211service.com
Planet Gazer
Som barn var Sara Seager övertygad om att månen följde henne vart hon än gick. Spänningen att titta på den genom ett teleskop när hon var fem år är ett av hennes tidigaste minnen.
Sara seager
När Seager fick den första bra titt på månen 1976 diskuterade astronomer vid NASA redan behovet av ett rymdbaserat infrarött teleskop. När rymdteleskopet Spitzer lanserades i omloppsbana nästan tre decennier senare, skulle Seager själv vara en av forskarna som använde det för att studera atmosfären på planeter bortom vårt solsystem – planeter som ingen var säker på att det fanns 10 år tidigare.
År 1995 hade månen följt Seager till gymnasieskolan vid Harvard, där hon valde ett ämne för doktorsavhandling. Den hösten meddelade schweiziska forskare att de hade sett en planet som kretsar kring en stjärna i stjärnbilden Pegasus - den första av vad som snart skulle bli flera planeter som upptäcks utanför vårt solsystem. Seager skrev sin avhandling om hur atmosfären hos heta Jupiters – extrasolära planeter som är jättelika och gasformiga, som Jupiter, men mycket närmare sina stjärnor och därmed mer än 10 gånger varmare – påverkas av strålning från sina stjärnor. Idag anses hon vara en pionjär inom studiet av extrasolära planeter, eller exoplaneter. Inom vissa områden gör man bara stegvisa framsteg mot frågor som har funnits där i decennier, säger hon. Inom detta område kommer vi med lika många frågor som svar.
Med mer än 200 exoplaneter nu dokumenterade är forskare förståeligt nog entusiastiska över att ha så mycket nytt territorium att utforska och förklara. Folk är glada och de vill bara göra nya saker men är ofta inte så försiktiga som de borde vara, säger Seager. Det är som vilda västern. Saker händer så snabbt, man bara gör saker. Sedan går du. Ivriga att ta med mer sofistikering till fältet, gick hon med på MIT-fakulteten i januari för att lansera ett nytt program i extrasolära planeter och utvecklar en exoplanetkurs som hon kommer att undervisa i under hösten. Jag kom hit för att ta med en del av kunskapen och verktygen [om MITs atmosfärvetenskap] till forskning om exoplanetatmosfär, säger hon. Som Ellen Swallow Richards docent vid institutionen för jord-, atmosfärs- och planetvetenskap, gnuggar Seager nu axlar med meteorologer och atmosfärsforskare såväl som andra astronomer. Topografiska kartor över USA och världen ramar in dörröppningen till hennes Green Building-kontor, där hon begrundar planeter långt bortom vårt solsystem.
Seagers labb består av hennes hjärna och hennes dator, som är fylld med data som samlats in ovanför jordens atmosfär av Spitzer-teleskopet. Hennes kontor innehåller lite annat. Lådor med filer från hennes senaste jobb, som senior forskare vid Carnegie Institution of Washington, kantar ena väggen; att packa upp dem skulle ta tid från hennes forskning. En svart tavla hänger på en annan, täckt med diagram som illustrerar tekniker som hon och andra utvecklat för att få ledtrådar om exoplaneternas atmosfärer.
När astronomer upptäckte den första exoplaneten blev de chockade över att hitta den sju gånger närmare sin stjärna än Merkurius är solen. Dess närhet till en bländande ljus stjärna gjorde det extremt svårt att studera. Men Seager visste att inom kort skulle någon hitta en exoplanet som, sett från jorden, skulle passera framför sin stjärna och sedan försvinna bakom den. (Sannolikheten för att en exoplanet i nära omloppsbana passerar sin stjärna är cirka 10 procent.) Astronomer skulle sedan kunna använda en metod som utarbetades i mitten av 1900-talet för att studera förmörkande dubbelstjärnor: genom att mäta det lilla fallet i stjärnans ljus när exoplaneten passerade in framför den kunde de beräkna förhållandet mellan planetens yta och dess stjärna.
Visst, 1999 observerade astronomer den sjunde exoplaneten i nära omloppsbana som passerade sin stjärna cirka 904 biljoner miles från jorden. Exoplaneten HD 209458b är en gasjätte med temperaturer som kan toppa 1 300 °C och klassas som en het Jupiter. Det är också en av bara två kända transiterande exoplaneter vars stjärnor lyser tillräckligt med ljus genom sina atmosfärer för att ge astronomer den information de behöver för att göra detaljerade studier.
Det enda sättet astronomer kan lära sig om atmosfären på en annan planet är att studera planetens strålningsöverföring eller ljusets utbredning genom dess atmosfär. Men HD 209458b är så nära sin stjärna att den fullbordar sin omloppsbana på tre och en halv dag, och inte ens Spitzer – som upptäcker infrarött ljus till nivån 1 del per 1 000 – kan inte på egen hand särskilja planetens ljus från stjärnorna. Så som en del av en forskargrupp baserad på NASA:s Goddard Space Flight Center, använde Seager och hennes kollegor en enkel beräkning för att isolera planetens ljus. Med Spitzers infraröda spektrograf mätte forskarna ljuset från stjärnan och planeten tillsammans (när båda är synliga) och subtraherade ljuset från enbart stjärnan (när den förmörkar planeten).
Spektrografen, som fungerar som ett prisma, separerade också planetens ljus i dess komponentvåglängder. Forskarna analyserade ljuset vid varje våglängd och letade efter egenskaper som skulle identifiera molekyler i exoplanetens atmosfär. I numret 22 februari av Natur , rapporterade de att de samlat in de första spektraldata från HD 209458b under loppet av två förmörkelser i juli 2005 – och förklarade deras något överraskande fynd.
För att göra sin spektralanalys - och till och med för att bestämma vad de skulle leta efter i första hand - använde forskarna modeller av möjliga exoplanetatmosfärer som Seager hade utvecklat. När stjärnljus lyser på en planet möter fotoner molekyler i atmosfären; beroende på vilken molekyl den träffar, kan en foton absorberas, sprids eller återutsändas vid en annan våglängd. Genom att observera fotonerna som kommer ut från atmosfären kan Seager avgöra vilka molekyler atmosfären innehåller. Fotoner är vår valuta, säger hon.
För att skapa sina modeller av hur en het Jupiter kan se ut, anpassade Seager en modell inte av en annan planet utan av en cool stjärna, som vår sol. Först ändrade hon den för att göra dess temperatur närmare Jupiters temperatur. Sedan funderade hon på vilka atomer och molekyler som skulle finnas på en het planet i kemisk jämvikt. Eftersom natrium, till exempel, verkade vara en trolig kandidat, lade hon till dess egenskaper till sin modell för att skapa en spektral signatur som indikerar natriums närvaro. När HD 209458b upptäcktes 1999, skrev Seager, som då var nybliven doktorand, in tillgänglig data om planeten i sina modeller och förutspådde förekomsten av natrium (bland annat) i atmosfären den antogs ha. Med hjälp av hennes modeller designade astronomer experiment som fick Hubble Space Telescope att leta efter natrium. År 2001 gav dessa experiment den första upptäckten av en extrasolär planets atmosfär - och bekräftade Seagers förutsägelse.
När Seager och hennes kollegor lät Spitzer observera HD 209458b 2005, förväntade de sig att hitta bevis på vattenmolekyler i atmosfären. Men inga sådana bevis dök upp. Forskarna observerade dock vad de tror är den spektrala signaturen hos silikatmoln, under vilka vattenånga kan fångas. Seager antar också att på exoplanetens dagsida kan temperaturen vara konstant i hela atmosfären, i vilket fall det skulle finnas en jämvikt: alla bevis på vattenabsorption skulle elimineras genom bevis på vattenutsläpp.
Seager är inte förvånad när experimentella data inte matchar de flesta av de hundratals modeller hon har byggt hittills. Det är så naturen är mer kreativ än vi är, säger hon, glad att det överhuvudtaget är möjligt att säga med någon säkerhet vilka grundämnen som finns på en planet cirka 150 ljusår bort. Vi kan faktiskt karakterisera exoplanetatmosfärerna, säger hon. För fyra år sedan hade ingen trott att du kunde göra det.
Seager är ivrig efter att ha mer data att koppla in i hennes modeller och är en del av en MIT-ledd ansträngning för att utveckla och senast 2009 lansera en privat satellit som heter TESS, som kommer att utöka sökandet efter exoplaneter. Spitzer kan bara titta på saker vi redan vet och kan bara se en stjärna i taget, förklarar hon. Detta kommer att titta på bokstavligen miljontals stjärnor, leta efter denna lilla minskning i ljusstyrka som indikerar en planettransit.
Seager hoppas hitta steniga planeter – helst som kretsar kring ljusa stjärnor så att det kommer att finnas tillräckligt med ljus för att studera dem. Gasjätteplaneter är tråkiga eftersom de har alla gaser de föddes med, säger hon. Jorden har emellertid utvecklats; till exempel spydde tidiga vulkaner ut gaser och växter producerar ett överflöd av syre. Dessutom är gasjättar för heta för livet. Vi vill kunna hitta planeter som kan försörja liv, säger Seager, som absolut tror att det finns liv bortom vår planet.
Vi kommer inte att se några små gröna människor, varnar hon och tillägger att hon inte är intresserad av att träffa några utomjordingar själv. Mest troligt, säger hon, kommer vi att hitta bakterier. Men även det kan vara avslöjande. Kan vi hitta liv på andra platser kan det vara en ledtråd till var vi kom ifrån, säger hon.
Seager tror att det finns en god chans att vi kommer att upptäcka tecken på liv på andra planeter under hennes livstid. Men, skämtar hon, jag hoppas få leva länge.