211service.com
Mano palydovas tilptų į mažą lagaminą.
Bet tai gali padėti mums rasti kitus pasaulius. 2020 m. gruodžio 18 d
Sara Seager su teleskopu savo kieme laukia naktinio dangaus tamsos. Webb Chappell
Sara Seager ilgai galvojo apie matematiką: tikimybė, kad Žemėje slypi vienintelė gyvybė visatoje, beveik neįmanoma. Didžiausias atradimas, kurį astronomai gali padaryti, yra tai, kad mes nesame vieni, rašo MIT astrofizikė savo naujame atsiminimuose. Mažiausios šviesos Visatoje . Žmonija šimtmečius ieškojo danguje savęs atspindžio; pamatyti ką nors ar ką nors kitą, gyvenantį kitoje Žemėje — tokia svajonė.
Egzoplanetų arba planetų, besisukančių aplink kitas žvaigždes, paieškų pradininkė, ji sugalvojo dabar įprastą praktiką tirti planetų atmosferas, analizuojant pro jas prasiskverbiantį šviesą. Seageris, laimėjęs MacArthur fondo genialumo stipendiją, yra 1941 m. planetos mokslų profesorius ir taip pat turi paskyrimų fizikos ir aeronautikos bei astronautikos katedrose. Ji taip pat buvo MIT vadovaujamos NASA Explorer misijos TESS (tranzituojančio egzoplanetų tyrimo palydovo) mokslo direktoriaus pavaduotoja nuo 2016 iki 2020 m. ir „Starshade Rendezvous“ – kosminės misijos, skirtos rasti ir apibūdinti į Žemę panašių objektų, galimybių studijos vadovė. egzoplanetos. Savo atsiminimuose ji dalijasi savo asmenine istorija apie tai, kad būdama 40 metų tapo našle, staiga tapo vieniša dviejų mažamečių sūnų motina, ir paaiškina kitų pasaulių paieškos mokslą.
Šioje ištraukoje, paimtoje iš skirtingų jos knygos skyrių, aprašomas jos darbas kuriant ASTERIA. Mažo lagamino dydžio palydovas ASTERIA buvo sukurtas parodyti technologiją, reikalingą mažam teleskopui ieškoti egzoplanetų, aptinkant nedidelį žvaigždės šviesos kritimą, kai priešais ją praskrieja orbitoje skriejanti planeta. Seageris inicijavo ir sukūrė ASTERIA MIT, o vėliau dirbo pagrindiniu tyrėju, kol ją statė ir eksploatavo Reaktyvinio varymo laboratorija nuo 2017 m. lapkričio iki 2019 m. gruodžio mėn.
Ieškote šešėlių, kad surastumėte kitus pasaulius
Iš esmės astrofizika yra šviesos tyrimas. Žinome, kad yra ir kitų žvaigždžių, išskyrus saulę, nes matome jas spindinčias. Tačiau šviesa ne tik apšviečia. Šviesa teršia. Šviesios žaliuzės. Mažas žiburėles – egzoplanetas – amžinai išplovė didesni jų žvaigždžių žiburiai, kaip tas žvaigždes nuplauna mūsų saulė. Norėdami rasti kitą Žemę, turėtume rasti mažiausias šviesas visatoje.
Jei bent jau šiuo metu astronomai negalėtų kovoti su žvaigždžių ryškumu, galbūt galėtume panaudoti jų galią savo naudai. Gabenami kėbulai kartais susilygiuoja. Jei mums pasiseks, tarp mūsų ir jos žvaigždės gali prasiskverbti planeta ir sukurti kažką panašaus į miniatiūrinį užtemimą. Mėnulis atrodo milžiniškas, kai užstoja saulę. Tranzito technika, kaip būtų pradėta vadinti, tą patį principą taikė ir egzoplanetoms. Mes juos rastume ne pagal jų skleidžiamą šviesą, o pagal šviesą, kurią jie sugadino. Niekas neišsiskiria kaip juoda dėmė.
1999 m. rudenį, kai buvau Prinstono Išplėstinių studijų instituto doktorantas, buvo paskelbtas pirmasis žinomos planetos – HD 209458b, karštojo Jupiterio – tranzitas. Tai buvo absoliučiai fantastiška naujiena, iš dalies dėl to, kad atradimas panaikino paskutinę abejonių, kad egzoplanetos egzistuoja.
Žvaigždžių šviesos tyrinėjimas, ieškant gyvybės ženklų
Aš išverčiau idėją – tikrai originalią – ir sėkmingas tranzito technikos panaudojimas suteikė jai dar daugiau skubos. Daugelis mokslo, ypač novatoriško mokslo, remiasi intuicija. Neturėjau jokių įrodymų, kad mano idėja pasiteisins. Bet aš buvau be jokios abejonės. Supratau, kad ši technika gali padėti atskleisti kažką daugiau nei juodas planetos siluetas. Iškart aplink tą mažytį dalinį užtemimą ta pati žvaigždžių šviesa, kurią blokavo egzoplaneta, prasiskverbtų per jos atmosferą. Žvaigždžių šviesa mus pasiektų, bet ne taip, kaip mus pasiekia įprasta žvaigždžių šviesa. Jis būtų filtruojamas, kaip vanduo, bėgantis per ekraną, arba žibintuvėlio spindulys, kovojantis per rūką. Jei pažvelgsite į vaivorykštę iš tolo, daugybė jos spalvų sudaro tobulą sąjungą. Bet jei atidžiau pažvelgsite į vaivorykštę, naudodami instrumentą, vadinamą spektrografu, galite pamatyti šviesos spragas, nedidelius kiekvieno bangos ilgio lūžius, pavyzdžiui, trūkstamus dantis. Saulės atmosferoje esančios dujos ir pačios Žemės plonas apvalkalas pertraukia saulės spindulių perdavimą, taip, kaip elektros linijos sukelia statinį radijo signalą. Tam tikros dujos trukdo signaliniais būdais. Vienos dujos gali užkąsti indigo, o kitos dujos gali norėti geltonos arba mėlynos spalvos. Kodėl negalėjome naudoti spektrografo, kad pažvelgtume į žvaigždžių šviesą, sklindančią per tranzitinės egzoplanetos atmosferą? Taip galėtume nustatyti, kokios dujos supa tą egzoplanetą. Jau žinojome, kad dideli kiekiai tam tikrų dujų gali egzistuoti tik esant gyvybei. Mes jas vadiname biosignature dujomis. Deguonis yra vienas; metanas yra kitas. Galėtume pradėti nuo karštų Jupiterių, mums jau žinomų planetų ir jų lengviau aptinkamos atmosferos. Kaip skunkso purškalas, jų natrio ir kalio pėdsakai išsiskirtų tarp mažiau galingų atomų. Savo idėją pasilikau sau, nes žinojau, kad tai puiki – aš pirmasis pamačiau tranzito technikos potencialą tiriant atmosferas – ir taip pat žinojau, kad puikios idėjos pavagiamos. Dimitaras Sasselovas, buvęs mano doktorantūros vadovas, buvo vienintelis žmogus, kuriam papasakojau apie savo teoriją, ir jis pasiūlė man padėti ją priartinti prie praktikos. Kai išsiaiškinome detales, paskelbiau straipsnį, kuriame išaukštinau tai, ką mes su Dimitaru vadinome tranzito perdavimo spektrais – vaivorykštės spragų skaitymu.
Mano dokumentas sulaukė didelio dėmesio. NASA priėmė pasiūlymus naudoti Hablo kosminį teleskopą; per kelis mėnesius nuo paskelbimo viena komanda pacitavo mano darbą ir laimėjo teises tirti šviesą, kuri praėjo per tranzituojančio karšto Jupiterio atmosferą. Buvau įsiutę, kad nepatekčiau į tą komandą, kuri pasirinko vyresnį mokslininką, o ne mane.
Per dvejus metus jų darbas atskleidė pirmąją egzoplanetos atmosferą. Ji neapsupo kitos Žemės, bet mano prielaida veikė. Mes matėme savo pirmąjį svetimą dangų.
Šnipinėja žvaigždes su mažais palydovais
Viena iš didžiausių kliūčių ieškant egzoplanetų yra laikas, kurio reikia joms surasti. Artimiausios ir ryškiausios į saulę panašios žvaigždės yra išsibarsčiusios po visą dangų, o tai reiškia, kad joks teleskopas vienu metu negali priimti daugiau nei kelių. Tačiau pernelyg brangu ir beprasmiška naudoti kažką panašaus į Hablo ar Spitzerį, kad būtų galima spoksoti į vienos žvaigždės sistemą, laukiančią, tikintis pamatyti planetų, kurių egzistavimo nesame tikri, šešėlius. Tinkamai suplanuoti žvaigždžių sistemą gali prireikti metų.
Bandžiau sudaryti ilgalaikį planą, kaip rasti kitą Žemę, kai sužinojau apie tai, kaip bendruomenė ėmėsi vadinti kubetais – mažyčiais standartinės formos palydovais, dėl kurių juos tariamai buvo pigiau ir lengviau sukurti bei pristatyti į kosmosą. O jeigu aš sudaryčiau kubų žvaigždyną, kiekvienam priskirtą žiūrėti tik į vieną žvaigždę? Svajojau apie duonos kepalo dydžio kosminius teleskopus – ne vieną, o kariuomenę, kuri iškeliauja į orbitą kaip daugelis pažangių skautų. Kiekvienas galėjo įsikurti ir stebėti savo paskirtą į saulę panašią žvaigždę tiek, kiek man to reikėjo; kiekvienas galėtų būti skirtas sužinoti viską, kas įmanoma apie vieną šviesą. Hablas, Špiceris, Kepleris – kiekvienas matė labai daug. Galbūt dabar mums reikėjo dešimčių ar šimtų siauresnių žvilgsnių, naudojant tranzito techniką kaip pagrindinį atradimo metodą. „Cubesats“ nematytų to, ką galėtų matyti didesni kosminiai teleskopai, tačiau jiems niekada nereikės mirksėti.
Ši šiaurinio dangaus panorama, užfiksuota TESS (tranzituojantis egzoplanetų tyrimo palydovas), apima Paukščių Tako vaizdą. Sara Seager ėjo MIT vadovaujamos NASA Explorer misijos TESS mokslo direktoriaus pavaduotoja nuo 2016 iki 2020 m.
NASA / MIT / TESS IR ETHAN KRUSE (USRA)
Kalbėjausi su Davidu Milleriu, kolega ir inžinerijos profesoriumi, kuris buvo atsakingas už tai, kas taps viena iš mano mėgstamiausių pamokų: projektavimo ir kūrimo klasę ketvirto kurso studentams. Prasidėjus tai buvo revoliucinga, nes buvo taip pagrįsta projektu; po kelių įvadinių paskaitų studentai pasinėrė į tikrojo palydovo kūrimo iššūkius. Paklausiau Dovydo, ar galėčiau panaudoti jo klasę savo „cubesat“ idėjai įgyvendinti.
Jis buvo entuziastingas nuo pat pradžių. Galbūt geriausias dalykas MIT yra tai, kad kad ir kokia beprotiška būtų jūsų idėja, niekas nesako, kad ji neveiks, kol nepasirodys, kad ji neįgyvendinama. O įsprausti kosminį teleskopą tokio mažo kaip kubasato viduje buvo gana beprotiška idėja. Pagrindinis iššūkis būtų sukurti kažką mažo, kuris vis dar būtų pakankamai stabilus, kad būtų galima rinkti aiškius duomenis – tai didelė tvarka, nes mažesni palydovai, kaip ir smulkesni daiktai, lengviau stumiami erdvėje nei didesni objektai. Norėdami tiksliai išmatuoti žvaigždės ryškumą, turėtume turėti galimybę išlaikyti jos šviesumo centrą prie tos pačios mažos pikselio dalies, daug smulkesnės už žmogaus plauko plotį. Turėtume sukurti tai, kas būtų šimtą kartų geriau nei bet kas, kas šiuo metu egzistuoja „cubesat“ masinėje klasėje. Įsivaizduokite, kad sukursite automobilio variklį, kuris veikia šimtą kartų geriau nei geriausias šiandienos automobilio variklis.
Padarykime tai, pasakė Deividas.
Statistika ir kosminė įranga
„Cubesat“ yra daug pigesni nei įprasti palydovai, nes jie yra mažesni ir lengviau paleidžiami; jie užima daug mažiau vietos raketos triume, o pasiųsti svarą bet ko į kosmosą kainuoja 10 000 USD. Deja, dėl pigios gamybos jie linkę sugesti. Daugelis jų niekada nedirba. Jiems vartojame tą patį beviltišką terminą, kurį gydytojai vartoja pacientams, kurių niekada neturėjo galimybės išgelbėti: DOA.
Tada viena iš pirmųjų mūsų kliūčių buvo statistikos problema. (Kiekviena problema yra statistikos problema.) Norėdami sukurti kubų debesį, kuris būtų vadinamas ASTERIJA, turėjome išsiaiškinti, kiek palydovų mums reikės, kad gautume pagrįstą galimybę rasti kitą Žemės dydžio planetą. Verta stebėti tūkstančius ryškių, į saulę panašių žvaigždžių, bet mes negalėtume sukurti ir valdyti tūkstančių palydovų. Taip pat žinojome, kad, atsižvelgiant į trumpalaikį tranzitų pobūdį, tikimybė, kad Žemės dydžio planeta pereis pro į saulę panašią žvaigždę, yra tik maždaug 1 iš 200. Be abejo, kai kurie mūsų palydovai suges arba bus prarasti. Jei atsiųstume tik kelis, turėtume būti labai strateginiai arba labai pasisekę, kad rastume tai, ko ieškojome. Buvo tam tikras optimalus palydovų skaičius, kuris kartu su sumaniu tikslinių žvaigždžių sąrašu išlaikytų mūsų biudžetą pagrįstą, bet vis tiek suteiktų didelę sėkmės galimybę.
Man pasisekė, kad turėjau didelę absolventų ir podoktorių grupę, į kurią pasikliaudavau, kai susirgo mano vyras Mike'as. Vieną nustatiau, kad jis veiktų su ASTERIA optika, kitas – su tikslumu, trečias – su komunikacijomis. Su jų pagalba aš padariau pažangą kuriant savo mažyčių palydovų prototipą, išradau ir išbandžiau tikslaus nukreipimo aparatinę ir programinę įrangą bei patobulinau borto teleskopo ir jo apsauginės pertvaros dizainą. Sunkiai dirbau, kad išvalyčiau likusį kelią, kad ASTERIJA taptų tikra. Po to, kai padėjome pagrindą projektavimo ir konstravimo klasėje, mano mokiniai ir aš prisijungėme prie mūsų pastangų Kembridže įsikūrusioje Draper laboratorijoje, kur mokslininkai dirba su tokiais dalykais kaip raketų valdymo sistemos ir povandeninių laivų navigacija. Jie taip pat daug dirba su kosmine įranga. Kiekvieną savaitę rengdavome susirinkimus, bandydavome spręsti mažų teleskopų problemas. Galėtume sukurti pakankamai mažus komponentus, galėtume dislokuoti palydovą ir nurodyti, ką daryti, bet vis tiek negalėjome suprasti, kaip išlaikyti jį tokį stabilų, kokio mums reikia. Kol mes bandėme išspręsti šią problemą, aš naudoju savo vykdomus biologinio parašo dujų tyrimus, kad nustatyčiau, kokie egzoplanetų tipai nusipelno mūsų dėmesio. Maniau, kad per mano gyvenimą galime ištirti šimtą žvaigždžių sistemų; jie turėjo būti teisingi.
Išbandymas dykumoje
Atėjo naktis, kieta dykumoje ir juodesnė už juodą, kai susiglaudėme ant didelio betono lopinio senoje raketų aikštelėje Naujosios Meksikos viduryje, kad išbandytume naują ASTERIA komponentą. Vis labiau įsitikinau jo verte. Tai nebuvo Hablas, Spitzeris ar Kepleris ir galbūt niekada nebus kažkas tokio nuostabaus. Tačiau ne kiekvienas paveikslas turėtų ar galėtų būti Žvaigždėta naktis . Visatoje yra vietos mažesniems darbams, kitokiam menui. Kepleris gali rasti tūkstančius naujų pasaulių, bet jis neatskleis nė vieno iš jų pakankamai, kad žinotume, ar tai kieno nors namai. Jis braukė per žvaigždžių laukus, esančius per toli, kad astronomai galėtų daryti ką nors daugiau, nei daryti prielaidas apie tokias vietas kaip Kepler-22b.
Bet jei galėčiau tiesiog priversti ASTERIA veikti ir rasti būdą, kaip išsiųsti palydovų parką, tai apjungtų geriausius NASA Keplerio kosminio teleskopo, galinčio aptikti mažesnes planetas aplink į saulę panašias žvaigždes, rezultatus ir besiformuojantį TESS, su artimesne paieška ir jautrumu raudonosioms nykštukinėms žvaigždėms.
Inžinieriai išbando ASTERIA prieš 2017 m.
NASA/JPL-CALTECHMano komanda sukūrė galimos kameros prototipą, kuris buvo daug žadantis stabilus ir gali veikti aukštesnėje temperatūroje nei daugelyje palydovų naudojami detektoriai. (Dauguma turi būti aušinama, o tai apmokestina mašiną.) Tiesiog nebuvau tikras, kad jis pamatys tai, ką mums reikia. Tuo metu turėjau ypač ryškią ir entuziastingą abiturientę, vardu Mary Knapp; ji buvo pirmosios projektavimo ir konstravimo klasės, kurią mokiau, bakalauro studentė. Ji paskatino mus išbandyti kamerą lauke, naudojant ją žiūrėti į tikras žvaigždes. Marija pasiūlė Naujosios Meksikos dykumas kaip mūsų bandymų vietą. Tą balandį ateis jaunas mėnulis, nuspalvinantis ir taip giedrą dykumos dangų. Ta jaunatis sutapo su mano sūnų Makso ir Alekso mokyklos atostogomis, o tai reiškė, kad galėjau juos pasiimti. Kad ir kaip norėjau pamatyti žvaigždes, taip pat norėjau jas pamatyti.
Paklausiau vietinio astronomų mėgėjų klubo, kur galėtų būti geriausia vieta išbandyti mūsų fotoaparatą. Tą naktį jie pakvietė mus į savo žvaigždžių vakarėlį – jaunaties šventę. Sutemus atvykome į senąją raketų aikštelę. Pažvelgiau į žvaigždes ir pajutau, kaip sugrįžo mano vaikiškas stebuklas. Manau, tai pajuto ir vaikinai.
Sustatėme kamerą. Turėtume palaukti, kol grįšime į MIT, kad galėtume išanalizuoti savo duomenis, bet atrodė, kad mūsų naujo tipo detektorius, dar nenaudojamas astronomijai, padarė viską. Žinojome, kad mūsų eksperimentas nebuvo visiška nesėkmė.
Ilgai lauktas startas
2017 m. rugpjūčio mėn., po ilgų metų darbo, vilties ir pastangų, „SpaceX“ pasiruošė paleisti į kosmosą raketą „Falcon 9“. Raketa neturėjo įgulos, bet ASTERIA buvo lėktuve.
Tai buvo sunki kelionė. Fotoaparatas iš mano vaizduotės pateko į mūsų projektavimo ir kūrimo klasę per brėžinius ir prototipus bei seną raketų aikštelę Naujojoje Meksikoje. Tada mums pritrūko pinigų MIT, o „Draper Laboratory“ technologija labiau patiko kitiems dalykams. „Jet Propulsion Laboratory“, kuri visada domėjosi „cubesats“ ir ypač „ASTERIA“ galimybėmis, tęsė ten, kur baigė MIT ir Draperis. Trys MIT absolventai vaidins pagrindinius vaidmenis projekte; jie rimtai žiūrėjo į savo darbą, matydami, koks jis svarbus. Jų aistra ir kompetencija užtikrino, kad ASTERIA taptų viskuo, kas tik gali būti, kad ji buvo pastatyta teisingai ir su meile pagaliau įstatoma į raketos triumą, gražią vėlyvą vasaros dieną dejuojančioje paleidimo aikštelėje. Raketa įskris į dangų ir susitiks su Tarptautine kosmine stotimi. Ten esantys astronautai vėliau rudenį paleis mūsų mažąjį palydovą. Nuo šnabždesio sapnuose iki kosmoso: negalėjau patikėti, kad artėjame prie tokio ilgo skaičiavimo pabaigos.
Planavau vykti į ASTERIA pristatymą, bet jis buvo atidėtas pakankamai ilgai, kad kelionės ir vaikų priežiūros planai žlugtų. Paleidimo dieną traukiniu nuvažiavau į Kembridžą, nuėjau iki Green Building ir liftu pakilau į savo aukštą. Praėjau pro kelionių plakatus apie tolimus pasaulius į savo biurą, uždariau duris ir iškviečiau internetinį vaizdo įrašų srautą. Paleidimas buvo didelis dalykas; visame pasaulyje akys buvo įpratusios į tą raketą, vis dar laukiančią ant padėklo.
Kartkartėmis pažiūrėjau iš be debesų Floridos filmuotos medžiagos ekrane ir pro langus į savo kristalinį Bostono centro vaizdą. Visur, kur žiūrėjau, buvo giedras dangus. Gal 30 minučių praleidau tyloje, rašydama padėkos laiškus kitiems ASTERIA komandos nariams. Paskutinę sekundę nusprendžiau jų nesiųsti. Žinau, kad prietarai yra nemoksliški. Suprantu, kad visatai nesvarbu, ar beisbolo žaidėjas vilki savo laimingus apatinius – ar jis pataikys, daugiausia priklauso nuo ąsočio ir jo paties. Tačiau raketos yra subtilios, netinkamos mašinos. Prieš paleidžiant raketas iš Kazachstano stepių į orbitą, rusai iškviečia stačiatikių kunigą, kad šis apšviestų švęstu vandeniu į stiprintuvus, jo barzdą ir apsiaustą, o švęstą vandenį į šonus neša vėjas. Taip toli nenuėjau, bet neketinau išsiųsti kelių el. laiškų, kol saugiai nebeliksime svorio. Nustebau, kaip nervinausi, stebėdamas, kaip tiksi atgalinės atskaitos laikrodis, kad pradėtų paleisti.
Varikliai užsidegė dideliu dideliu grynos ugnies kamuoliu. Paleidimo bokštas nukrito, o raketa nuskriejo nuo padėklo, įgavo greitį ir stūmė spindinčius pečius būsimos orbitos link. Laive esančios kameros užfiksavo jo sklandų skrydį, kai dangus aplink jį tapo nuo mėlynos iki violetinės iki juodos. Raketa prasiskverbė į kosmosą. Stiprintuvai buvo išmesti, o likusi raketos dalis tęsė kopimą į giliausią įmanomą naktį, Žemė buvo mėlyna ir šviesa už jos, priešakyje – neįmanoma juoda. Prireiks šiek tiek laiko, kol jis pasivys kosminę stotį, kuri savo orbitoje skriejo 17 000 mylių per valandą greičiu, maždaug penkias mylias kas sekundę. Tačiau raketa ir mūsų palydovas buvo gerai pakeliui.
Viskas, kas drąsu, turi kažkur prasidėti, pagalvojau.
Ar aš tikiu kitu gyvenimu visatoje?
Taip, tikiu.
Geresnis klausimas: ką mūsų paieškos sako apie mus? Rašo, kad mums įdomu. Sako, mes tikimės. Sakoma, kad galime daryti stebuklus ir nuostabius dalykus.
Pritaikyta ir perspausdinta iš Mažiausios šviesos Visatoje . Autorių teisės priklauso 2020 m. Sara Seager. Išleido Crown, Random House Publishing Group, Penguin Random House padalinio, antspaudas.