211service.com
Min satellit fick plats i en liten resväska.
Men det kan hjälpa oss att hitta andra världar. 18 december 2020
Sara Seager med ett teleskop på sin trädgård i väntan på natthimlens mörker. Webb Chappell
Sara Seager har tänkt länge på matematiken: oddsen att jorden hyser det enda livet i universum är nästan omöjliga. Den största upptäckten astronomer kan göra är att vi inte är ensamma, skriver MIT-astrofysikern i sin nya memoarbok De minsta ljusen i universum . Mänskligheten har sökt himlen efter en reflektion av oss själva i århundraden; att se någon eller något annat som bor på en annan jord — det är drömmen.
En pionjär i sökandet efter exoplaneter, eller planeter som kretsar kring andra stjärnor, kom hon på den numera standardmetoden att studera planeternas atmosfärer genom att analysera ljuset som filtrerar genom dem. Seager, som vann ett genistipendium från MacArthur Foundation, är professor i planetarisk vetenskap från 1941 års klass och har också utnämningar vid institutionerna för fysik och flygteknik och astronautik. Hon var också biträdande vetenskapschef för det MIT-ledda NASA Explorer-uppdraget TESS (transiterande exoplanetundersökningssatellit) från 2016 till 2020, och ledare för Starshade Rendezvous, en förstudie för ett rymdbaserat uppdrag för att hitta och karakterisera jordliknande exoplaneter. I sina memoarer delar hon med sig av sin personliga berättelse om att hon vid 40 blev änka, en plötsligt ensamstående mamma till två unga söner, samtidigt som hon förklarar vetenskapen om sitt sökande efter andra världar.
Detta utdrag, hämtat från olika delar av hennes bok, beskriver hennes arbete med att utveckla ASTERIA. ASTERIA, en satellit lika stor som en liten resväska, designades för att demonstrera tekniken som behövs för att ett litet teleskop ska kunna söka efter exoplaneter genom att upptäcka det lilla doppet i en stjärnas ljus när en kretsande planet passerar framför den. Seager initierade och utvecklade ASTERIA vid MIT, och fungerade senare som huvudutredare medan det byggdes och drevs av Jet Propulsion Laboratory från november 2017 till december 2019.
Söker efter skuggor för att hitta andra världar
Till sin essens är astrofysik studiet av ljus. Vi vet att det finns andra stjärnor än solen eftersom vi kan se dem lysa. Men ljuset lyser inte bara upp. Ljus förorenar. Ljus persienner. Små ljus – exoplaneter – har för alltid sköljts ut av de större ljusen från deras stjärnor, på det sätt som dessa stjärnor tvättas ut av vår sol. För att hitta en annan jord måste vi hitta de minsta ljusen i universum.
Om, åtminstone för tillfället, astronomer inte kunde bekämpa stjärnornas ljusstyrka, kanske vi kunde använda deras kraft till vår fördel. Kroppar i transit räcker ibland i linje. Om vi hade tur kan en planet passera mellan oss och sin stjärna och skapa något som liknar en miniatyrförmörkelse. Månen ser jättelik ut när den blockerar solen. Transittekniken, som den skulle komma att kallas, tillämpade samma princip på exoplaneter. Vi skulle hitta dem inte genom ljuset de utsände, utan genom ljuset som de förstörde. Ingenting sticker ut som en svart fläck.
Hösten 1999, medan jag var postdoktor vid Institutet för avancerade studier i Princeton, tillkännagavs den första transiteringen av en känd planet – HD 209458b, en het Jupiter. Det var helt fantastiska nyheter, delvis för att upptäckten raderade ut den sista biten av tvivel om att exoplaneter existerar.
Studerar stjärnljus för tecken på liv
Jag hade lämnat över en idé – en genuint originell sådan – och den framgångsrika användningen av transittekniken gjorde den mer brådskande. Mycket vetenskap, särskilt banbrytande vetenskap, förlitar sig på intuition. Jag hade inga bevis för att min idé skulle fungera. Men jag var utan tvekan. Jag hade insett att tekniken kan hjälpa till att avslöja något mer än den svarta siluetten av en planet. Omedelbart runt den lilla partiella förmörkelsen skulle samma stjärnljus som blockerades av en exoplanet passera genom dess atmosfär. Stjärnljuset skulle nå oss, men inte så som vanligt stjärnljus når oss. Det skulle filtreras, som vatten som rinner genom en skärm, eller en ficklampas stråle som kämpar sig genom en dimma. Om du tittar på en regnbåge på avstånd bildar dess många färger en perfekt förening. Men om du tittar närmare på en regnbåge, med hjälp av ett instrument som kallas en spektrograf, kan du se luckor i ljuset, små avbrott i varje våglängd som saknade tänder. Gaser i solatmosfären och jordens egna tunna hölje avbryter överföringen av solljus, på det sätt som kraftledningar orsakar statisk elektricitet i en radiosignal. Vissa gaser stör på ett tydligt sätt. En gas kan ta en tugga av indigo, medan en annan gas kan ha en aptit på gult eller blått. Varför kunde vi inte använda en spektrograf för att titta på stjärnljuset som passerar genom en transiterande exoplanets atmosfär? På så sätt kunde vi avgöra vilka typer av gaser som omger den exoplaneten. Vi visste redan att stora mängder av vissa gaser sannolikt endast existerar i närvaro av liv. Vi kallar dem biosignaturgaser. Syre är en; metan är en annan. Vi skulle kunna börja med heta Jupiters, de planeter vi redan känner till och deras mer lättupptäckbara atmosfärer. Som en skunks spray skulle deras spår av natrium och kalium sticka ut bland mindre potenta atomer. Jag höll min idé för mig själv, eftersom jag visste att den var fantastisk – jag var den första som såg potentialen i transittekniken för att studera atmosfärer – och jag visste också att fantastiska idéer blir stulna. Dimitar Sasselov, min tidigare doktorandhandledare, var den enda personen jag berättade om min teori, och han erbjöd sig att hjälpa mig att föra den närmare praktiken. När vi hade räknat ut detaljerna publicerade jag en artikel där jag hyllade vad Dimitar och jag kallade transittransmissionsspektra – att läsa luckorna i regnbågar.
Mitt papper fick stor uppmärksamhet. NASA accepterade förslag att använda Hubble Space Telescope; inom några månader efter publicering citerade ett team mitt arbete och vann rätten att studera ljuset som passerade genom atmosfären av en transiterande het Jupiter. Jag var rasande över att inte vara med i det laget, som valde en äldre manlig vetenskapsman framför mig.
Inom två år avslöjade deras arbete den första exoplanetatmosfären. Det omgav inte en annan jord, men min premiss hade fungerat. Vi hade sett vår första utomjordiska himmel.
Spionerar på stjärnor med små satelliter
Ett av de stora hindren för att leta efter exoplaneter är den tid det tar att hitta dem. De närmaste och ljusaste solliknande stjärnorna är utspridda över hela himlen, vilket gör att inget teleskop kan ta in fler än några åt gången. Men det är oöverkomligt dyrt, såväl som meningslöst, att använda något som Hubble eller Spitzer för att stirra på ett enda stjärnsystem som väntar i hopp om att se skuggorna av planeter som vi inte är säkra på. Att korrekt kartlägga ett stjärnsystem kan ta år.
Jag hade försökt göra en långsiktig plan för att hitta en annan jord när jag fick reda på vad samhället hade tagit för att kalla cubesats – små satelliter designade i en standardform, vilket förmodligen gjorde dem billigare och enklare att bygga och leverera ut i rymden. Tänk om jag gjorde en konstellation av cubesats, var och en tilldelad att titta på bara en stjärna? Jag drömde om rymdteleskop lika stora som ett bröd – inte ett, utan en armé, som fläktar ut i omloppsbana som så många avancerade scouter. Var och en kunde bosätta sig och övervaka sin tilldelade solliknande stjärna hur länge jag behövde den; var och en kunde ägnas åt att lära sig allt möjligt om ett enda ljus. Hubble, Spitzer, Kepler – var och en såg enormt. Kanske behövde vi nu dussintals eller hundratals smalare blickar, med hjälp av transittekniken som den huvudsakliga metoden för upptäckt. Cubesats skulle inte se vad större rymdteleskop kunde se, men de skulle aldrig behöva blinka.
Detta panorama av den norra himlen fångat av TESS (transiterande exoplanetundersökningssatellit) inkluderar en kantvis vy av Vintergatan. Sara Seager tjänstgjorde som biträdande vetenskapschef för det MIT-ledda TESS, ett NASA Explorer-uppdrag, från 2016 till 2020.
NASA/MIT/TESS OCH ETHAN KRUSE (USRA)
Jag pratade med David Miller, en kollega och ingenjörsprofessor som var ansvarig för vad som skulle bli en av mina favoritklasser: en design-and-build-klass för studenter på fjärde året. Det var revolutionerande när det började, eftersom det var så projektbaserat; efter några inledande föreläsningar dök eleverna in i utmaningarna med att göra en riktig satellit. Jag frågade David om jag kunde använda hans klass för att inkubera min cubesat-idé.
Han var entusiastisk från början. Kanske det bästa med MIT är att oavsett hur galen din idé är, så säger ingen att den inte kommer att fungera förrän den har visat sig ogenomförbar. Och att klämma in ett rymdteleskop i något så litet som en cubesat var en ganska galen idé. Den största utmaningen skulle vara att göra något litet som fortfarande var tillräckligt stabilt för att samla in tydliga data – en hög ordning eftersom mindre satelliter, som allt mindre, lättare skjuts runt i rymden än större objekt. För att göra exakta ljusstyrkamätningar av en stjärna skulle vi behöva kunna hålla dess ljusstyrka fixerad till samma lilla bråkdel av en pixel, mycket finare än bredden på ett människohår. Vi skulle behöva göra något som var hundra gånger bättre än något som för närvarande fanns i cubesats massklass. Föreställ dig att göra en bilmotor som går hundra gånger bättre än dagens bästa bilmotor.
Låt oss göra det, sa David.
Statistik och rymdhårdvara
Cubesats är mycket billigare än vanliga satelliter, eftersom de är mindre och lättare att skjuta upp; de tar upp mycket mindre plats i lastrummet på en raket, och det kostar $10 000 att skicka ett pund av vad som helst ut i rymden. Tyvärr gör deras billiga tillverkning dem benägna att misslyckas. Många av dem fungerar aldrig. Vi använder samma hopplösa term för dem som läkare använder för patienter de aldrig fick chansen att rädda: DOA.
Ett av våra första hinder var alltså ett statistikproblem. (Varje problem är ett statistikproblem.) För att göra molnet av kubsats som skulle komma att kallas ASTERIA, var vi tvungna att räkna ut hur många satelliter vi skulle behöva för att ge oss en rimlig chans att hitta en annan planet i jordstorlek. Tusentals ljusa, solliknande stjärnor var värda att övervaka, men vi skulle inte kunna bygga och hantera tusentals satelliter. Vi visste också att med tanke på transiternas tillfälliga natur var oddsen för att en planet i jordstorleken skulle passera en solliknande stjärna bara omkring 1 på 200. Vissa av våra satelliter skulle också utan tvekan misslyckas eller gå förlorade. Om vi bara skickade upp ett fåtal skulle vi antingen vara väldigt strategiska eller väldigt lyckliga för att hitta det vi letade efter. Det fanns ett optimalt antal satelliter som, i kombination med en smart lista över målstjärnor, skulle hålla vår budget rimlig men ändå ge oss en god chans att lyckas.
Jag hade turen att ha en stor grupp doktorander och postdoktorer som jag lutade mig mot när min man, Mike, blev sjuk. Jag satte en att arbeta med ASTERIAs optik, en annan på precisionspekning, en tredje på kommunikation. Med deras hjälp hade jag gjort framsteg mot en prototyp för mina små satelliter, genom att uppfinna och testa hårdvara och mjukvara för precisionspekande och perfektion av designen av teleskopet ombord och dess skyddande baffel. Jag arbetade hårt för att rensa resten av vägen för att ASTERIA skulle bli verklig. Efter att vi hade lagt grunden i design-and-build-klassen fick mina elever och jag sällskap i våra ansträngningar av Draper Laboratory i Cambridge, där forskare arbetar med saker som missilstyrningssystem och ubåtsnavigering. De gör också mycket arbete med rymdhårdvara. Vi hade möten varje vecka och försökte lösa problemen med små teleskop. Vi kunde bygga tillräckligt små komponenter och vi kunde distribuera satelliten och tala om för den vad den skulle göra, men vi kunde fortfarande inte ta reda på hur vi skulle hålla den så stabil som vi behövde den. Medan vi försökte lösa det problemet använde jag min pågående forskning om biosignaturgaser för att avgöra vilka typer av exoplaneter som förtjänade vårt fokus. Jag trodde att vi kanske skulle kunna utforska ett hundratal stjärnsystem eller så under min livstid; de måste vara de rätta.
Ett test i öknen
Natten föll, ökenhård och svartare än svart när vi kurrade ihop oss på en stor betonglapp på en gammal missilplats mitt i New Mexico för att testa en ny komponent för ASTERIA. Jag blev mer och mer säker på dess värde. Det var inte Hubble eller Spitzer eller Kepler, och det kanske aldrig blir något så magnifikt. Men inte varje målning borde eller skulle kunna vara det Stjärnklar natt . Det finns plats i universum för mindre verk, en annan sorts konst. Kepler kanske hittar tusentals nya världar, men den skulle inte avslöja tillräckligt mycket av någon av dem för att vi ska veta om det var någons hem. Den svepte med sitt öga över stjärnfält som var för långt borta för astronomer att göra något mer än antaganden om platser som Kepler-22b.
Men om jag bara kunde få ASTERIA att fungera och sedan hitta ett sätt att skicka upp en flotta av satelliter, skulle det kombinera de bästa resultaten av NASA:s Kepler-rymdteleskop, som kan hitta mindre planeter runt solliknande stjärnor, och den begynnande TESS, med sin mer närliggande sökning och känslighet för röda dvärgstjärnor.
Ingenjörer testar ASTERIA innan lanseringen 2017.
NASA/JPL-CALTECHMitt team byggde en prototyp för en möjlig kamera, en som var lovande stabil och kunde fungera vid en varmare temperatur än detektorerna som används i de flesta satelliter. (De flesta måste kylas, vilket belastar maskinen.) Jag var helt enkelt inte säker på att den skulle se vad vi behövde se. Jag hade en särskilt smart och entusiastisk student vid den tiden, som hette Mary Knapp; hon hade studerat i den första design-and-build-klassen jag undervisade i. Hon uppmuntrade oss att testa kameran utomhus och använda den för att titta på riktiga stjärnor. Mary föreslog New Mexicos öknar som vår provningsplats. Den april skulle det komma en nymåne, som skulle göra den redan klara ökenhimlen en jämn nymåne. Den nymånen sammanföll också med skollovet för mina söner, Max och Alex, vilket gjorde att jag kunde ta med dem. Lika mycket som jag ville se stjärnorna ville jag se dem också.
Jag hade frågat en lokal klubb av amatörastronomer var det bästa stället att testa vår kamera kunde vara. Den kvällen bjöd de in oss till deras stjärnskådningsfest, ett firande av nymånen. Vi anlände i skymningen till den gamla missilplatsen. Jag tittade upp mot stjärnorna och kände hur mitt barnsliga under återvände. Jag tror att pojkarna kände det också.
Vi ställer in kameran. Vi skulle behöva vänta tills vi var tillbaka på MIT för att analysera våra data, men vår nya typ av detektor, en som ännu inte används för astronomi, verkade göra susen. Vi visste åtminstone att vårt experiment inte var ett totalt misslyckande.
En efterlängtad lansering
I augusti 2017, efter år av arbete och hopp och ansträngning, förberedde SpaceX sig för att skjuta upp en Falcon 9-raket i rymden. Raketen hade ingen besättning, men ASTERIA var ombord.
Det hade varit en svår resa. Kameran hade tagit sig från min fantasi till vår design-and-build-klass, genom ritningar och prototyper och en gammal missilplats i New Mexico. Sedan hade vi slut på pengar på MIT, och Draper Laboratory hade gillat tekniken bättre för andra saker. Jet Propulsion Laboratory, som alltid varit intresserad av möjligheterna med cubesats och i synnerhet ASTERIA, tog vid där MIT och Draper slutade. Tre MIT-utexaminerade där skulle spela ledande roller i projektet; de tog sitt arbete på allvar, efter att ha sett hur mycket det betydde. Deras passion och expertis såg till att ASTERIA skulle bli allt det kunde vara, att det byggdes rätt och kärleksfullt placerat, äntligen, i lastrummet på en raket, stönande på avfyrningsrampen en vacker sensommardag. Raketen skulle skära in i himlen och träffa den internationella rymdstationen. Astronauterna där skulle släppa vår lilla satellit senare under hösten. Från en viskning i mina drömmar till rymden: Jag kunde inte tro att vi närmade oss slutet på en så lång uppgörelse.
Jag hade planerat att åka till ASTERIA-lanseringen, men den blev försenad precis tillräckligt länge för att resor och barnomsorgsplaner skulle falla igenom. På lanseringsdagen tog jag tåget till Cambridge istället, gick till Green Building och tog hissen till min våning. Jag gick förbi reseaffischerna för avlägsna världar in på mitt kontor, stängde dörren och ringde upp onlinevideoströmmen. Lanseringen var en stor sak; över hela världen tränades ögonen på den raketen, som fortfarande väntade på plattan.
Då och då tittade jag upp från de molnfria bilderna från Florida på min skärm och ut genom mina fönster, på min kristallklara utsikt över centrala Boston. Det var klar himmel överallt jag tittade. Jag tillbringade kanske 30 minuter i det tysta och skrev tack-e-postmeddelanden till andra medlemmar i ASTERIA-teamet. I sista sekund bestämde jag mig för att inte skicka dem. Jag vet att vidskepelse är ovetenskapligt. Jag förstår att det inte spelar någon roll för universum om en basebollspelare har sina lyckliga underkläder på sig – om han får en träff är mest upp till kannan och honom. Men raketer är ömtåliga, dåligt tempererade maskiner. Innan ryssarna skjuter upp raketer från Kazakstans stäpper i omloppsbana, kallar de en ortodox präst för att kasta heligt vatten på boosters, hans skägg och mantel och det heliga vattnet som bärs åt sidan av vinden. Jag skulle inte så långt, men jag skulle inte skicka ett par e-postmeddelanden förrän vi var säkert viktlösa. Jag blev förvånad över hur nervös jag var när jag såg nedräkningsklockan ticka ner för att starta.
Motorerna antändes med en stor boll av ren eld. Uppskjutningstornet föll bort och raketen lättade sig från plattan, fick fart och sköt sina glänsande axlar mot sin framtida bana. Kamerorna ombord registrerade dess välvda flygning när himlen runt den gick från blått till lila till svart. Raketen hade brutit igenom i rymden. Boosters kastades ut, och resten av raketen fortsatte sin klättring in i den djupaste möjliga natten, jorden blå och tänd bakom den, en omöjlig svärta framför sig. Det skulle ta ett tag för den att komma ikapp rymdstationen, som tävlade sin egen väg genom omloppsbanan i 17 000 miles i timmen, ungefär fem miles varje sekund. Men raketen, och vår satellit, var på god väg.
Allt modigt måste börja någonstans, tänkte jag.
Tror jag på annat liv i universum?
Ja jag tror.
Den bättre frågan: Vad säger vårt sökande efter det om oss? Det står att vi är nyfikna. Det säger att vi är hoppfulla. Den säger att vi är kapabla till förundran och underbara saker.
Anpassad och omtryckt från De minsta ljusen i universum . Copyright 2020 av Sara Seager. Publicerad av Crown, ett avtryck från Random House Publishing Group, en division av Penguin Random House.