211service.com
Min satellit ville passe i en lille kuffert.
Men det kunne hjælpe os med at finde andre verdener. 18. december 2020
Sara Seager med et teleskop i sin gård og afventer nattehimlens mørke. Webb Chappell
Sara Seager har tænkt længe over matematikken: oddsene for, at Jorden huser det eneste liv i universet, er næsten umulige. Den største opdagelse, astronomer muligvis kan gøre, er, at vi ikke er alene, skriver MIT-astrofysikeren i sin nye erindringsbog De mindste lys i universet . Menneskeheden har søgt himlen efter en afspejling af os selv i århundreder; at se nogen eller noget andet, der beboer en anden Jord — det er drømmen.
En pioner i søgningen efter exoplaneter eller planeter, der kredser om andre stjerner, fandt hun på den nu standard praksis med at studere planeters atmosfære ved at analysere lyset, der filtrerer gennem dem. Seager, der vandt en MacArthur Foundation geni bevilling, er klassen i 1941 professor i planetarisk videnskab og har også ansættelser i afdelingerne for fysik og luftfart og astronautik. Hun var også vicevidenskabsdirektør for den MIT-ledede NASA Explorer-mission TESS (transiterende exoplanetundersøgelsessatellit) fra 2016 til 2020 og leder for Starshade Rendezvous, en forundersøgelse for en rumbaseret mission for at finde og karakterisere jordlignende exoplaneter. I sin erindringsbog deler hun sin personlige historie om at finde sig selv som enke som 40-årig, en pludselig enlig mor til to unge sønner, mens hun forklarer videnskaben om sin søgen efter andre verdener.
Dette uddrag, hentet fra forskellige afsnit af hendes bog, fortæller om hendes arbejde med at udvikle ASTERIA. En satellit på størrelse med en lille kuffert, ASTERIA blev designet til at demonstrere den teknologi, der er nødvendig for et lille teleskop til at søge efter exoplaneter ved at detektere det lille dyk i en stjernes lys, når en kredsende planet passerer foran den. Seager initierede og udviklede ASTERIA på MIT og fungerede senere som hovedefterforsker, mens det blev bygget og drevet af Jet Propulsion Laboratory fra november 2017 til december 2019.
Søger efter skygger for at finde andre verdener
I sin essens er astrofysik studiet af lys. Vi ved, at der er andre stjerner end solen, fordi vi kan se dem skinne. Men lys lyser ikke bare. Lys forurener. Lys persienner. Små lys - exoplaneter - er for altid blevet skyllet ud af deres stjerners større lys, sådan som disse stjerner skylles ud af vores sol. For at finde en anden Jord, skal vi finde de mindste lys i universet.
Hvis astronomer i det mindste for øjeblikket ikke kunne bekæmpe stjernernes lysstyrke, kunne vi måske bruge deres magt til vores fordel. Kropper i transit retter sig nogle gange. Hvis vi var heldige, kunne en planet passere mellem os og dens stjerne og skabe noget som en miniatureformørkelse. Månen ser kæmpe ud, når den spærrer solen ude. Transitteknikken, som den ville komme til at blive kaldt, anvendte det samme princip på exoplaneter. Vi ville ikke finde dem ved det lys, de udsendte, men ved det lys, de fordærvede. Intet skiller sig ud som en sort plet.
I efteråret 1999, mens jeg var postdoktor ved Institute for Advanced Study i Princeton, blev den første transit af en kendt planet - HD 209458b, en varm Jupiter - annonceret. Det var en helt fantastisk nyhed, blandt andet fordi opdagelsen slettede det sidste stykke tvivl om, at exoplaneter eksisterer.
Studerer stjernelys for tegn på liv
Jeg havde vendt en idé – en virkelig original – og den vellykkede brug af transitteknikken gjorde det mere presserende. Meget videnskab, især banebrydende videnskab, er afhængig af intuition. Jeg havde ingen beviser for, at min idé ville virke. Men jeg var uden tvivl. Jeg havde indset, at teknikken kunne være med til at afsløre noget mere end den sorte silhuet af en planet. Umiddelbart omkring den lille delvise formørkelse ville det samme stjernelys, som blev blokeret af en exoplanet, passere gennem dens atmosfære. Stjernelyset ville nå os, men ikke som almindeligt stjernelys når os. Det ville blive filtreret, som vand, der løber gennem en skærm, eller en lommelygte, der kæmper gennem en tåge. Hvis du ser på en regnbue på afstand, danner dens mange farver en perfekt forening. Men hvis du ser nærmere på en regnbue ved hjælp af et instrument kaldet en spektrograf, kan du se huller i lyset, små brud i hver bølgelængde som manglende tænder. Gasser i solatmosfæren og Jordens egen tynde kappe afbryder transmissionen af sollys, den måde elledninger forårsager statisk elektricitet i et radiosignal. Visse gasser interfererer på afslørende måder. En gas kan tage en bid af indigo, mens en anden gas kan have appetit på gul eller blå. Hvorfor kunne vi ikke bruge en spektrograf til at se på stjernelyset, der passerer gennem en transiterende exoplanets atmosfære? På den måde kunne vi bestemme, hvilke slags gasser der omgiver den exoplanet. Vi vidste allerede, at store mængder af visse gasser sandsynligvis kun eksisterer i nærværelse af liv. Vi kalder dem biosignaturgasser. Ilt er en; metan er en anden. Vi kunne starte med varme Jupitere, de planeter, vi allerede kender, og deres lettere påviselige atmosfærer. Som en skunks spray ville deres spor af natrium og kalium skille sig ud i selskab med mindre potente atomer. Jeg holdt min idé for mig selv, fordi jeg vidste, at den var fantastisk - jeg var den første, der så potentialet i transitteknikken til at studere atmosfærer - og jeg vidste også, at gode ideer bliver stjålet. Dimitar Sasselov, min tidligere ph.d.-vejleder, var den eneste person, jeg fortalte om min teori, og han tilbød at hjælpe mig med at bringe den tættere på praksis. Da vi havde udarbejdet detaljerne, udgav jeg et papir, hvor jeg lovpriste, hvad Dimitar og jeg kaldte transittransmissionsspektre – at læse hullerne i regnbuerne.
Mit papir fik stor opmærksomhed. NASA accepterede forslag om at bruge Hubble-rumteleskopet; inden for et par måneder efter udgivelsen citerede et hold mit arbejde og vandt rettighederne til at studere lyset, der passerede gennem atmosfæren af en transit varm Jupiter. Jeg var rasende over ikke at blive inkluderet på det hold, som valgte en ældre mandlig videnskabsmand frem for mig.
Inden for to år afslørede deres arbejde den første exoplanetatmosfære. Det omgav ikke en anden Jord, men min forudsætning havde fungeret. Vi havde set vores første alien-himmel.
Spionerer på stjerner med små satellitter
En af de store forhindringer i at lede efter exoplaneter er den tid, det tager at finde dem. De nærmeste og klareste sollignende stjerner er spredt over hele himlen, hvilket betyder, at intet teleskop kan optage mere end et par stykker ad gangen. Men det er uoverkommeligt dyrt, såvel som meningsløst, at bruge noget som Hubble eller Spitzer til at stirre på et enkelt stjernesystem, der venter i håb om at se skyggerne af planeter, vi ikke er sikre på eksisterer. Korrekt kortlægning af et stjernesystem kan tage år.
Jeg havde forsøgt at lave en langsigtet plan for at finde en anden Jord, da jeg lærte om, hvad samfundet havde taget til at kalde cubesats – små satellitter designet til en standardform, som angiveligt gjorde dem billigere og nemmere at bygge og levere ud i rummet. Hvad hvis jeg lavede en konstellation af cubesats, hver tildelt til kun at se på én stjerne? Jeg drømte om rumteleskoper på størrelse med et brød – ikke ét, men en hær, der viftede ud i kredsløb som så mange forhåndsspejdere. Hver kunne slå sig ned og overvåge sin tildelte sollignende stjerne, lige så længe jeg havde brug for det; hver kunne være dedikeret til at lære alt muligt om et enkelt lys. Hubble, Spitzer, Kepler - de så hver især enormt. Måske havde vi nu brug for snesevis eller hundredvis af smallere blikke, ved at bruge transitteknikken som den primære metode til opdagelse. Cubesats ville ikke se, hvad større rumteleskoper kunne se, men de ville aldrig behøve at blinke.
Dette panorama af den nordlige himmel optaget af TESS (transiterende exoplanetundersøgelsessatellit) inkluderer en kantvis udsigt over Mælkevejen. Sara Seager fungerede som vicevidenskabsdirektør for den MIT-ledede TESS, en NASA Explorer-mission, fra 2016 til 2020.
NASA/MIT/TESS OG ETHAN KRUSE (USRA)
Jeg talte med David Miller, en kollega og ingeniørprofessor, der var ansvarlig for, hvad der ville blive en af mine yndlingsklasser: en design-og-byg-klasse for fjerdeårs studerende. Det var revolutionerende, da det startede, fordi det var så projektbaseret; efter et par indledende forelæsninger dykkede eleverne ned i udfordringerne med at lave en egentlig satellit. Jeg spurgte David, om jeg kunne bruge hans klasse til at inkubere min cubesat-idé.
Han var entusiastisk fra start. Måske er det bedste ved MIT, at uanset hvor skør din idé er, er der ingen, der siger, at den ikke kommer til at fungere, før den har vist sig uvirkelig. Og at klemme et rumteleskop inde i noget så lille som en cubesat var en ret skør idé. Den største udfordring ville være at lave noget lille, der stadig var stabilt nok til at indsamle klare data - en høj ordre, fordi mindre satellitter, ligesom mindre alting, lettere bliver skubbet rundt i rummet end større objekter. For at tage præcise lysstyrkemålinger af en stjerne skal vi være i stand til at holde dens lysstyrkecentrum fast på den samme lille brøkdel af en pixel, langt finere end bredden af et menneskehår. Vi skulle lave noget, der var hundrede gange bedre end noget, der i øjeblikket eksisterede i cubesatsens masseklasse. Forestil dig at lave en bilmotor, der kører hundrede gange bedre end nutidens bedste bilmotor.
Lad os gøre det, sagde David.
Statistik og rumudstyr
Cubesats er meget billigere end almindelige satellitter, fordi de er mindre og nemmere at opsende; de fylder meget mindre i lastrummet på en raket, og det koster $10.000 at sende et pund af noget ud i rummet. Desværre gør deres billige fremstilling dem tilbøjelige til at fejle. Mange af dem fungerer aldrig. Vi bruger det samme håbløse udtryk for dem, som læger bruger til patienter, de aldrig fik chancen for at redde: DOA.
En af vores første forhindringer var altså et problem med statistik. (Hvert problem er et problem med statistik.) For at lave skyen af cubesats, der ville komme til at blive kaldt ASTERIA, var vi nødt til at finde ud af, hvor mange satellitter vi skulle bruge for at give os en rimelig chance for at finde en anden planet på størrelse med Jorden. Tusindvis af klare, sollignende stjerner var værd at overvåge, men vi ville ikke være i stand til at bygge og administrere tusindvis af satellitter. Vi vidste også, at i betragtning af transitternes flygtige natur, var oddsene for, at en planet på størrelse med Jorden passerer en sollignende stjerne, kun omkring 1 ud af 200. Nogle af vores satellitter ville uden tvivl også fejle eller gå tabt. Hvis vi kun sendte nogle få op, skulle vi enten være meget strategiske eller meget heldige for at finde det, vi ledte efter. Der var et optimalt antal satellitter, der kombineret med en smart liste over målstjerner ville holde vores budget rimeligt, men stadig give os en god chance for succes.
Jeg var heldig at have en stor gruppe kandidatstuderende og postdocs, som jeg lænede mig op ad, da min mand, Mike, blev syg. Jeg satte en til at arbejde på ASTERIAs optik, en anden på præcisionspegning, en tredje på kommunikation. Med deres hjælp havde jeg gjort fremskridt hen imod en prototype til mine bittesmå satellitter, opfundet og testet præcisions-pointing hardware og software og perfektioneret designet af det indbyggede teleskop og dets beskyttende baffel. Jeg arbejdede hårdt for at rydde resten af stien, så ASTERIA blev virkelig. Efter at vi havde lagt grunden i design-og-bygge-klassen, fik mine elever og jeg følgeskab i vores indsats af Draper Laboratory i Cambridge, hvor forskere arbejder med ting som missilstyringssystemer og ubådsnavigation. De laver også meget arbejde med hardware i rummet. Vi havde møder hver uge for at prøve at løse problemerne med små teleskoper. Vi kunne bygge små nok komponenter, og vi kunne installere satellitten og fortælle den, hvad den skulle gøre, men vi kunne stadig ikke finde ud af, hvordan vi skulle holde den så stabil, som vi havde brug for den. Mens vi forsøgte at løse det problem, brugte jeg min igangværende forskning om biosignaturgasser til at bestemme, hvilke typer exoplaneter der fortjente vores fokus. Jeg troede, at vi måske kunne udforske et hundrede stjernesystemer eller deromkring i min levetid; de skulle være de rigtige.
En test i ørkenen
Natten faldt på, ørkenhård og mere sort end sort, da vi krøb sammen på en stor betonlap på et gammelt missilsted midt i New Mexico for at teste en ny komponent til ASTERIA. Jeg var mere og mere sikker på dens værdi. Det var ikke Hubble eller Spitzer eller Kepler, og det bliver måske aldrig noget så storslået. Men ikke ethvert maleri burde eller kunne være det Stjerneklar nat . Der er plads i universet til mindre værker, en anderledes kunst. Kepler finder måske tusindvis af nye verdener, men den ville ikke afsløre nok af nogen af dem til, at vi kunne vide, om det var nogens hjem. Det fejede sit øje hen over stjernefelter, der var for langt væk til, at astronomer kunne gøre andet end antagelser om steder som Kepler-22b.
Men hvis jeg bare kunne få ASTERIA til at fungere og derefter finde en måde at sende en flåde af satellitter op, ville det kombinere de bedste resultater af NASAs Kepler-rumteleskop, der er i stand til at finde mindre planeter omkring sollignende stjerner, og den begyndende TESS, med sin mere nærliggende søgen og følsomhed over for røde dværgstjerner.
Ingeniører tester ASTERIA før lanceringen i 2017.
NASA/JPL-CALTECHMit team byggede en prototype til et muligt kamera, et som var lovende stabilt og kunne fungere ved en varmere temperatur end detektorerne, der bruges i de fleste satellitter. (De fleste skal køles, hvilket belaster maskinen.) Jeg var bare ikke sikker på, at den ville se, hvad vi havde brug for, den skulle se. Jeg havde en særlig dygtig og entusiastisk studerende på det tidspunkt, ved navn Mary Knapp; hun havde været undergraduate i den første design-and-build klasse, jeg underviste i. Hun opfordrede os til at teste kameraet udenfor ved at bruge det til at se på rigtige stjerner. Mary foreslog New Mexicos ørkener som vores prøveplads. Den april ville der være en nymåne, og den i forvejen klare ørkenhimmel ville blive en jævn kulsort. Den nymåne faldt også sammen med skoleferien for mine sønner, Max og Alex, hvilket betød, at jeg kunne tage dem med. Lige så meget som jeg ønskede at se stjernerne, ville jeg også se dem.
Jeg havde spurgt en lokal klub af amatørastronomer, hvor det bedste sted at teste vores kamera kunne være. Den aften inviterede de os til deres stjernekiggeri, en fejring af nymånen. Vi ankom i skumringen til den gamle missilplads. Jeg så op på stjernerne og mærkede mit barnlige vidunder vende tilbage. Jeg tror, at drengene også følte det.
Vi sætter kameraet op. Vi skulle vente, indtil vi var tilbage på MIT for at analysere vores data, men vores nye type detektor, en som endnu ikke er brugt til astronomi, så ud til at gøre tricket. Vi vidste i det mindste, at vores eksperiment ikke var en total fiasko.
En længe ventet lancering
I august 2017, efter mange års arbejde og håb og indsats, forberedte SpaceX sig på at sende en Falcon 9-raket ud i rummet. Raketten havde ikke en besætning, men ASTERIA var om bord.
Det havde været en svær rejse. Kameraet havde fundet vej fra min fantasi til vores design-and-build klasse, gennem tegninger og prototyper og et gammelt missilsted i New Mexico. Så var vi løbet tør for penge på MIT, og Draper Laboratory havde bedre kunnet lide teknologien til andre ting. Jet Propulsion Laboratory, som altid havde været interesseret i mulighederne for cubesats og især ASTERIA, fortsatte, hvor MIT og Draper slap. Tre MIT-kandidater der ville spille ledende roller på projektet; de tog deres arbejde alvorligt, efter at have set på egen hånd, hvor meget det betød. Deres passion og ekspertise sørgede for, at ASTERIA ville blive alt, hvad det kunne være, at det blev bygget rigtigt og kærligt placeret, endelig i lastrummet på en raket, der stønnede på affyringsrampen på en smuk sensommerdag. Raketten ville skære ind i himlen og mødes med den internationale rumstation. Astronauterne der ville sætte vores lille satellit fri senere på efteråret. Fra en hvisken i mine drømme til rummet: Jeg kunne ikke tro, at vi nærmede os slutningen af så lang en opgørelse.
Jeg havde planlagt at tage til ASTERIA-lanceringen, men den blev forsinket lige længe nok til, at rejse- og børnepasningsplaner faldt igennem. På dagen for lanceringen tog jeg toget til Cambridge i stedet, gik til Green Building og tog elevatoren til min etage. Jeg gik forbi rejseplakaterne til fjerne verdener ind på mit kontor, lukkede døren og ringede op til onlinevideostreamen. Lanceringen var en stor ting; over hele verden blev øjnene trænet på den raket, der stadig ventede på puden.
Nu og da kiggede jeg op fra de skyfri Florida-optagelser på min skærm og ud af mine vinduer, på min krystallinske udsigt over downtown Boston. Der var klar himmel overalt, hvor jeg kiggede. Jeg tilbragte måske 30 minutter i stilheden og skrev tak-e-mails til andre medlemmer af ASTERIA-teamet. I sidste sekund besluttede jeg ikke at sende dem. Jeg ved, at overtro er uvidenskabelig. Jeg forstår, at det ikke betyder noget for universet, hvis en baseballspiller har sit heldige undertøj på – om han får et slag, er for det meste op til pitcheren og ham. Men raketter er sarte, dårligt tempererede maskiner. Inden russerne affyrer raketter fra stepperne i Kasakhstan i kredsløb, tilkalder de en ortodoks præst for at kaste helligt vand mod boosterne, hans skæg og kappe og det hellige vand båret sidelæns af vinden. Jeg skulle ikke så langt, men jeg havde ikke tænkt mig at sende et par e-mails, før vi var sikkert vægtløse. Jeg blev overrasket over, hvor nervøs jeg var, da jeg så nedtællingsuret tikke ned for at starte.
Motorerne antændtes med en stor, stor kugle af ren ild. Affyringstårnet faldt væk, og raketten lettede sig fra puden, tog fart og skubbede sine skinnende skuldre mod sin fremtidige bane. Kameraerne ombord registrerede dens bueflyvning, mens himlen omkring den gik fra blå til lilla til sort. Raketten var brudt igennem i rummet. Boosterne blev smidt ud, og resten af raketten fortsatte sin stigning ind i den dybeste mulige nat, Jorden blå og lys bag den, en umulig sorthed forude. Det ville tage lidt tid for den at indhente rumstationen, som ræsede sin egen vej gennem kredsløb med 17.000 miles i timen, omkring fem miles hvert sekund. Men raketten og vores satellit var godt på vej.
Alt modigt skal starte et sted, tænkte jeg.
Tror jeg på andet liv i universet?
Ja, det tror jeg.
Det bedre spørgsmål: Hvad siger vores søgen efter det om os? Den siger, at vi er nysgerrige. Den siger, at vi er håbefulde. Den siger, at vi er i stand til at undre os og til vidunderlige ting.
Bearbejdet og genoptrykt fra De mindste lys i universet . Copyright 2020 af Sara Seager. Udgivet af Crown, et aftryk af Random House Publishing Group, en afdeling af Penguin Random House.