Kepler skal finne jordliknende planeter

Av Erik Tronstad

Tegning av Kepler som ser mot en jordliknende planet i bane rundt en stjerne som likner på Solen. Kepler vil bare «se» stjernene som små prikker og skal bare måle lysvariasjoner fra dem. (NASA)

Astronomene kjenner i dag til over 340 planeter i baner rundt andre stjerner enn Solen. Alle disse planetene er større enn Jorden. NASAs ubemannede romfartøy Kepler skal nå i flere år fremover lete etter planeter som er på størrelse med Jorden og som går i baner rundt andre stjerner.

At slike planeter finnes, er astronomene rimelig sikre på. Men en ting er å anta at de finnes ut fra teoretiske beregninger av hvordan stjerner og planeter blir til, noe ganske annet er å påvise at slike planeter faktisk er der ute.

Og om slike planeter finnes, hvor vanlige eller sjeldne er de? Hvor mange av dem har baner i «riktig» avstand fra moderstjernen? Dette er blant hovedspørsmålene som Kepler skal prøve å gi svar på.

Med «riktig» avstand menes en avstand der vann kan forekomme i flytende form på planetens overflate. Planeter med baner i slike avstander fra en stjerne sies å være i den «beboelige» sonen.

Om Kepler finner en jordliknende planet, så kan Kepler bare finne ut om planeten har omtrent samme masse som Jorden og omtrent hvilken avstand planeten har fra moderstjernen. Kepler kan ikke gi svar på:

• Har planeten hav eller sjøer av flytende vann?
• Har planeten en atmosfære? Langt mindre kan Kepler si om planeten har en atmosfære som inneholder rent oksygen.
• Finnes det liv på planeten?

Ikke for noen planet Kepler måtte oppdage kan Kepler si om det er liv der. Kepler har ikke som formål å finne om det er liv andre steder i Universet enn på Jorden.

Kepler skal stirre på 100 000 stjerner i mange år

Kepler skal lete etter planeter ved å måle ørsmå variasjoner i lyset fra 100 000 stjerner. Om en planet passerer foran moderstjernen sin, sett fra Kepler, vil planeten skygge for noe av lyset fra stjernen. Dermed reduseres stjernens lysstyrke.

Hver halve time skal Kepler måle lysstyrken fra 100 000 stjerner. Det er hele tiden de samme 100 000 stjernene som observeres. Ørsmå variasjoner i lysstyrken fra en stjerne kan da skyldes at en planet passerer foran stjernen. Slike variasjoner kan imidlertid også ha andre årsaker.

Når en planet passerer foran moderstjernen, sett fra Kepler, vil moderstjernens lysstyrke bli redusert over en periode på fra om lag én time til ett døgn. Varigheten av lysreduksjonen avhenger både av hva slags stjerne det er og hva slags bane planeten har rundt stjernen.

Idealisert fremstilling av hvordan lysstyrken fra en stjerne reduseres når en planet, som går i bane rundt stjernen, passerer foran stjernen, sett fra observatøren. Idet planeten begynner å passere inn foran stjernen, avtar stjernens lysstyrke. Så lenge hele planeten er foran stjernen, holder lysstyrken seg konstant på et lavere nivå enn om planeten ikke var der. Når planeten passerer ut på siden av stjernen, øker stjernens lysstyrke igjen til det normal. Støy og faktorer som for eksempel stjerneflekker gjør at lyskurven i praksis vil være takkete og ikke så glatt som her. (NASA/Erik Tronstad)

En viktig begrensning ved denne observasjonsteknikken er at den bare kan oppdage planeter i baner der planeten passerer mellom moderstjernen og Kepler. Bare et fåtall av planeter rundt andre stjerner har slike baner. De fleste planeter har baner der planeten hele tiden enten passerer over eller under moderstjernen, sett fra Kepler.

For en planet som går rundt en stjerne i omtrent samme avstand fra stjernen som Jorden er fra Solen, er det under 1 % sjanse for at banen er slik at planeten passerer foran stjernen sett fra Kepler (eller fra Jorden).

Et hovedformål med Kepler er altså å finne jordliknende planeter. Kepler vil selvsagt også kunne finne større planeter enn Solen. Antakelig vil romfartøyet finne langt flere store enn små planeter.

Superfølsom lysmåler

Anta at en planet på størrelse med Jorden passerer foran en stjerne av omtrent samme type som Solen og er i samme avstand fra stjernen som Jorden er fra Solen. Da vil stjernens lysstyrke reduseres med bare 0,0084 %.

Tegning av en jordliknende planet i bane rundt en solliknende stjerne. (NASA)

NASA sammenlikner effekten med den reduksjonen man ville fått i lyset fra en frontlykt på en bil om en loppe hadde krøpet over frontlykten og dette ble observert fra flere kilometers avstand.

For å registrere så små variasjoner i lysstyrken fra en stjerne har Kepler en superfølsom lysmåler (et fotometer) som kan registrere selv uhyre små reduksjoner i lysstyrke.

Fotometeret i Kepler kan registrere en lysstyrkereduksjon på 0,002 % fra stjerner som er 250 ganger mer lyssvake enn de et menneske kan se med det blotte øye.

Om Kepler ser en reduksjon i lysstyrken fra en stjerne tre eller flere ganger med et fast tidsintervall, samme styrke på lysreduksjonen og samme varighet hver gang, er det en svært sterk indikator på at det er en planet der. Stjerneflekker og andre årsaker til at en stjerne varierer i lysstyrke, gjentar seg ikke så regelmessig, i hvert fall ikke over flere år.

De første planetene som Kepler kommer til å oppdage, vil være på størrelse med Jupiter og ha omløpstider på noen døgn rundt moderstjernene sine.

Til venstre et bilde av Solen i Hα-lys. Foran har man satt inn en mørk skive som omtrent tilsvarer størrelsen på Jupiter. Dette viser hvordan det fra avstand ville se ut om Jupiter passerte foran solskiven. På bildet til høyre er det laget en tilsvarende illustrasjon som viser Jorden foran Solen. (NASA)

Kepler skal se på ulike stjernetyper

Kepler skal observere tre typer av hovedseriestjerner, som alle er dvergstjerner. Den første typen er to klasser stjerner som er større og varmere enn Solen. Astronomene betegner disse som A- og F-stjerner. Den andre typen er G-stjerner, som Solen er. Den tredje typen er stjerner som er mindre og kjøligere enn Solen, K- og M-stjerner.

Den «beboelige» sonen rundt en stjerne er det området en planetbane må ligge innenfor for at flytende vann skal kunne eksistere på planetens overflate. Ligger en planetbane for nær moderstjernen, fordamper vann på den. Ligger den for langt borte, fryser vannet til is. Utstrekningen av den beboelige sonen rundt en stjerne og hvor langt fra stjernen den ligger, varierer for ulike stjernetyper. Øverst ses en A-stjerne (høy overflatetemperatur), i midten en G-stjerne (som Solen) (lavere overflatetemperatur) og nederst en M-stjerne (enda lavere overflatetemperatur). Ildsymbolet angir innerkanten og snøkrystallen ytterkanten for den beboelige sonen rundt hver stjernetype. (NASA)

Med 30 minutters mellomrom kommer Kepler til å måle lysstyrken fra 100 000 stjerner i de tre kategoriene nevnt ovenfor. En gang i måneden tar Kepler en pause på ett døgn i disse observasjonene. Hele romfartøyet dreier seg slik at parabolantennen vendes mot Jorden. Så overfører Kepler til Jorden alle data romfartøyet har hentet inn i den foregående måneden.

Deretter vender Kepler seg igjen mot stjernefeltet med de 100 000 stjernene som observeres. Romfartøyet skal, som nevnt, observere nøyaktig de samme 100 000 stjernene i alle årene det skal være aktivt. Det kommer altså ikke til å sveipe over himmelen og se på stjerner i alle mulige retninger.

Disse 100 000 stjernene ligger i et område i Cygnus og Lyra (Svanen og Lyren) på stjernehimmelen.

Diagram som viser stjernefeltet Kepler skal stirre på i flere år. Hvert hvite rektangel viser hvor hver av Keplers 42 CCD-brikker skal observere. Det markante, lysende båndet av stjerner er Melkeveien. (NASA/Carter Roberts/Eastbay Astronomical Society)

Hvorfor akkurat dette stjernefeltet?

Følgende kriterier lå til grunn for valget av dette stjernefeltet:

1. Kepler må kunne se det valgte feltet uavbrutt i hele romfartøyets levetid.
2. I feltet må det være mange stjerner av omtrent samme type som Solen.
3. Romfartøyet med fotometeret og dets solskjerm må få plass på toppen av en standard Delta 2-bærerakett.

Størrelsen på optikken og solskjermen fører til at sentrum i stjernefeltet må være mer enn 55° over eller under Solens bane på himmelen sett fra romfartøyet.

Ut fra disse kriteriene stod man igjen med to områder, ett på nordhimmelen og ett på sydhimmelen. Cygnus-Lyra-feltet på nordhimmelen har en del flere stjerner enn kandidaten på sydhimmelen.

Kepler kommer til å se utover langs den spiralarmen i Melkeveisystemet som astronomene kaller Orion. Avstanden til de fleste av stjernene Kepler skal observere, er mellom 600 lysår og 3000 lysår. Under 1 % av stjernene er nærmere enn 600 lysår. De som er mer enn 3000 lysår borte, er for lyssvake til at Kepler kan påvise planeter i baner rundt dem.

Tegning av et utsnitt av Melkeveisystemet. Den gule kjeglen antyder Keplers syns- og søkefelt. (NASA/Jon Lomberg)

Første resultater i desember 2009

Etter flere måneder med observasjoner og analyser av dem på Jorden, håper forskerne i prosjektet å offentliggjøre de første resultatene i desember 2009. Ett år senere, i desember 2010, håper forskerne å gå ut med eventuelle oppdagelser gjort i løpet av det første året med observasjoner. Da vil vi for første gang kunne få vite om Kepler har funnet planeter på størrelse med Jorden i «beboelige» soner rundt M-stjerner.

For å kunne oppdage planeter på størrelse med Jorden i baner på størrelse med jordbanen, trenger man nesten 3,5 år med observasjoner. I noen unntakstilfeller kan det hende man ser tre passasjer i løpet av to år.

Flere andre resultater vil først kunne komme etter minst 3,5 år med observasjoner: Planeter på størrelse med Mars i baner med korte omløpstider og påvisning av kjempeplaneter i baner nær moderstjernene, men der planeten ikke passerer mellom moderstjernen og Kepler. Reflektert lys fra en kjempeplanet i en slik bane vil kunne gi små variasjoner i den samlede lysstyrken fra stjerne og planet, noe Kepler i noen tilfeller kan måle.

Oppskytingen

Delta 2-bæreraketten med Kepler på vei opp fra Cape Canaveral Air Force Station. (NASA)

Kepler ble skutt opp fra oppskytingskompleks 17B ved Cape Canaveral Air Force Station i Florida, USA. Bæreraketten var en Delta 2 med et ekstra topptrinn av typen Star 46B. Oppskytingen startet klokken 04.49.57 norsk normaltid i går, 7. mars 2009.

Da Star 46B-motoren var ferdig med jobben sin, var Kepler sendt bort fra Jorden og inn i en bane rundt Solen. En drøy time etter oppskytingsstart, klokken 05.52, ble Kepler koblet fra Star 46B-motoren og var dermed inne i sin ønskede solbane.

Der går Kepler i nær samme bane som Jorden, men med litt lengre omløpstid. Jorden bruker som kjent litt over 365 døgn på ett omløp rundt Solen. Kepler bruker 371 døgn. Dermed blir Kepler langsomt lenger og lenger bak Jorden i de to legemenes baner rundt Solen.

Romfartøyet

Kepler er 4,7 m langt og har en diameter på 2,7 m. Massen er 1052,4 kg, hvorav 11,7 kg er hydrasin. Fire sol­celle­pa­neler produserer den strømmen systemene om bord trenger. De har et areal på til sammen 10,2 m² og produserer over 1100 W.

Kepler fotografert fra to ulike sider under forberedelsene til oppskyting. Til venstre ses romfartøyet fra siden med sol­celle­pa­nelene. Det lyse feltet på Kepler på bildet til høyre, er radiatoren. Den bidrar til å kjøle ned CCD-brikkene om bord. (NASA)

Datamaskinen om bord er en spesialutgave av RAD750-prosessoren. Denne utgaven er spesiallaget for best mulig å motstå partikkelstråling fra Solen og fra det interstellare rommet (kosmisk stråling). RAD750-prosessoren i Kepler er tredje generasjon av disse særlig strålingsmotstandsdyktige prosessorene. Samme type prosessor er i bruk blant annet i Mars Reconnaissance Orbiter og Deep Impact.

Dataminnet i Kepler er på 16 GB. Dette er nok til å lagre alle data fra en observasjonsperiode på 60 døgn.

Små svinghjul skal brukes til å justere Keplers stilling i rommet. Disse er de eneste bevegelige delene i romfartøyet, i tillegg til et støvdeksel foran teleskopet. Til avlasting av svinghjulene brukes små stillingskontrollmotorer.

Huset med et av svinghjulene i Kepler. (Ball Aerospace)

Drivstoffet hydrasin skal brukes av stillingskontrollmotorene. Det eneste formålet med de små rakettmotorene om bord er å justere Keplers stilling i rommet. Romfartøyet har ingen motorer for banejusteringer. Delta 2/Star-bæreraketten plasserte Kepler i den banen som romfartøyet skal ha. Etterpå vil det aldri være behov for noen justeringer av Keplers bane.

Banen er valgt for at den skal være stabil over tid og at man skal slippe å foreta banejusteringer. Hadde Kepler gått i jordbane, måtte romfartøyet stadig ha endret banen sin. En helt annen sak er at det fra jordbane ville vært mer komplisert å holde teleskopet rettet mot målfeltet sitt hele tiden. I jordbane måtte man tatt hensyn til innstråling av reflektert sollys fra Jorden. Her ville det dessuten vært flere andre forstyrrende krefter som ville ha innvirket både på Keplers bane og dets stilling i rommet, som variasjoner i Jordens gravitasjonsfelt, påvirkninger fra Jordens magnetfelt og atmosfære.

Kommunikasjonen med Jorden skjer via flere antenner, en parabolantenne, to rundstråleantenner for mottak og to tilsvarende for sending av radiosignaler. Via parabolantennen kan data sendes til Jorden med en kapasitet på opptil 4,3 Mbit/s. Dette er den hittil største kapasitet for noe NASA-romfartøy som har begitt seg ut av jordbane.

Via Internett kunne alle som ville, registrere navnet sitt i lang tid før Kepler ble skutt opp (se artikkelen Send navnet ditt med Kepler og Lunar Reconnaissance Orbiter (eRomfart 2008-061)). Navnene ble brent inn på en CD-plate som i god tid før oppskyting ble montert til romfartøyet.

CD-platen med navn monteres på Kepler. (Ball Aerospace)

Bare ett instrument i Kepler

Et romfartøy eller en satellitt som skal gjøre astronomiske observasjoner, har normalt flere instrumenter om bord. De kan samtidig gjøre flere typer observasjoner av objektene som romfartøy/satellitt rettes mot.

Kepler er svært uvanlig ved at romfartøyet bare har ett eneste instrument, et fotometer. Det består av et teleskop, detektorer i brennplanet og tilhørende elektronikk. I praksis kan man tenke på fotometeret som en uhyre følsom lysmåler. Lysmåleren er selvsagt av en helt annen konstruksjon og standard enn de som sitter i vanlige fotoapparater.

Teleskopet er et Schmidt-teleskop. I et Schmidt-teleskop kommer lyset inn i teleskopet, passerer en korreksjonslinse, treffer hovedspeilet og sendes så til et kamera eller instrument som fanger opp det innkommende lyset fra verdensrommet.

Ingeniører gransker korreksjonslinsen til Keplers Schmidt-teleskop. (NASA)

Schmidt-teleskopet i Kepler har et hovedspeil med en diameter på 1,4 m og en korreksjonslinje med en diameter på 0,95 m. Diameteren av korreksjonslinsen er også teleskopets åpningsdiameter.

Keplers hovedspeil håndteres i et renrom. (NASA)

Teleskopkonstruksjonen gir Kepler et synsfelt på hele 15°. Det er et uvanlig bredt synsfelt for et astronomisk teleskop.

Keplers Schmidt-teleskop er det niende største som noen gang er bygd, og det klart største av denne typen som noensinne er sendt opp i rommer.

Lysmåler med 95 millioner bildepunkter

Fotometeret har en detektor med hele 95 millioner bildepunkter. Dette er den største dektoren NASA noen gang har sendt opp i et romfartøy. Med den kan fotometeret observere stjerner med størrelsesklasse fra 9 til 15.

Detektoren består av 42 CCD-brikker, hver på 2200 bildepunkter x 1024 bildepunkter. Den eneste oppgaven CCD-brikkene har, er å måle lysstyrken fra hver av de 100 000 stjernene Kepler skal observere. Kepler kommer ikke til å ta ett eneste bilde.

En ingeniør betrakter detektoren med de 42 CCD-brikkene. I hjørnene ses finfølgesensorene. (NASA)

Brennplanet med CCD-brikker og elektronikk holdes hele tiden avkjølt til -85 °C. Det skjer ved hjelp av varmerør som leder varmen til en radiator på utsiden av romfartøyet.

I de fire hjørnene av mosaikken med CCD-brikker er det montert finfølgesensorer. Finfølgesensorene ser hele tiden hvilken retning teleskopet peker i. Om det begynner å avvike fra korrekt retning, sier finfølgesensorene fra til datamaskinen om bord.

Fjorten solsensorer er montert rundt på yttersiden av Kepler. Dermed kan romfartøyet hele tiden vite hvor Solen er og retningen til den.

Kepler er naturligvis oppkalt etter den kjente astronomen Johannes Kepler (1571-1630). Han gjorde banebrytende arbeider både med å finne planetenes baner og innenfor optikk.

Hele prosjektet koster rundt 600 millioner dollar. I dette tallet inngår kostnader til 3,5 års drift av Kepler.

To kritiske hendelser

Kepler har to særlig kritiske hendelser som romfartøyet må gjennom og der alt må gå bra. Den første kritiske hendelsen var oppskytingen. Der skal det ikke store svikten til før hele prosjektet ender i fiasko i løpet av få minutter.

Den andre kritiske hendelsen kommer når støvdekselet over enden av teleskopet skal bort. Det skal skje omtrent tre uker etter oppskytingen. Om støvdekselet ikke flyr av, kommer det aldri noe lys fra stjerner ned til teleskopet og fotometeret. Da er hele prosjektet like mislykket som om Kepler hadde havnet på havbunnen.

Tegning der Kepler ser mot en solliknende stjerne med planeter rundt. (NASA)