Idegen világok kutatása az űrből

Öt bolygót tartalmazó, 11,2 milliárd éves bolygórendszer egy vörös törpecsillag körül. A Naprendszerünknél több mint kétszer idősebb naprendszer Galaxisunk kialakulásának hajnalán jött létre. A felfedezés arról tanúskodik, hogy jónéhány bolygónak elég sok idő állt rendelkezésére, hogy akár változatos életformáknak adjon otthont.
Fotó: NASA

Az 1990-es évek közepétől a csillagászok mintegy 2000, idegen csillagok körül keringő bolygót (ún. exobolygót) fedeztek fel, nagy részüket, több planétát rejtő bolygórendszerekben. E felfedezések mintegy felét az amerikai Kepler-űrtávcső egymaga szállította. A módszerének lényege az extrém pontos fényességmérésben rejlik: valahányszor egy távoli bolygó elhalad szülőcsillaga előtt, parányi fényességváltozást okoz a csillag fényében. Bár sok más eredményes exobolygó-felfedező eljárás is létezik, a Kepler, és több jövőbeli űrmisszió is a fedési módszert alkalmazza. Ahhoz, hogy pontos képet kapjunk a bolygók gyakoriságáról, hosszú ideig, sok csillag fényességét kell egyidejűleg mérnünk. Erre a legalkalmasabb helyet az űr kínálja, ahol a légköri jelenségektől és az éjszaka-nappal váltakozása nélkül, megszakításmentesen lehet a planéták árnyékainak átsuhanására vadászni.

Változatos és extrém helyeken előforduló planétákat fedeztünk fel a Keplerrel, így például kettőscsillagok körül keringő bolygókat, a sajátunknál jóval idősebb naprendszert, csillagát 4 óra(!) alatt megkerülő bolygót is sikerült találni, ugyanakkor átfogó statisztikát is kaptunk arról, hogy milyen gyakoriak az exobolygók, és ezen belül a Föld-méretű égitestek. Az adatok minden korábbi elképzelést meghaladva azt mutatják, hogy a bolygók rendkívül gyakoriak: szinte minden csillag körül kering legalább egy bolygó! Minden ötödik csillagnak van Föld-méretű vagy kisebb planétája, és akkor még csak a Kepler által elérhető, viszonylag rövid (néhány óra – néhány hónap) keringési idejű bolygókat vettük figyelembe. Azt a robbanásszerű változást, ami az ismert és megerősített Naprendszeren kívüli bolygók számát és a róluk megszerzett ismereteink bővülését illeti, joggal nevezhetjük Kepler-forradalomnak (a név itt természetesen nem a híres csillagászra, hanem a NASA űrtávcsövére utal). Írásunkban röviden áttekintjük, hogy mi várható a jövőben ezen a tudományterületen, milyen további űrmissziók előkészítése zajlik, és mi lehet a magyar kutatók szerepe ezekben az új világok felfedezését célzó – sokszor Kolumbusz útjához hasonlító – tudományos programokban.

A Kepler magasabb fokozatba kapcsol
2014 nyara óta a Kepler csökkentett üzemmódban dolgozik, mivel a precíz iránytartást segítő négy lendkereke közül kettő is felmondta a szolgálatot, így a négy évig folyamatosan megfigyelt eredeti csillagmező további monitorozása lehetetlenné vált, a 600 millió dolláros berendezésnek pedig új feladatot szántak. A K2-nek elkeresztelt folytatásban a Nap sugárnyomása segítségével egyensúlyozzák ki az űrteleszkópot, ami így a Naprendszer síkjába fordítva folytathatja küldetését, egy-egy területet 80-90 napig vizsgálva.

A Kepler-űrtávcső és a K2 misszió során megfigyelt látómezők. A területek között találunk a Galaxisunk síkjába eső, csillagokban gazdag területeket, illetve attól távol eső, csillagszegény vidékeket, ami változatos asztrofizikai programok végrehajtását teszi lehetővé.
Illusztráció: NASA

Ha azt gondolnánk, hogy a NASA 2009-ben indított Kepler-űrtávcsövének eredeti felfedezéseit nem lehet felülmúlni, valószínűleg tévedünk. Máris kéttucatnyi új exobolygó van a megújult műszer dicsőségfalán, és még jóval több várható, ráadásul ezek nagy része nem is a Naphoz hasonló, viszonylag nagy méretű csillag körül kering, hanem központi csillagunknál kisebb és halványabb, ún. vörös törpecsillagok kísérői. Ezek a „napok” alkotják Galaxisunk csillagainak zömét, és az eredeti megfigyelési mintából jórészt hiányoztak. Kisebb méretük miatt kisebb bolygók fedéseinek felfedezése is lehetséges, valamint a „se nem túl hideg – se nem túl meleg” lakhatósági zóna is jóval közelebb húzódik hozzájuk, így nagyobb eséllyel lehet esetlegesen lakható bolygókat felfedezni. A K2-misszió során a planéták mellett a csillagok is fontos szerephez jutnak. Az új megfigyelési stratégiának köszönhetően változatos korú és fejlődési állapotú csillagokat vizsgálhatunk, ezzel pedig nem csak belső szerkezetükről és fejlődésükről tudunk meg többet, de a bolygóikról szerzett ismereteinket is nagy mértékben kiterjeszthetjük. A K2-vel új lendületet kapott a naprendszerbeli  kis- és törpebolygók kutatása is. E témában magyar kutatók jeleskednek, akiknek több publikációja is megjelent a témában. A régi-új műszer egyébként igazi közösségi űrtávcső: nincs központilag meghatározott program, mint a Keplernél volt: a tudományos közösség által benyújtott legjobb pályázatokat hajtják végre. Cserébe viszont a nyers adatok feldolgozását is mindenkinek magának kell elvégeznie.

TESS, a nagyra törő amerikai kistestvér
A sikersorozat folytatására a NASA a Kepler kistestvérét tervezi felbocsátani, 2017-ben, speciális, erősen elnyúlt, Föld körüli pályára. (Érdemes megjegyezni, hogy a Kepler a Nap körül kering). A TESS-nek (Transiting Exoplanet Survey Satellite – Fedési Exobolygó-felmérő Műhold) négy, nagy látómezejű kamerája lesz

A 2017-re tervezett amerikai exobolygó-kereső űrtávcső, a TESS.
Illusztráció: NASA/TESS

és két év alatt a teljes égboltot letapogatja, ami négyszázszor akkora területet jelent, mint a Kepler eredeti látómezeje. Mire lesz jó a kisebb eszköz, ha csak a fényesebb csillagok körüli bolygók fedéseit lesz képes felfedezni? – kérdezhetnénk. A válaszhoz érdemes figyelembe venni, hogy a fényes csillagok körüli bolygók hordozzák a legtöbb kinyerhető információt, akár a bolygó tömegének, akár légkörének tanulmányozásáról van szó. Ezekhez a mérésekhez legtöbbször földi óriástávcsövekkel végzett spektroszkópiai megfigyelések szükségesek, márpedig a csillagok fényének hullámhossz szerinti felbontása igényli a minél több csillagról jövő fényt. A fényesebb csillagok pedig gyakran közelebb is vannak hozzánk, ez további vonzerőt jelent. A Kepler nyomán kibontakozó galaktikus „exobolygó-számlálás” után a hangsúly tehát az exoplanéták részletes vizsgálatára, és jobb megértésére fog áttevődni.

A George Ricker (MIT – Massachusetts Institute of Technology) által vezetett program kezdeti lépéseit a Google is támogatta. A TESS 500 ezer csillagot fog monitorozni, a legtöbbet 27 napig, egyes égterületeken akár 1 évig is. A minta 1000 vörös törpecsillagot is tartalmaz, a többi zömében Napunkhoz hasonló, 4-6000 Kelvin felszíni hőmérsékletű csillag lesz. A programban magyar csillagászok is részt vesznek. A Keplerhez és a K2-köz hasonlóan feladatuk bizonyos pulzáló csillagfajták vizsgálata és jobb megértése lesz.

A TESS a Hubble-űrtávcső utódja, a 2018-ban induló James Webb űrtávcső számára is fontos célpontokat fog szolgáltatni, valamint felfedezheti a Földhöz legközelebbi lakható exobolygókat, ami természetesen nem jelenti azt, hogy a mai technológiával bármikor a közeli jövőben útra kelhetnénk, és testközelből vizsgálhatnánk meg ezek bármelyikét. A közeli fedési bolygók asztrofizikai jelentősége óriási, hisz légkörüket, felszínüket, később akár domborzatukat, tektonikájukat is elemezhetjük. Mi több, a történelem során először rámutathatunk majd azokra a szabad szemmel is látható fényes csillagokra, melyek körül fedési bolygók, bolygórendszerek vannak.

CHEOPS, az európai speciális egység
A CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite – Exobolygót Vizsgáló Műhold) európai válasz az amerikai kihívásra.  Az Európai Űrügynökség (ESA) svájci vezetéssel megépülő űrtávcsövének ambíciói irigylésre méltóak: a bolygóméretek pontos meghatározásán túl már ismert bolygórendszerekben fog új bolygók, sőt holdak után kutatni. Ez utóbbi a hazai szakemberek egyik szakterülete, és fantasztikus lehetőségeket tartogat a Földön kívüli élet kutatói számára. Nemcsak kőzetbolygók felszínén, hanem gázóriások szilárd kéreggel rendelkező kőzetholdjain is kifejlődhetett az élet, s bár exoholdat még nem ismerünk, nem kizárt hogy az első már ott lapul a Kepler adataiban felfedezésre várva, vagy éppen a most épülő űrtávcsövek segítségével lehet majd minden kétséget kizáróan bizonyítani jelenlétüket.

Az európai CHEOPS szintén bolygófedéseket fog vizsgálni.
Illusztráció: Airbus Defence and Space / EADS CASA Espacio SL

A CHEOPS megfigyelési stratégiája tehát különbözni fog elődjeitől: nem az új rendszerek felfedezése lesz elsődleges célja, hanem a már felfedezett bolygókat, bolygórendszereket fogja alaposabb vizsgálni. A Föld körüli pálya és a küldetés élettartama összesen 2000-3000 egyedi bolygófedés megfigyelését engedi meg. Tudományos szempontból előnyt jelent, hogy lehetőség nyílik távcsővégre kapni az éppen felfedezett legújabb, legérdekesebb rendszereket is. A szintén 2017-ben induló küldetésnek a tudományos hozzájáruláson túl is van magyar vonatkozása: a műhold hűtőradiátorát magyar cég készíti. Magyarország 2015. februárjában aláírta az ESA-csatlakozási szerződést, ettől azt várjuk, hogy a hasonló lehetőségek egyre gyakoribbak lesznek az elkövetkező időszakban.

PLATO, a nagyétvágyú bolygó- és csillaganalizátor
A következő két évtized bolygókeresési munkálataira minden bizonnyal a PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars – Bolygófedések és a csillagok oszcillációk) küldetés fogja feltenni a koronát. Az ESA űrtávcsőrendszere legkorábban 2024-ben indulhat, és a fél égboltot fogja átfésülni. Fő célpontjai szintén a fényes csillagok körüli exobolygók lesznek, de összesen több mint 1 millió csillagot fog alaposabban megvizsgálni. Célját forradalmi újítással, a „sok lúd disznót győz” elv mentén tervezi elérni: egy nagy távcső helyett egy hadosztálynyi, kisebb távcsövet állít hadrendbe.

A PLATO-t harmincnégy teleszkóp alkotja majd. Az űrtávcsőrendszer az exobolygók karakterizálása mellett a csillagok fizikájának megismerésében is nagy előrelépést fog jelenteni. Illusztráció: Rauer és mtsai, 2014

Harmincnégy, 10 centiméter átmérőjű teleszkóp fogja az égbolt nagy területeit átvizsgálni, az általuk összegyűjtött fény kombinálásával a Keplerhez hasonló pontosságot lesz képes elérni a műszer. Egy csillagmezőn, az akár több éves megfigyelési időtartam, a program részeként megvalósított földi kiegészítő mérések és a bolygós csillagok fényváltozásba kódolt rezgéseinek vizsgálata során, eddig még nem látott mennyiségben fogja ontani az információkat a Földhöz hasonló méretű és tömegű kőzetbolygókról. A bolygók méretének és tömegének precíz behatárolásával azok kialakulását ismerhetjük meg, míg a csillagok rezgései a korukat árulják el, amiből a bolygórendszerek fejlődésének törvényszerűségeire következtethetünk. A programban és a legmagasabb tudományos szinten képviselteti magát Magyarország, és reményeink szerint a hardverépítésben is jelen lesznek hazai vállalatok.

Egy potenciális lakható bolygó művészi elképzelése.
Illusztráció: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

Az exobolygó-kutatás jövője tehát fényes és nagyszerű lehetőségeket tartogat. Nem kizárt, hogy lakható, sőt életet hordozó bolygókra lelhetünk a következő évtizedekben. Ez minden bizonnyal az egyik – ha nem a – legnagyobb felfedezés lenne az emberiség történetében. A szükséges tudományos és technikai fejlettség adott, vagy hamarosan elérhető lesz. A többi rajtunk múlik…

Írta: Szabó Róbert csillagász – MTA CSFK, Csillagászati Intézet