Det er en udfordrende nat til astronomi ved Lick Observatory nær San Jose, Californien. Lysene i Silicon Valley skimrer under toppen af Mount Hamilton på 4200 fod og vasker de svageste stjerner. Skyer kører tættere fra nord med en trussel om regn. På bjergtoppen er der ti teleskopkuppler, og jeg går op ad en stejl indkørsel til den største. Der er en uhyggelig lyd, ligesom en løs skodde stønner i vinden. Det er selve kuppelen, knirkende, mens den roterer for at holde åbningen centreret over det langsomt bevægende teleskop indeni.
Relateret indhold
- Livets byggesten er kommet fra det ydre rum
- Hvad opdagelsen af hundrede af nye planeter betyder for astronomi - og filosofi
- Se, Geminiderne
Chris McCarthy, en astronom ved San Francisco State University (SFSU), hilser mig ved en dør ved siden af. Han bærer et lille lys, der er spændt på hovedet, fører mig op ad metalltrapper gennem kuppelens indre, holdes blæk mørkt til observationer om natten og ind i det varme kontrolrum. Der sidder Howard Isaacson, en SFSU-senior, og Keith Baker, en teleskoptekniker ved computerskærme midt i tykke bundter af kabler og stativer af forældet elektronik. McCarthy og Isaacson chatter og nipper til varm te, mens Baker bruger sin computermus til at justere teleskopet. Før daggry vil astronomerne samle lys fra snesevis af stjerner. Nogle af stjernerne, håber de, har nye verdener.
I en æra med rovere, der udforsker Mars og rumbaserede teleskoper, der tager blændende billeder af kosmos fra over kløften fra Jordens atmosfære, føles rutinen ved Lick - der peger på et 47 år gammelt teleskop på stjerne efter stjerne i timevis - maleriske. Alligevel er disse astronomer medlemmer af et team, der er bedst inden for jagtbranchen. Brug af teleskoper i Hawaii, Chile og Australien samt dem på Lick-observatoriet til at overvåge omkring 2.000 stjerner - de fleste af dem stille og middelaldrende som vores sol og tæt nok på Jorden til, at store teleskoper kan få et klart overblik over deres bevægelser — holdet har fundet cirka to tredjedele af de omkring 200 planeter, der hidtil er opdaget uden for vores solsystem. (Den nylige hubbub om, hvordan man definerer en planet i vores solsystem, har ikke truet planetstanden for disse fjerne objekter.)
Nogle af de nyfundne ekstrasolære planeter eller eksoplaneter, som de kaldes, er kæmpe verdener på størrelse med Jupiter, der kredser deres stjerner på stramme, ristede bane, langt tættere end Mercurys bane rundt om solen. Andre svæver tæt på deres stjerner og svinger derefter langt ud på ægformede stier og spreder mindre kroppe, mens de går. Nogle nyfødte planeter kaster deres søskendeplaneter til en fyrig undergang eller i rummet.
Intetsteds at ses - i det mindste endnu ikke - er et solsystem som vores, med solide planeter nær solen og gasgigantplaneter på ordnede processioner længere ud. Et sådant system er det mest sandsynlige sted for en stenet planet som Jorden at overleve i en stabil bane i milliarder af år. Det er måske parochialt, men astronomer, der søger tegn på liv et andet sted i kosmos - en søgen, der animerer søgen efter exoplaneter - leder efter planeter og solsystemer snarere som vores, med en planet, der hverken er for langt fra eller for tæt på en stjerne og måske med vand på overfladen. Californiens hold siger, at det er bare et spørgsmål om tid at finde jordlignende planeter.
Undersøgelsen af eksoplaneter er trods alt set meget ny. Tidligere end et årti siden regnede astronomer med, at det ville være umuligt at se dem mod deres stjerners strålende blænding. Så nogle få astronomer forsøgte at finde exoplaneter ved at lede efter stjerner, der syntes at vugle, trukket af tyngdekraften af usete kroppe, der kredsede rundt omkring dem. Men de fleste eksperter tvivlede på, at fremgangsmåden ville fungere. ”Folk troede, at det var værdiløst at kigge efter planeter, ” siger McCarthy. "Det var et skridt over søgningen efter udenrigsundersøgelser, og det var et trin ovenfor, der blev bortført af udlændinge. Nu er det en af de største videnskabelige fremskridt i det 20. århundrede."
Den første exoplanet, der blev opdaget i 1995 af Michel Mayor og Didier Queloz fra universitetet i Genève, i Schweiz, var et kæmpe objekt, der var halvt så stort som Jupiter, hvirvlende omkring en stjerne svarende til vores sol i en frenetisk bane hver fjerde dag. Stjernen i stjernebilledet Pegasus er omkring 50 lysår væk. Flere "varme Jupiters" eller kæmpe gasformige planeter, der kredser tæt på stjerner, dukkede hurtigt op, hvis kun fordi de store kroppe pålægger deres mest udtrykte wobbles på deres overordnede stjerner.
Selvom astronomer ikke har observeret disse planeter direkte, udleder de, at de er gasformige fra deres store størrelse og hvad der er kendt om planetdannelse. En planet samles sammen fra affaldet i de store skiver af støv og gas omkringliggende stjerner. Hvis den når en bestemt størrelse - 10 til 15 gange Jordens størrelse - udøver den en sådan tyngdekrafttrækning og suger ind så meget gas, at det bliver en gasgigant.
Efterhånden som målingen blev forbedret, skønnede astronomer gradvist mindre planeter - først på størrelse med Saturn, derefter ned til Neptune og Uranus. Efter et par års opdagelse af eksoplaneter så forskerne en lovende tendens: Da størrelserne, de kunne opdage, blev mindre, var der flere og flere af dem. Processen, der bygger planeter, ser ud til at favorisere de små, ikke titanerne.
I det sidste halvandet år opdagede Californiens hold og en gruppe ledet af forskere i Paris de mindste eksoplaneter, der endnu er set omkring solrige stjerner: De to planeter var kun fem til otte gange jordens masse. Astronomer siger, at sådanne verdener for det meste kan bestå af metal og sten, måske med tykke atmosfærer. Eksoplaneten fundet af astronom Geoff Marcy fra University of California i Berkeley og kolleger er tæt på dens stjerne og sandsynligvis for varm til, at væske kan eksistere på dens overflade. Den anden planet kredser langt fra en svag stjerne og kan være så kold som Pluto. Stadigvis var det et vartegn for marken at lære, at ikke alle eksoplaneter er kæmpe gasbolde. "Dette er de første plausibelt stenede verdener, " siger Marcy. "For første gang begynder vi at opdage vores planetariske familie blandt stjernerne."
Det mest overraskende træk ved exoplaneter indtil videre, siger Marcy en dag på sit kontor på Berkeley-campus, er deres usædvanlige baner. I det klassiske "overhead" -diagram over vores solsystem, planeterne (undtagen for oddball Pluto, der for nylig er nedlagt til en dværgplanet), sporer de koncentriske cirkler rundt om solen. Marcy rækker bag sit pæne skrivebord og tager en orrery, en mekanisk model af vores solsystem. Metalkugler i enderne af spindelige arme drejer rundt om solen. ”Vi forventede alle at se disse fonograf-rille cirkulære kredsløb, ” siger Marcy. "Det var, hvad lærebøgerne sagde om planetariske systemer. Så da vi først begyndte at se excentriske baner i 1996, sagde folk, at de ikke kunne være planeter. Men de viste sig at være en forbringer af de kommende ting."
Lige efter midnat på Lick-observatoriet gør astronomerne gode fremskridt på nattens tjekliste over 40 stjerner. Deres mål er normalt ikke stjernernes stjernestjerner, men alligevel er mange lyse nok til at se med det blotte øje. ”Når jeg er ude med mine venner, kan jeg pege på et par stjerner, som vi ved, har planeter, ” siger Howard Isaacson. En særlig lys stjerne i Andromeda-stjernebilledet har tre.
McCarthy tilbyder at afsløre hemmeligheden bag holdets succes med at spionere eksoplaneter. Vi går ind i den mørke kuppel og passerer under teleskopet med det ti meter brede spejl, der samler og fokuserer de svage lysstråler fra fjerne stjerner. Jeg havde set det massive teleskop under dagture, men om natten ser det meget mere vitalt ud, dets tykke metalstiver vinklet som benene på en høj bidsprængende mantis og kigger op mod himlen. McCarthy fører mig til et trangt rum under kuppelbunden, hvor stjernelys koncentreret af teleskopets spejl strømmer ind i en cylinder, der er mindre end en sodavand. Det er indpakket i blåt skum, med glas i begge ender. Det ser tomt ind, men jeg får at vide, at den er fuld af jodgas opvarmet til 122 grader Fahrenheit.
Denne jodcelle blev udviklet af Marcy og hans tidligere studerende Paul Butler, nu astronom ved Carnegie Institution i Washington, DC Når lys fra en stjerne passerer gennem den varme gas, absorberer jodmolekyler visse bølgelængder af lys. Det resterende lys spredes ud i en regnbue af et instrument, der fungerer som et prisme. Fordi jodet har trukket lysbiter, er mørke streger spredt over spektret som en lang supermarkedstregkode. Hver stjerne bærer sin egen signatur af bølgelængder af lys, der er blevet optaget af stjernens atmosfære. Disse bølgelængder skifter lidt, når en stjerne bevæger sig mod eller væk fra os. Astronomerne sammenligner stjernens egen signatur af mørke linjer med de stabile jodlinjer fra en nat til den næste og fra måned til måned og år til år. Fordi der er så mange fine linjer, er det muligt at registrere endda minutskift. "Det er som at holde stjernen op til et stykke grafisk papir, " siger McCarthy. "Jodlinierne bevæger sig aldrig. Så hvis stjernen bevæger sig, bruger vi jodlinierne som en lineal, hvorpå vi kan måle denne bevægelse."
For noget så stort som en stjerne, er de eneste ting, der kan forårsage et regelmæssigt, gentagende skift, tyngdekraften fra en anden stjerne - som astronomer let kunne opdage på grund af en ledsagerens egen lyssignatur og dens heftige masse - eller en skjult planet i kredsløb omkring det. Jodcellen kan spore en stjerne, der bevæger sig så langsomt som flere meter i sekundet - menneskelig gåhastighed - over den enorme tomhed for billioner af kilometer plads. Denne følsomhed er grunden til at mange planetjagthold bruger jodcellen.
Jeg kigger inde i den og ser en sammenkrøllet folie og opvarmningstråde snakende gennem det blå skum. Det ser ud til, at strimler af kanaltape holder dele af det sammen. Når vi vender tilbage til kontrolrummet, humrer McCarthy og påpeger sloganet på Keith Bakers svedtrøje: "Når det bliver hårdt, bruger det hårde duct tape."
Jo mere underligt formede og underligt fordelt baner astronomer finder, jo mere er de klar over, at den naturlige proces med planetdannelse indbyder til kaos og uorden. "Det blev klart, at vores solsystem med sin smukke dynamik og arkitektur var meget mere stabilt end dem omkring andre stjerner, " siger den teoretiske astrofysiker Greg Laughlin fra University of California i Santa Cruz, der samarbejder med Marcy og Butlers team. At prøve at finde ud af, hvordan nye planeter erhvervede deres underlige stier, har været en skræmmende opgave. Laughlin designer computermodeller af eksoplanetbaner for at forsøge at genskabe planetenes historie og forudsige deres skæbner. Han fokuserer på tyngdekraften i ødelæggelse. For eksempel, når en stor planet bevæger sig på en excentrisk bane, kan dens tyngdekraft fungere som en slynge og smide mindre nærliggende verdener. "I nogle af disse systemer, " siger Laughlin, "hvis du indsætter en jordlignende planet i en beboelig bane, kan den bogstaveligt talt kastes ud inden for uger."
Interaktion mellem planeter kan være almindelig i kosmos, siger Laughlin og hans kolleger. Næsten 20 stjerner vides at have mere end en planet, der kredser rundt omkring sig, og nogle af disse søskende exoplaneter er låst fast i en dans, der kaldes en "resonans." For eksempel tager det en planet, der cirkler en stjerne kaldet Gliese 876, 30 dage til at kredses, mens en anden planet tager næsten nøjagtigt dobbelt så lang tid. Laughlins beregninger viser, at deres indbyrdes tyngdepunkt bevarer et stabilt, urlignende arrangement mellem de to planeter.
Resonanser er stærke spor, som planeterne vandrede langt fra deres fødesteder. Disken med støv og gas, der gyder embryonale planeter, har en egen tyngdekraft. Disken trækker på planeterne og trækker dem gradvist indad mod stjernen eller tvinger dem i nogle tilfælde udad. Efterhånden som denne migration fortsætter i hundreder af tusinder af år, bliver nogle exoplaneter fanget i resonans med deres naboer. Når store planeter ender i tæt kvarter, pisker de hinanden rundt og skaber nogle af de excentriske baner, som teamet har set. I det mindste er det den aktuelle bedste gæt.
Andre planeter er ikke længe efter denne verden. Laughlins computermodeller antyder, at nogle af de planeter, der er tættest på deres stjerner, vil kaste sig ned i dem, efterhånden som fjernere planeter mobber sig på mindre bane, måske i løbet af hundreder af tusinder af år. Denne undersøgelse af fjerne solsystemer har rejst et fascinerende scenarie om vores eget solsystem. Nogle astronomer teoretiserer, at Venus, Jorden og Mars er "anden generation" planeter, efterfølgere til tidligere kroppe, der blev født tættere på solen og vandrede indad, indtil de blev fortæret.
Har alt det observerede kaos i universet store følger for små stenede planeter? Overhovedet ikke, siger Laughlin. Teknikken til at måle stjernerne, der er følsomme som de er, frem og tilbage, vil være omkring ti gange finere for at afsløre genstande på Jorden. Men satellitteleskoper, der er planlagt til lancering i de næste par år, kan muligvis registrere "skygger" af fremmede jordarter, når de små planeter passerer foran deres stjerner. Laughlin forudsiger, at satellitterne vil finde sådanne kroppe i hop, selv omkring stjerner, hvor der endnu ikke er set nogen store planeter. ”Det er meget sandsynligt, at [sollignende] stjerner ledsages af jordbaserede planeter, ” siger han. "Min intuitive fornemmelse er, at vores solsystem ikke er ualmindeligt overhovedet."
Berkeleys Geoff Marcy er enig, fordi han siger, at hver stjerne er født med nok råmateriale omkring sig til at skabe mange planeter. Masser af solide planeter som Jorden skulle dannes, siger han, da støv samles sammen til småsten, der kolliderer igen og igen for at fremstille asteroider og måner og planeter. "Måske er jupitere sjældne, " siger han, "men klippeformede planeter er næsten helt sikkert almindelige. Jeg kan bare ikke se, hvordan det kan være svært at lave en jord."
Den lille eksoplanet, der for nylig blev opdaget af Marcy og Butlers team, støtter den opfattelse. De fandt det, mens de overvågede de to resonante planeter i Gliese 876-systemet, som er 15 lysår væk. Noget udøvede subtile ekstra slæbebåde på planetenes kredsløb, og den bedste forklaring på det er en tredje planet måske 7, 5 gange så massiv som Jorden. I betragtning af dens størrelse er planeten sandsynligvis stenet som Jorden snarere end en gasgigant. Opdagelsen var et stort skridt i retning af at besvare spørgsmålet i alles sind: Kan vi finde potentielle levesteder for livet andre steder?
Astronomer håbede, at dette spørgsmål ville blive besvaret af en NASA-satellitmission kaldet Terrestrial Planet Finder. Det skulle gå ud over at opdage eksoplaneter: det ville tage billeder af de mest fristende exoplaneter og analysere deres atmosfærer. Men tidligt i år satte NASA missionen på vent, stort set på grund af budgetoverskridelser fra rumstationen og rumfærgen og de forventede omkostninger ved planen om at sende folk til Mars.
I mellemtiden leder det Californien-baserede team stadig efter flere eksoplaneter. I løbet af få måneder vil Marcy og medarbejder Debra Fischer fra SFSU begynde at arbejde med et nyt teleskop ved Lick kaldet Automated Planet Finder, der indeholder det mest følsomme lysanalyserinstrument, der endnu er lavet til exoplanetsøgninger. Robotinstrumentet scanner omkring 25 lovende stjerner hver klar nat med potentialet til at detektere planeter, der er så små som tre til fem gange større end Jorden. "Dette vil være verdens første teleskop, der er helt dedikeret til planetjagt, " siger Fischer. "Folk troede, at det ville kræve milliard dollars-missioner at finde andre planeter som Jorden, men jeg tror, vi har et skud mod det fra jorden."
Marcy siger at finde planeter fra jorden bare er begyndelsen. "I sidste ende er vi nødt til at gå med robot rumfartøj og et lille digitalt kamera og sende den lille hvalp til Tau Ceti eller Epsilon Eridani, " siger Marcy og navngiver to nærliggende stjerner med særlig løfte om at være vært for jordlignende planeter. De er henholdsvis 12 og 10, 5 lysår væk. "Selvfølgelig vil det tage 100 år [at udvikle teknologien], men det er et vidunderligt mål for vores arter, og det er inden for vores greb. Det er helt teknologisk muligt at få de første billeder af overfladen på en planet omkring en anden stjerne . Vi kan starte en global mission, en udsending fra Jorden. Den indsats, vi gør nu, er simpelthen rekognosering for denne mission, men det er en herlig rekognosering at få øje på de første oaser i den kosmiske ørken. "
Robert Irion leder videnskabskommunikationsprogrammet ved University of California i Santa Cruz. Fotograf Peter Menzel var medforfatter til Hungry Planet: What the World Eat .
