كيف سيبحث TESS عن عوالم غريبة

انطباع فنان عن القمر الصناعي العابر لمسح الكواكب الخارجية (TESS) وبعض محجره الكوكبي. الصورة عبر وكالة ناسا.

عبرمؤسسة كافلي

لقد بدأ حقبة جديدة في البحث عن الكواكب الخارجية - والحياة الغريبة التي قد تستضيفها. على متن صاروخ SpaceX ، ساتل مسح الكواكب الخارجية العابرة (TESS)تم إطلاقه في 18 أبريل 2018. على مدار العامين المقبلين ، سيقوم TESS بفحص 200000 أو نحو ذلك من أقرب النجوم وأكثرها سطوعًا إلى الأرض بحثًا عن التعتيم الواضح الذي يحدث عندماالكواكب الخارجيةعبور وجوه نجومهم.

المؤسسة كافليتحدث مع اثنين من العلماء علىمهمة TESS، لإلقاء نظرة عميقة على تطورها والهدف العلمي الثوري لإيجاد أول 'توأم أرضي' في الكون. كان المشاركونجريج بيرتيوم، مدير الأجهزة لمهمة TESS وديانا دراغومير، زميل هابل لما بعد الدكتوراه في معهد MIT Kavli للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء.

****

مؤسسة كافلي: بدءًا من الصورة الكبيرة ، ما سبب أهمية TESS؟

ديانا دراغومير: سيجد TESS الآلاف من الكواكب الخارجية ، والتي قد لا تبدو مشكلة كبيرة ، لأننا نعرف بالفعل ما يقرب من 4000. لكن معظم تلك الكواكب المكتشفة بعيدة جدًا بالنسبة لنا لفعل أي شيء أكثر من مجرد معرفة حجمها وأنها موجودة هناك. الفرق هو أن TESS سيبحث عن كواكب حول نجوم قريبة جدًا منا. عندما تكون النجوم أقرب إلينا ، فإنها تكون أيضًا أكثر إشراقًا من وجهة نظرنا ، وهذا يساعدنا على اكتشاف ودراسة الكواكب من حولها بسهولة أكبر.



ديانا دراغومير عالمة فلك رصدية تركز أبحاثها على الكواكب الخارجية الصغيرة. وهي زميلة هابل ما بعد الدكتوراه في معهد MIT Kavli للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء.

جريج بيرتيوم: أحد الأشياء التي تقوم بها TESS هو المساعدة في الإجابة عن السؤال الأساسي ، 'هل هناك حياة أخرى في الكون؟' كان الناس يتساءلون عن ذلك منذ آلاف السنين. الآن لن تجيب TESS على هذا السؤال مباشرة ، لكنها خطوة ، تمامًا كما ذكرت ديانا ، في طريقها لتزويدنا بالبيانات لنرى أين يمكن أن تكون هناك حياة أخرى هناك. هذا شيء كنا نكافح معه ونتساءل منذ أن تمكنا من طرح الأسئلة.

TKF: ما الذي تتوقع أن تجده TESS بالضبط؟

دراغومير: من المحتمل أن تجد TESS ما بين 100 إلى 200 عوالم بحجم الأرض تقريبًا ، بالإضافة إلى الآلاف من الكواكب الخارجية الأخرى حتى حجم كوكب المشتري.

بيرتيوم: نحاول العثور على الكواكب التي تشبه الأرض ، مما يعني أنها ستكون شبيهة بالأرض في خصائصها ، مثل الحجم والكتلة وما إلى ذلك. هذا يعني أننا نريد العثور على كواكب ذات غلاف جوي ، بجاذبية مماثلة لجاذبية الأرض. نريد أن نجد كواكبًا باردة بدرجة كافية بحيث يكون الماء سائلاً على أسطحها ، وليس باردًا لدرجة أن الماء يتجمد طوال الوقت. نحن نطلق على هذه الكواكب 'المعتدلة' ، وتقع في 'المنطقة الصالحة للسكن' للنجم. هذا هو حقا هدفنا.

دراغومير: صحيح تماما. نريد العثور على أول 'توأم على الأرض'. سيجد TESS كواكب في المنطقة الصالحة للسكن للأقزام الحمراء. هذه النجوم أصغر قليلاً وأبرد من الشمس. يمكن أن يوجد كوكب حول قزم أحمر في مدار أقرب إلى نجمه مما يمكن أن يكون مع نجم أكثر سخونة مثل شمسنا ولا يزال يحافظ على درجة حرارة المعتدل اللطيفة. تُترجم المدارات الأقرب إلى المزيد من عمليات العبور ، أو عبور النجوم ، مما يجعل العثور على هذه الكواكب القزمة الحمراء ودراستها أسهل من العثور على الكواكب حول النجوم الشبيهة بالشمس.

يعمل علماء الفلك بجد لإيجاد طرق يمكننا من خلالها دفع بيانات TESS والعثور على بعض الكواكب في المنطقة الصالحة للسكن من النجوم الشبيهة بالشمس أيضًا. إنه أمر صعب لأن تلك الكواكب لها فترات مدارية أطول - سنوات ، أي - من الكواكب القريبة. وهذا يعني أننا بحاجة إلى مزيد من وقت المراقبة لاكتشاف ما يكفي من عبور الكواكب عبر نجومها لنقول إننا اكتشفنا كوكبًا بالتأكيد. لكننا نأمل ، لذا ترقبوا!

سيكتشف TESS آلاف الكواكب الخارجية في مدار حول ألمع النجوم في السماء. سيحدد هذا المسح الأول من نوعه والمحمول في جميع أنحاء السماء كواكب تتراوح من حجم الأرض إلى عمالقة الغاز ، حول مجموعة واسعة من الأنواع النجمية والمسافات المدارية. لا يمكن لأي مسح أرضي تحقيق هذا العمل الفذ. الصورة عبر مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا / مختبر CI.

TKF: ما الذي تحتاج إلى رؤيته حتى تعتبر أيًا من الكواكب التي اكتشفها TESS صالحًا للسكن؟

دراغومير: نريد أن يكون حجم كوكب قريبًا من الأرض لجميع الأسباب التي قدمناها للتو ، ولكن هناك مشكلة صغيرة في ذلك. من المحتمل أن يكون لهذه الأنواع من الكواكب أغلفة جوية صغيرة جدًا ، مقارنة بكمية الصخور التي تشكل حجمها. ولكي تتمكن معظم التلسكوبات من النظر إلى الغلاف الجوي بالتفصيل ، نحتاج في الواقع إلى أن يكون للكوكب غلاف جوي كبير.

هذا بسبب تقنية نستخدمها تسمى التحليل الطيفي للإرسال. إنه يجمع الضوء من النجم الذي يمر عبر الغلاف الجوي للكوكب عندما يعبر الكوكب النجم. يأتي هذا الضوء مع طيف من الغلاف الجوي للكوكب مطبوع عليه ، والذي يمكننا تحليله لتحديد تكوين الغلاف الجوي. كلما زاد عدد الغلاف الجوي ، زاد عدد المواد الموجودة التي يمكن أن تترك بصمة على الطيف ، مما يمنحنا إشارة أكبر.

إذا كان الضوء الصادر من النجم يمر عبر القليل جدًا من الغلاف الجوي ، على الرغم من ذلك ، كما لو كنا ننظر إلى توأم الأرض ، فإن الإشارة ستكون صغيرة جدًا. بناءً على ما توصلت إليه TESS ، سنبدأ بالتالي بكواكب أكبر بها الكثير من الغلاف الجوي ، ومع حصولنا على أدوات أفضل ، سننتقل نحو كواكب أصغر وأصغر ذات غلاف جوي أقل. من المرجح أن تكون تلك الكواكب الأخيرة صالحة للسكن.

بيرتيوم: ما سنبحث عنه في الغلاف الجوي هو أشياء مثل بخار الماء والأكسجين وثاني أكسيد الكربون - الغازات القياسية التي نراها في غلافنا الجوي والتي تحتاجها الحياة وتنتجها. سنحاول أيضًا قياس الأشياء السيئة التي لا تتوافق مع الحياة كما نعرفها على الأرض. على سبيل المثال ، سيكون أمرًا سيئًا للبيولوجيا إذا كان هناك الكثير من الأمونيا في الغلاف الجوي للعالم. الهيدروكربونات ، مثل الميثان ، يمكن أن تكون مشكلة أيضًا في الوفرة العالية جدًا.

جريج بيرثيوم هو مدير الأدوات لمهمة TESS. يعمل في معمل لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، وهو أيضًا عضو في معهد MIT Kavli للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء.

TKF: ديانا ، تخصصك هو الكواكب الخارجية الأصغر من نبتون - كوكب أكبر بأربعة أضعاف من الأرض. ما هي معرفتنا العامة عن هذه الأنواع من العوالم وكيف ستساعد TESS في بحثك؟

دراغومير: شيء واحد نعرفه عن هذه الكواكب هو أنها شائعة جدًا مقارنة بالكواكب الأكبر من نبتون. هذا جيد. لذلك نتوقع أن يجد TESS الكثير والكثير من الكواكب الأصغر من نبتون لكي ننظر إليها.

على الرغم من أن صغر حجمها أمر سيء للحصول على بصمات الغلاف الجوي التي تحدثنا عنها للتو ، إذا كانت النجوم قريبة ومشرقة ، فقد لا نزال قادرين على الحصول على ما يكفي من الضوء لإجراء دراسات جيدة. آمل أن نحصل على ما يكفي أقل من حجم نبتون حتى نبدأ في النظر إلى الغلاف الجوي 'للأرض الفائقة' ، وهي كواكب ضعف حجم الأرض أو نحو ذلك. ليس لدينا أي كواكب أرضية فائقة في نظامنا الشمسي ، لذلك نود أن نلقي نظرة فاحصة على أحد هذه الأنواع من العوالم. وربما فقط ، إذا وجدنا كوكبًا مرشحًا جيدًا حقًا ، فقد نتمكن من البدء في النظر إلى الغلاف الجوي لكوكب بحجم الأرض.

من خلال بحثي ، هناك شيء آخر يمكن أن يساعد فيه TESS حقًا وهو اكتشاف الحدود بين كوكب شديد الغازات مثل نبتون وكوكب صخري جدًا مثل الأرض. نعتقد أنها في الغالب مسألة كتلة. كتلة كبيرة جدًا ، ويبدأ الكوكب في التمسك بجو سميك. في الوقت الحالي ، لسنا متأكدين من مكان هذا الحد. وهذا مهم حتى نعرف متى يكون الكوكب صخريًا ومن المحتمل أن يكون صالحًا للسكن ، أو غازيًا وغير صالح للسكنى.

TKF: جريج ، بصفته مدير أجهزة TESS ، يركب كثيرًا على أكتافك من أجل نجاح المهمة. هل يمكنك إخبارنا قليلاً عن وظيفتك؟

بيرتيوم: وظيفتي كمدير للأجهزة تختلف عن الوظيفة العلمية بالتأكيد. كانت مهمتي هي التأكد من أن جميع القطع ، وجميع الأجزاء التي تدخل في كاميرات الطيران الأربع وأجهزة معالجة الصور كلها تعمل وتعمل معًا وتزودنا بالبيانات الرائعة التي نحتاجها لكي تذهب ديانا وتستمر في استكشاف الكواكب الخارجية . ينتهي دوري الشخصي في المهمة بعد وقت قصير من الإطلاق. بمجرد أن أثبتنا أن القمر الصناعي يوفر البيانات التي نتوقعها ، ونتعامل مع أي مفاجآت قد تطرأ ، فحينئذٍ تنتقل البيانات إلى المجتمع العلمي.

أشعر بالتأكيد بالمسؤولية عن الحصول على جودة البيانات بأعلى مستوى ممكن. عمل الكثير من الناس بجد لسنوات لبناء الكاميرات التي تطير على TESS وكان من الرائع أن تكون جزءًا من هذا الفريق.

TKF: من المقرر أن تبدأ مهمات الكواكب الخارجية الجديدة مثل الأقمار الصناعية لوكالة الفضاء الأوروبية أرييل وأفلاطون في أواخر عام 2020. كيف يمكن لهذه المركبات الفضائية المستقبلية أن تكمل وتبني على مجموعة عمل TESS؟

دراغومير: الشيء الرائع في TESS هو أنه سيمنحنا الكثير للاختيار من بينها فيما يتعلق بأفضل الخيارات للكواكب التي نرغب في دراستها. وبهذه الطريقة ، ستمهد TESS الطريق لمهمة آرييل ، والتي تتمثل في إجراء دراسة عميقة للأغلفة الجوية لمجموعة مختارة من الكواكب الخارجية.

ستبحث مهمة أفلاطون عن كواكب صالحة للسكن ، ولكن حول نجوم أكبر مثل الشمس ، بينما ستركز TESS على البحث عن كواكب صالحة للسكن حول نجوم أصغر. أنا سعيد بذلك لأنني لا أريد أن نضع كل بيضنا في سلة واحدة من خلال النظر فقط إلى النجوم القزمة الحمراء باستخدام TESS. الكواكب حول هذه الأقزام الحمراء مثيرة للغاية في الوقت الحالي لأنها أسهل في الدراسة كما أنها تعبر نجومها كثيرًا ، مما يسهل العثور عليها. لكن في الوقت نفسه ، تميل الأقزام الحمراء إلى أن تكون أكثر نشاطًا من الشمس. عندما يكون النجم نشطًا ، فهذا يعني أنه غالبًا ما يطلق رشقات من الإشعاع تسمى التوهجات. يمكن أن تكون هذه التوهجات مدمرة للغاية للغلاف الجوي للكوكب وتجعل العالم غير صالح للسكن.

في النهاية ، نحن نعيش بالطبع حول نجم شبيه بالشمس ، وحتى الآن ، نحن 'نحن' الوحيدون الذي نعرفه في الكون. لذلك لهذه الأسباب ، من الرائع أن يأتي أفلاطون بشكل متكامل والعثور على تلك الكواكب حول الشموس والتي ربما لن يتمكن TESS من العثور عليها.

TKF: متى تتوقع الإعلان عن اكتشافات TESS الأولى للعوالم الجديدة تمامًا؟

بيرتيوم: أولاً ، سوف يستغرق الأمر بعض الوقت لإدخال TESS في مدارها الفريد. إنها المرة الأولى التي نضع فيها مركبة فضائية في نوع جديد من المدار الإهليلجي بعيد المدى ، حيث ستحافظ الجاذبية من الأرض والقمر على استقرار TESS ، سواء من منظور المدار أو من منظور حراري. لذا فإن جزءًا كبيرًا مما سيحدث خلال الأسابيع الستة الأولى هو مجرد بلوغ ذلك المدار النهائي.

ثم هناك فترة زمنية يتم فيها جمع البيانات للتأكد من أن الأدوات تعمل كما هو متوقع ، بالإضافة إلى ضبط خط أنابيب معالجة البيانات لدينا. أعتقد أننا سنبدأ في رؤية نتائج مثيرة للاهتمام تظهر في وقت ما هذا الصيف.

TKF: إلى جانب العوالم الجديدة ، ما الذي يمكن أن يكشفه TESS عن الكون؟

دراغومير: نظرًا لأن TESS تراقب جزءًا كبيرًا من السماء ، فسوف ترى الكثير من الأشياء التي تحدث في الوقت الفعلي ، وليس فقط الكواكب الخارجية التي تعبر النجوم. بالنسبة لتلك النجوم ، يمكننا أن نتعلم الكثير عن خصائصها وحتى قياس كتلتها بدقة تامة عن طريق القيام بعلم النجوم باستخدام TESS. تتضمن هذه التقنية تتبع تغيرات السطوع أثناء تحرك الموجات الصوتية عبر الأجزاء الداخلية للنجوم - تمامًا مثل كيفية مرور الموجات الزلزالية عبر صخور الأرض والداخل المنصهر أثناء الزلازل.

سنقوم أيضًا بدراسة النشاط المشتعل للنجوم ، والذي كما تحدثنا سابقًا قد يجعل الكواكب القريبة والمعتدلة حول النجوم القزمة الحمراء غير صالحة للسكن.

بالانتقال إلى الحجم ، سيرغب العلماء في البحث في بيانات TESS عن دليل على وجود ثقوب سوداء صغيرة. هذه الأجسام المتطرفة ، التي تشكلت عندما تنفجر النجوم الضخمة ، يمكنها أن تدور حول النجوم العادية التي لا تزال 'حية' ، إذا جاز التعبير. ستساعدنا هذه الأنظمة على فهم أفضل لكيفية تشكل تلك الثقوب السوداء وكيفية تفاعلها مع النجوم المصاحبة لها.

ثم أخيرًا ، بعد أن أصبحت أكبر ، ستنظر TESS في المجرات المسماة الكوازارات. تعمل هذه المجرات فائقة السطوع بواسطة ثقوب سوداء فائقة الكتلة في نواتها. سيساعدنا TESS في مراقبة كيفية تغير سطوع النجوم الزائفة ، والتي يمكننا ربطها مرة أخرى بديناميكيات ثقوبها السوداء.

TKF: لطالما تم الحديث عن تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، الذي تم الترحيب به باعتباره خليفة تلسكوب هابل الفضائي ، كأداة أساسية للقيام بمراقبة متابعة تفصيلية على الكواكب الخارجية الواعدة التي عثر عليها TESS. ومع ذلك ، فإن إطلاق جيمس ويب ، الذي تأخر بالفعل عدة مرات ، تم تأجيله لعام آخر ، حتى عام 2020. كيف ستؤثر تأخيرات جيمس ويب المستمرة على مهمة TESS؟

دراغومير: لا يمثل تأخير جيمس ويب مشكلة كبيرة لأنه يمنحنا في الواقع مزيدًا من الوقت لجمع كواكب مستهدفة رائعة باستخدام TESS. قبل أن نتمكن من استخدام جيمس ويب لمراقبة الكواكب الخارجية المرشحة ودراسة غلافها الجوي ، نحتاج أولاً إلى التأكد من أن الكواكب حقيقية - وأن ما نعتقد أنه كواكب ليس إيجابيات خاطئة ناتجة ، على سبيل المثال ، عن نشاط نجمي. تستغرق عملية التأكيد أسابيع ، باستخدام ملاحظات الدعم من التلسكوبات الأرضية. بعد ذلك سوف يستغرق الأمر أيضًا من أسابيع إلى شهور للحصول على كتلة الكواكب. نقيس ذلك من خلال تسجيل مقدار الكواكب التي تجعل النجوم المضيفة لها تختبر 'اهتزازات' طفيفة في حركتها بمرور الوقت ، بسبب جاذبية الكواكب ، والتي يتم تحديدها من خلال كتلتها.

بمجرد حصولك على تلك الكتلة ، بالإضافة إلى حجم كوكب خارج المجموعة الشمسية استنادًا إلى مقدار ضوء النجوم الذي يحجبه أثناء اكتشاف TESS ، يمكنك قياس كثافته وتحديد ما إذا كان صخريًا أم غازيًا. باستخدام هذه المعلومات ، يكون من الأسهل بعد ذلك تحديد الكواكب التي نريد تحديد أولوياتها ، وكلما استطعنا فهم ما سيخبرنا به جيمس ويب عن غلافها الجوي.

TKF: تحتوي المركبة الفضائية أحيانًا على عناصر روح الدعابة أو حتى العناصر الإضافية العميقة المضمنة فيها. أحد الأمثلة على ذلك: 'السجلات الذهبية' على المركبة الفضائية التوأم فوييجر ، والتي تحتوي على صور وأصوات الحياة والحضارة على الأرض ، بما في ذلك تاج محل وأغنية العصافير. هل هناك أي عناصر من هذا القبيل مدرجة في TESS؟ أي علامات أو رسائل صانعة خفية؟

بيرتيوم: أحد الأشياء التي تطير جنبًا إلى جنب مع TESS هو لوحة معدنية تحمل توقيع العديد من الأشخاص الذين عملوا على تطوير وبناء المركبة الفضائية. كان ذلك شيئًا مثيرًا بالنسبة لنا.

دراغومير: هذا بارد. لم أكن أعرف ذلك!

بيرتيوم: أيضًا ، أجرت وكالة ناسا مسابقة دولية دعت الناس من جميع أنحاء العالم لتقديم رسومات لما اعتقدوا أن الكواكب الخارجية قد تبدو عليه. أعرف أن العديد من الأطفال شاركوا. تم مسح كل هذه الرسومات ضوئيًا على محرك أقراص الإبهام وهم يطيرون جنبًا إلى جنب مع TESS. مدار المركبة الفضائية مستقر لمدة قرن على الأقل ، لذا ستكون اللوحة والرسومات في الفضاء لفترة طويلة!

- آدم هادازي ، ربيع 2018

الخلاصة: يناقش عالمان مهمة TESS.