Keplerssjónaukinn

Í leit að fjarreikistjörnum

Keplerssjónaukinn er sá fyrsti sem er fær um að greina fjarreikistjörnur á stærð við jörðina í lífbelti annarra stjarna, þ.e. á þeim stað í sólkerfi þar sem fljótandi vatn getur verið til staðar á yfirborðinu. Sjónaukinn fylgist stöðugt með birtu um það bil 150 þúsund stjarna á meginröð á svæði milli Svansins og Hörpunnar, í þeirri von að greina lotubundnar birtubreytingar á stjörnum sem gætu orsakast af þvergöngu reikistjarna.

Fyrstu niðurstöður verkefnisins voru kunngjörðar þann 4. janúar 2010. Höfðu þá fundist imm fjarreikistjörnur með skamman umferðartíma. Búist er við því að tilkynnt verði um uppgötvanir á enn fleiri fjarreikistjörnum á næstu árum.

1. Sjónaukinn

Keplerssjónaukinn er einfaldur Schmidt-spegilsjónauki með 0,95 metra ljósop og 105 fergráðu sjónsvið (12 gráður í þvermál). Hann vegur rúmt tonn og í honum er aðeins eitt mælitæki, ljósmælir, sem samanstendur af röð 42 CCD-flaga. Hver CCD-flaga hefur 2200x1024 pixla upplausn svo samanlagt er um að ræða 95 megapixla ljósmæli.

Keplerssjónaukinn verður að hafa óhindrað útsýni út í geiminn svo unnt sé að fylgjast stöðugt með stjörnunum. Hvorki tunglið, jörðin né sólin mega trufla sjónsviðið. Kepler er þess vegna á 372,5 daga braut um sólina, en hann eltir jörðina. Þessi tilhögun dregur úr áhrifum þyngdartogs, lofthjúps og segulsviðs jarðar á sjónaukann. Á þessari braut rekur sjónaukann smám saman burt frá jörðinni, svo að í verkefnislok, að fjórum árum liðnum, verður hann í allt að 0,5 stjarnfræðieininga fjarlægð frá jörðinni.

Sjónaukanum er beint á svæði í Vetrarbrautinni sem liggur að hluta í stjörnumerkjunum Svaninum og Hörpunni. Þessi merki eru langt fyrir ofan sólbauginn, svo engar truflanir verða af völdum sólarljóss. Auk þess koma aldrei hnettir úr Kuipersbeltinu eða smástirnabeltinu inn í sjónsviðið.

Gögnin sem sjónaukinn safnar eru geymd og þjöppuð í tölvu sem er um borð í sjónaukanum. Gögnin eru svo send mánaðarlega til jarðar, en gagnaflutningurinn er að hámarki 4,33 Mb/sek.

2. Markmið

Markmið Keplerssjónaukans er að finna út hve algeng sólkerfi eru og hvernig þau eru uppbyggð. Þess vegna þarf sjónaukinn að fylgjast með stóru úrtaki af stjörnum til að:

1. Finna út hversu algengar bergreikistjörnur og stærri reikistjörnur eru í eða við lífbelti stjarna.

2. Finna út stærð og lögun sporbrauta þessara reikistjarna.

3. Áætla hversu margar reikistjörnur eru í margstirnakerfum.

4. Ákvarða brautir, stærðir, massa og eðlismassa risareikistjarna með skamman umferðartíma.

5. Finna fleiri reikistjörnur í sólkerfum þar sem reikistjörnur hafa þegar fundist með öðrum leitaraðferðum.

6. Ákvarða eiginleika þeirra stjarna sem búa yfir sólkerfum.

Gert er ráð fyrir að verkefnið standi formlega yfir í að minnsta kosti fjögur ár. Það gerir stjarnvísindamönnum kleyft að finna hugsanlega fjarreikistjörnur með svipaðan umferðartíma og jörðina. Til að svo megi verða, verða reikistjörnurnar að ganga fjórum sinnum fyrir sínar móðurstjörnur á þessum tíma. Annars er ekki hægt að staðfesta tilvist þeirra.

Hugsanlegt er að verkefnið verði framlengt um tvö ár. Aukast þá líkurnar á að reikistjörnur með svipaðan umferðartíma og Mars finnist.

3. Leitaraðferð

Flestar fjarreikistjörnur sem fundist hafa hingað til eru gasrisar á stærð við Júpíter eða stærri. Ástæðan er einfaldlega sú að þessar reikistjörnur er einfaldast að finna með þeirri tækni sem við búum yfir í dag. Flestar hafa þær fundist með svonefndum sjónstefnumælingum.

Í leiðangursbyrjun var Keplerssjónaukanum beint á næstum hálfa milljón stjarna. Flestar þeirra voru ónothæfar þar sem þær eru of ungar, snúast of hratt eða eru of breytilegar. Eftir sátu um 150.000 stjörnur sem sjónaukinn fylgist nú með, allar bjartari en 16. birtustig. Af þessum stjörnum eru meira en 90.000 þeirra í litrófsflokki G (eins og sólin okkar) og á eða við meginröð. Af þeim eru 20.000 bjartari en 14. birtustig.

Kepler á að greina reikistjörnur af svipaðri stærðargráðu og jörðin. Til þess beitir sjónaukinn þvergönguaðferðinni. Þvergöngur verða þegar reikistjörnur ganga þvert fyrir móðurstjörnurnar sínar. Til þess að svo geti orðið verður sólkerfið okkar að vera í sjónlínu við önnur sólkerfi. Líkurnar á að stjarna valin af handahófi hafi sólkerfi á rönd eru ekki ýkja miklar og þess vegna þarf að fylgjast með þúsundum stjarna.

Þegar reikistjarna á stærð við jörðina gengur fyrir móðurstjörnuna sína, minnkar birta stjörnunnar um 0,0001% í tvær til sextán klukkustundir (tímalengdin er háð fjarlægð reikistjörnunnar frá stjörnunni). Birtuminnkunin er lotubundin ef hún er af völdum reikistjörnu. Því til viðbótar verða allar þvergöngur sömu reikistjörnu að endurtaka sig, valda sömu birtuminnkun og standa alltaf yfir í jafn langan tíma. Annars er ekki hægt að staðfesta tilvist reikistjörnunnar.

Staðfesta verður uppgötvunina með öðrum mælingum, t.d. sjónstefnumælingum. Þegar tilvist reikistjörnunnar er staðfest er hægt að reikna út fjarlægð hennar frá stjörnunni út frá tímalengd þvergöngunnar. Út frá fjarlægðinni er hægt að reikna út massa stjörnunnar með 3. lögmáli Keplers. Stærð reikistjörnunnar sjálfrar er fundin út frá birtuminnkuninni sem hún veldur og stærð stjörnunnar. Fjarlægð reikistjörnunnar og hitastig stjörnunnar gerir okkur svo kleift að draga ályktanir um hitastigið á yfirborðinu hennar. Þá loks er hægt að velta fyrir sér hvort hún sé lífvænleg eða ekki. Á þennan hátt er hægt að læra ýmislegt um eðli reikistjörnunnar, jafnvel þótt við sjáum hana aldrei með beinum hætti.

4. Niðurstöður

Fyrirfram búast stjörnufræðingar við að Keplerssjónaukinn finni hundruð ef ekki þúsundir fjarreikistjarna. Af bergreikistjörnum með eins árs umferðartíma líkt og jörðin telja stjörnufræðingar líklegt að finna:

• Um 50 reikistjörnur ef flestar eru 1 jarðradíus,

• Um 185 reikistjörnur ef flestar eru 1,3 jarðradíusar,

• Um 640 reikistjörnur ef flestar eru 2,2 jarðradíusar,

Auk þess eiga stjarnvísindamenn von á að finna fjölda gasrisa með skamman umferðartíma.

4.1. Helstu uppgötvanir

Helstu uppgötvanir Keplerssjónaukans eru:

• 4. janúar 2010: Á fundi Stjarnvísindafélags Bandaríkjanna þann 4. janúar 2010 tilkynntu vísindamenn um fyrstu fimm fjarreikistjörnurnar sem Keplerssjónaukinn uppgötvaði. Allar eru þær heitir gasrisar með mjög stuttan umferðartíma frá 3,3 til 4,9 dögum. Ein þeirra (Kepler-4b) er örlítið stærri en Neptúnus, en hinar fjórar (Kepler-5b, 6b, 7b og 8b) eru stærri en Júpíter. Allar reikistjörnurnar eru á braut um stjörnur sem eru heitari en sólin okkar. Hitastigið í lofthjúpum þeirra er því mjög hátt eða á bilinu 1200°C til 1800°C sem er heitara en bráðið berg.

• 26. ágúst 2010: Tilkynnt um uppgötvun á tveimur reikistjörnum sem ganga þvert fyrir stjörnuna Kepler-9. Reikistjörnurnar voru nefndar Kepler-9b og 9c. Kepler-9b er stærri en báðar eru ögn massaminni en Satúrnus. Umferðartími Kepler-9b er aðeins 19 dagar en 38 dagar í tilviki Kepler-9c. Auk þessara reikistjarna fannst sú þriðja á braut um sömu stjörnu, enn nær henni en hinar. Sú er mun minni, líklega 50% stærri en jörðin og aðeins 1,6 daga að ljúka einni umferð um móðurstjörnuna.

• 11. janúar 2011: Tilkynnt um uppgötvun á fyrstu bergreikistjörnunni, Kepler-10b sem jafnframt er á þeim tíma smæsta reikistjarna sem fundist hefur utan sólkerfisins, 40% breiðari en jörðin og 4,6 sinnum massameiri (stj1101).

• 15. september 2011: Tilkynnt um uppgötvun á reikistjörnunni Kepler-16b sem er á braut um tvær sólir, eins og Tatooine, heimapláneta Loga Geimgengils í Stjörnustríðsmyndunum. Kepler-16b er gasrisi á stærð við Satúrnus og hringsólar um móðurstjörnur sínar á 229 dögum. Báðar móðurstjörnurnar eru minni en sólin okkar.

• 5. desember 2011: Tilkynnt um uppgötvun á reikistjörnunni Kepler-22b sem er fyrsta reikistjarnan sem sjónaukinn finnur í lífbelti stjörnu á borð við sólina okkar. Kepler-22b er líklega bergreikistjarna en 2,4 sinnum stærri en jörðin. Hún er fyrsta reikistjarnan sem Keplerssjónaukinn finnur sem gæti verið lífvænleg.

• 11. janúar 2012: Tilkynnt um uppgötvun á þremur smæstu reikistjörnum sem fundist hafa á braut um aðra stjörnu sem líkist sólinni. Allar eru reikistjörnurnar smærri en jörðin, sú smæsta á stærð við Mars. Sama dag var einnig tilkynnt um uppgötvun á tveimur öðrum reikistjörnum í tvístirnakerfum (sjá stj1201).

• 21. júní 2012: Tilkynnt um uppgötvun á tveimur rekistjörnum á mjög nálægum brautum um stjörnuna Kepler-36. Önnur er bergreikistjarna en hin gasrisi. Þegar þessir nágrannar komast næst hvor öðrum skilja aðeins 1,9 milljónir km á milli þeirra (sjá stj1212). 
  

Hægt er að fylgjast með nýjustu uppgötvunum Keplerssjónaukans á heimasíðu verkefnisins.

Tengt efni

• Fjarreikistjörnur

• PlanetQuest New Worlds Atlas

• Listi yfir þekktar fjarreikistjörnur
  

Heimildir

• Heimasíða Keplerssjónaukans

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2010). Keplerssjónaukinn. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/alheimurinn/rannsoknir/keplerssjonaukinn (sótt: DAGSETNING).