden Svanen kartlägger TESS hela himlen genom en så kallad step-and-stare-strategi. Den använder samma metod, ljusmätning vid transiter, men riktar sig mot ljusstarka och närbelägna stjärnor. På så vis kan planeterna följas upp med större teleskop både från marken och i rymden. TESS har redan hittat hundratals planeter inom 300 ljusår och gett oss nya mål för mer detaljerade studier.

Med James Webb Space Telescope har exoplanetforskningen gått in i en ny fas. Webb mäter hur ljus från en stjärna filtreras genom en planets atmosfär under transit, så kallad transmissionsspektroskopi, och kan därigenom identifiera gaser som koldioxid, metan och vattenånga. En av de första planeterna som observerades var WASP-39b, där man upptäckte svaveldioxid – ett ämne som bara kan bildas genom fotokemiska processer. Det var första gången sådan kemi kunde studeras i en exoplanetatmosfär. På sikt hoppas forskarna kunna använda samma metod på mindre, jordliknande planeter och söka efter biosignaturer.

Framtiden rymmer flera nya steg. Roman Space Telescope, planerad till slutet av 2020-talet, ska använda gravitationsmikrolinsning för att hitta planeter längre ut från sina stjärnor, något som varken Kepler eller TESS kan göra. Längre fram planeras Habitable Worlds Observatory, ett teleskop med teknik som ska kunna blockera stjärnljus och direkt avbilda jordliknande planeter. Målet är att analysera deras atmosfärer och söka efter ämnen som syre, ozon och metan – gaser som kan antyda biologisk aktivitet.

Ser man tillbaka på den här utvecklingen märker man att exoplanetforskningen handlar minst lika mycket om människor, misstag och tillfälligheter som om instrument och data. Från de läckande kupolerna på Lick Observatory till ingenjörerna som använde solens tryck för att rädda Kepler har varje framsteg burits av nyfikenhet och kreativitet. Tillsammans har dessa uppdrag gjort det möjligt att sätta vårt eget solsystem i ett större sammanhang. Vi vet nu att solsystem som vårt inte är unika utan en naturlig följd av samma fysikaliska processer som verkar i stoftmoln, magnetfält och gravitation över hela galaxen.