211service.com
Mijn satelliet zou in een kleine koffer passen.
Maar het kan ons helpen andere werelden te vinden. 18 december 2020
Sara Seager met een telescoop in haar tuin, wachtend op de duisternis van de nachtelijke hemel. Webb Chappell
Sara Seager heeft lang en diep nagedacht over de wiskunde: de kans dat de aarde het enige leven in het universum herbergt, is bijna onmogelijk. De grootste ontdekking die astronomen kunnen doen, is dat we niet alleen zijn, schrijft de astrofysicus van het MIT in haar nieuwe memoires De kleinste lichtjes in het heelal . De mensheid heeft eeuwenlang de hemel afgezocht naar een weerspiegeling van onszelf; om iemand of iets anders te zien, die een andere aarde bewoont — dat is de droom.
Als pionier in het zoeken naar exoplaneten, of planeten die rond andere sterren draaien, bedacht ze de nu standaard praktijk om de atmosferen van planeten te bestuderen door het licht te analyseren dat er doorheen filtert. Seager, die een geniale beurs van de MacArthur Foundation won, is de Class of 1941 Professor of Planetary Science en heeft ook benoemingen in de departementen natuurkunde en luchtvaart en ruimtevaart. Ze was ook de plaatsvervangend wetenschappelijk directeur van de door MIT geleide NASA Explorer-missie TESS (transiting exoplanet survey satellite) van 2016 tot 2020, en een lead voor Starshade Rendezvous, een haalbaarheidsstudie voor een ruimtemissie om aardachtige exoplaneten. In haar memoires deelt ze haar persoonlijke verhaal over het feit dat ze op haar veertigste weduwe werd, een plotseling alleenstaande moeder van twee jonge zonen, terwijl ze de wetenschap van haar zoektocht naar andere werelden uitlegt.
Dit fragment, ontleend aan verschillende secties van haar boek, beschrijft haar werk om ASTERIA te ontwikkelen. ASTERIA, een satelliet ter grootte van een kleine koffer, werd ontworpen om de technologie te demonstreren die een kleine telescoop nodig heeft om exoplaneten te zoeken door de minuscule dip in het licht van een ster te detecteren wanneer een in een baan om de aarde draaiende planeet ervoor passeert. Seager initieerde en ontwikkelde ASTERIA aan het MIT, en diende later als hoofdonderzoeker terwijl het werd gebouwd en geëxploiteerd door het Jet Propulsion Laboratory van november 2017 tot december 2019.
Zoeken naar schaduwen om andere werelden te vinden
In wezen is astrofysica de studie van licht. We weten dat er andere sterren zijn dan de zon, omdat we ze kunnen zien schijnen. Maar licht verlicht niet alleen. Licht vervuilt. Lichte jaloezieën. Kleine lichtjes - exoplaneten - zijn voor altijd weggespoeld door de grotere lichten van hun sterren, zoals die sterren worden weggespoeld door onze zon. Om een andere aarde te vinden, zouden we de kleinste lichtjes in het universum moeten vinden.
Als astronomen, op dit moment tenminste, de helderheid van sterren niet zouden kunnen bestrijden, zouden we hun kracht misschien in ons voordeel kunnen gebruiken. Lichamen die onderweg zijn, komen soms overeen. Als we geluk hadden, zou er een planeet tussen ons en zijn ster kunnen passeren en zoiets als een miniatuurverduistering creëren. De maan ziet er gigantisch uit als hij de zon blokkeert. De Transit Technique, zoals het zou gaan heten, paste hetzelfde principe toe op exoplaneten. We zouden ze niet vinden door het licht dat ze uitstraalden, maar door het licht dat ze verwenden. Niets valt op als een zwarte vlek.
In de herfst van 1999, terwijl ik een postdoctoraal onderzoeker was aan het Institute for Advanced Study in Princeton, werd de eerste transit van een bekende planeet - HD 209458b, een hete Jupiter - aangekondigd. Het was absoluut fantastisch nieuws, deels omdat de ontdekking de laatste greintje twijfel wegnam dat exoplaneten bestaan.
Sterrenlicht bestuderen op tekenen van leven
Ik had een idee overhandigd - een echt origineel idee - en het succesvolle gebruik van de Transit-techniek gaf het een grotere urgentie. Veel wetenschap, vooral baanbrekende wetenschap, vertrouwt op intuïtie. Ik had geen enkel bewijs dat mijn idee zou werken. Maar ik was ongetwijfeld. Ik had me gerealiseerd dat de techniek zou kunnen helpen om iets meer te onthullen dan het zwarte silhouet van een planeet. Onmiddellijk rond die kleine gedeeltelijke zonsverduistering zou hetzelfde sterlicht dat werd geblokkeerd door een exoplaneet door zijn atmosfeer gaan. Het sterrenlicht zou ons bereiken, maar niet zoals het gewone sterrenlicht ons bereikt. Het zou worden gefilterd, zoals water dat door een scherm stroomt, of de straal van een zaklamp die door een mist worstelt. Als je van een afstand naar een regenboog kijkt, vormen de vele kleuren een perfecte eenheid. Maar als je nauwkeuriger naar een regenboog kijkt, met behulp van een instrument dat een spectrograaf wordt genoemd, kun je gaten in het licht zien, minuscule breuken in elke golflengte, zoals ontbrekende tanden. Gassen in de zonneatmosfeer en de dunne omhulling van de aarde onderbreken de transmissie van zonlicht, zoals hoogspanningsleidingen statische elektriciteit veroorzaken in een radiosignaal. Bepaalde gassen interfereren op veelbetekenende manieren. Het ene gas kan een hap uit indigo nemen, terwijl het andere gas trek heeft in geel of blauw. Waarom zouden we geen spectrograaf kunnen gebruiken om te kijken naar het sterlicht dat door de atmosfeer van een passerende exoplaneet gaat? Op die manier konden we bepalen wat voor soort gassen die exoplaneet omringen. We wisten al dat grote hoeveelheden van bepaalde gassen waarschijnlijk alleen voorkomen in de aanwezigheid van leven. We noemen ze biosignatuurgassen. Zuurstof is één; methaan is een andere. We zouden kunnen beginnen met hete Jupiters, de planeten die we al kennen, en hun gemakkelijker waarneembare atmosferen. Net als de spray van een stinkdier zouden hun sporen van natrium en kalium opvallen te midden van het gezelschap van minder krachtige atomen. Ik hield mijn idee voor mezelf, omdat ik wist dat het geweldig was - ik was de eerste die het potentieel van de Transit-techniek zag om sferen te bestuderen - en ik wist ook dat geweldige ideeën gestolen worden. Dimitar Sasselov, mijn voormalige PhD-promotor, was de enige persoon die ik over mijn theorie vertelde en hij bood aan om me te helpen deze dichter bij de praktijk te brengen. Toen we de details hadden uitgewerkt, publiceerde ik een paper waarin ik prees wat Dimitar en ik transittransmissiespectra noemden - de gaten in regenbogen lezen.
Mijn paper kreeg veel aandacht. NASA accepteerde voorstellen om de Hubble-ruimtetelescoop te gebruiken; binnen een paar maanden na publicatie citeerde een team mijn werk en won de rechten om het licht te bestuderen dat door de atmosfeer van een passerende hete Jupiter ging. Ik was woedend om niet in dat team te zitten, dat een oudere mannelijke wetenschapper verkoos boven mij.
Binnen twee jaar onthulden hun werk de eerste exoplaneetatmosfeer. Het omringde geen andere aarde, maar mijn uitgangspunt had gewerkt. We hadden onze eerste buitenaardse lucht gezien.
Sterren bespioneren met kleine satellieten
Een van de grote hindernissen bij het zoeken naar exoplaneten is de tijd die nodig is om ze te vinden. De dichtstbijzijnde en helderste zonachtige sterren zijn verspreid over de hele hemel, wat betekent dat geen enkele telescoop er meer dan een paar tegelijk kan opnemen. Maar het is onbetaalbaar en ook onzinnig om iets als Hubble of Spitzer te gebruiken om naar een enkel sterrenstelsel te staren, wachtend, hopend, om de schaduwen te zien van planeten waarvan we niet zeker weten dat ze bestaan. Het goed in kaart brengen van een sterrenstelsel kan jaren duren.
Ik had geprobeerd een langetermijnplan te maken om een andere aarde te vinden toen ik hoorde wat de gemeenschap had gedaan om Cubesats te noemen - kleine satellieten die waren ontworpen in een standaardvorm, waardoor ze zogenaamd goedkoper en gemakkelijker te bouwen en in de ruimte zouden worden afgeleverd. Wat als ik een sterrenbeeld zou maken van kubussen, elk toegewezen om naar slechts één ster te kijken? Ik droomde van ruimtetelescopen ter grootte van een brood - niet één, maar een leger, dat zich in een baan om de aarde verspreidde zoals zovele vooruitstrevende verkenners. Elk kon zich vestigen en zijn toegewezen zonachtige ster volgen, hoe lang ik het ook nodig had; elk zou kunnen worden gewijd aan het leren van al het mogelijke over één enkel licht. Hubble, Spitzer, Kepler - ze zagen allemaal enorm. Misschien hadden we nu tientallen of honderden nauwere blikken nodig, waarbij we de Transit-techniek als de belangrijkste ontdekkingsmethode gebruikten. Cubesats zouden niet zien wat grotere ruimtetelescopen zouden kunnen zien, maar ze zouden nooit hoeven te knipperen.
Dit panorama van de noordelijke hemel vastgelegd door TESS (transiting exoplanet survey satellite) omvat een zijaanzicht van de Melkweg. Sara Seager was van 2016 tot 2020 plaatsvervangend wetenschappelijk directeur van de door MIT geleide TESS, een NASA Explorer-missie.
NASA/MIT/TESS EN ETHAN KRUSE (USRA)
Ik sprak met David Miller, een collega en een technische professor die de leiding had over wat een van mijn favoriete lessen zou worden: een ontwerp-en-bouwklas voor vierdejaarsstudenten. Het was revolutionair toen het begon, omdat het zo projectmatig was; na een paar inleidende colleges doken de studenten in de uitdaging om een echte satelliet te maken. Ik vroeg David of ik zijn klas mocht gebruiken om mijn cubesat-idee uit te broeden.
Hij was vanaf het begin enthousiast. Misschien is het beste aan MIT dat hoe gek je idee ook is, niemand zegt dat het niet gaat werken totdat het onwerkbaar is gebleken. En een ruimtetelescoop in iets kleins als een Cubeat knijpen was een behoorlijk gek idee. De grootste uitdaging zou zijn om iets kleins te maken dat nog steeds stabiel genoeg was om duidelijke gegevens te verzamelen - een hele klus omdat kleinere satellieten, zoals alles wat kleiner is, gemakkelijker in de ruimte worden rondgeduwd dan grotere objecten. Om nauwkeurige helderheidsmetingen van een ster uit te voeren, zouden we in staat moeten zijn om het middelpunt van de helderheid vast te houden op hetzelfde kleine deel van een pixel, veel fijner dan de breedte van een mensenhaar. We zouden iets moeten maken dat honderd keer beter was dan alles wat momenteel bestond in de massaklasse van de Cubesat. Stel je voor dat je een automotor maakt die honderd keer beter loopt dan de beste automotor van vandaag.
Laten we het doen, zei David.
Statistieken en ruimtehardware
Cubesats zijn veel goedkoper dan gewone satellieten, omdat ze kleiner en gemakkelijker te lanceren zijn; ze nemen veel minder ruimte in beslag in het ruim van een raket, en het kost $ 10.000 om een pond van iets de ruimte in te sturen. Helaas maakt hun goedkope fabricage ze vatbaar voor storingen. Velen van hen werken nooit. We gebruiken voor hen dezelfde hopeloze term die artsen gebruiken voor patiënten die ze nooit hebben kunnen redden: DOA.
Een van onze eerste hindernissen was dus een statistisch probleem. (Elk probleem is een probleem van statistiek.) Om de wolk van cubesats te maken die ASTERIA zouden gaan heten, moesten we uitzoeken hoeveel satellieten we nodig zouden hebben om ons een redelijke kans te geven om nog een planeet ter grootte van de aarde te vinden. Duizenden heldere, zonachtige sterren waren de moeite waard om in de gaten te houden, maar we zouden niet in staat zijn om duizenden satellieten te bouwen en te beheren. We wisten ook dat, gezien de kortstondige aard van transits, de kans dat een planeet ter grootte van de aarde door een zonachtige ster zou gaan, slechts ongeveer 1 op 200 was. Sommige van onze satellieten zouden ongetwijfeld ook falen of verloren gaan. Als we er maar een paar zouden sturen, zouden we ofwel heel strategisch ofwel heel veel geluk moeten hebben om te vinden wat we zochten. Er was een optimaal aantal satellieten dat, in combinatie met een slimme lijst van doelsterren, ons budget redelijk zou houden, maar ons toch een goede kans op succes zou geven.
Ik had het geluk dat ik een geweldige groep afgestudeerde studenten en postdocs had op wie ik leunde toen mijn man, Mike, ziek werd. Ik heb er een aan het werk gezet met de optica van ASTERIA, een andere met precisieaanwijzen en een derde met communicatie. Met hun hulp had ik vooruitgang geboekt in de richting van een prototype voor mijn kleine satellieten, het uitvinden en testen van precisie-aanwijshardware en -software, en het perfectioneren van het ontwerp van de telescoop aan boord en het beschermende schot. Ik heb hard gewerkt om de rest van het pad vrij te maken zodat ASTERIA echt zou worden. Nadat we de basis hadden gelegd in de ontwerp-en-bouwklas, werden mijn studenten en ik bij onze inspanningen geholpen door Draper Laboratory in Cambridge, waar onderzoekers werken aan zaken als raketgeleidingssystemen en onderzeese navigatie. Ze doen ook veel werk aan ruimtehardware. We hadden elke week vergaderingen om de problemen van kleine telescopen op te lossen. We konden componenten bouwen die klein genoeg waren, en we konden de satelliet inzetten en hem vertellen wat hij moest doen, maar we konden er nog steeds niet achter komen hoe we hem zo stabiel konden houden als we nodig hadden. Terwijl we probeerden dat probleem op te lossen, gebruikte ik mijn lopende onderzoek naar biosignatuurgassen om te bepalen welke soorten exoplaneten onze aandacht verdienden. Ik dacht dat we in mijn leven misschien wel honderd sterrenstelsels zouden kunnen verkennen; ze moesten de juiste zijn.
Een test in de woestijn
De nacht viel, woestijnhard en zwarter dan zwart toen we bij elkaar op een groot stuk beton op een oude raketlocatie in het midden van New Mexico zaten om een nieuw onderdeel voor ASTERIA te testen. Ik was meer en meer zeker van de waarde ervan. Het was niet Hubble of Spitzer of Kepler, en het zou misschien nooit zoiets prachtigs worden. Maar niet elk schilderij moet of zou kunnen zijn Sterrennacht . Er is ruimte in het universum voor kleiner werk, een ander soort kunst. Kepler zou duizenden nieuwe werelden kunnen vinden, maar het zou niet genoeg van een enkele onthullen om ons te laten weten of het iemands huis was. Het wierp zijn blik over sterrenvelden die te ver weg waren voor astronomen om iets meer te doen dan veronderstellingen over plaatsen als Kepler-22b.
Maar als ik ASTERIA kon laten werken, en dan een manier zou vinden om een vloot satellieten op te sturen, zou het de beste resultaten combineren van NASA's Kepler-ruimtetelescoop, in staat om kleinere planeten rond zonachtige sterren te vinden, en de ontluikende TESS, met zijn meer nabije zoektocht en gevoeligheid voor rode dwergsterren.
Ingenieurs testen ASTERIA voor de lancering in 2017.
NASA/JPL-CALTECHMijn team bouwde een prototype voor een mogelijke camera, een die veelbelovend stabiel was en bij een hogere temperatuur kon werken dan de detectoren die in de meeste satellieten worden gebruikt. (De meeste moeten worden gekoeld, wat de machine belast.) Ik was er gewoon niet zeker van of hij zou zien wat we nodig hadden om te zien. Ik had destijds een bijzonder slimme en enthousiaste studente, Mary Knapp genaamd; ze was een student geweest in de eerste ontwerp-en-bouwklas die ik gaf. Ze moedigde ons aan om de camera buiten te testen en te gebruiken om naar echte sterren te kijken. Mary stelde de woestijnen van New Mexico voor als onze proeftuin. In april zou er een nieuwe maan zijn, die de toch al heldere woestijnhemel nog aardedonker zou maken. Die nieuwe maan viel ook samen met schoolvakantie voor mijn zoons, Max en Alex, waardoor ik ze mee mocht nemen. Hoe graag ik de sterren ook wilde zien, ik wilde ze ook zien.
Ik had een plaatselijke club van amateurastronomen gevraagd waar we onze camera het beste konden testen. Die avond nodigden ze ons uit voor hun sterrenkijkfeest, een viering van de nieuwe maan. We kwamen in de schemering aan op de oude raketlocatie. Ik keek naar de sterren en voelde mijn kinderlijke verwondering terugkeren. Ik denk dat de jongens het ook voelden.
We hebben de camera opgesteld. We zouden moeten wachten tot we terug waren bij het MIT om onze gegevens te analyseren, maar ons nieuwe type detector, een nog niet gebruikt voor astronomie, leek de slag te slaan. We wisten in ieder geval dat ons experiment geen totale mislukking was.
Een langverwachte lancering
In augustus 2017, na jaren van werk en hoop en inspanning, bereidde SpaceX zich voor om een Falcon 9-raket de ruimte in te lanceren. De raket had geen bemanning, maar ASTERIA was aan boord.
Het was een moeilijke reis geweest. De camera had zijn weg gevonden van mijn verbeelding naar onze ontwerp-en-bouwklas, via tekeningen en prototypes en een oude raketlocatie in New Mexico. Dan hadden we geen geld meer bij MIT, en Draper Laboratory had de technologie beter gevonden voor andere dingen. Het Jet Propulsion Laboratory, dat altijd al geïnteresseerd was in de mogelijkheden van cubesats en ASTERIA in het bijzonder, ging verder waar MIT en Draper stopten. Daar zouden drie MIT-afgestudeerden de hoofdrol spelen in het project; ze namen hun werk serieus, omdat ze uit de eerste hand hadden gezien hoeveel het ertoe deed. Hun passie en expertise zorgden ervoor dat ASTERIA alles zou worden wat het zou kunnen zijn, dat het goed werd gebouwd en uiteindelijk liefdevol in het ruim van een raket werd geplaatst, kreunend op het lanceerplatform op een mooie nazomerdag. De raket zou in de lucht snijden en rendez-vous met het internationale ruimtestation. De astronauten daar zouden later in de herfst onze kleine satelliet vrijlaten. Van een fluistering in mijn dromen naar de ruimte: ik kon niet geloven dat we het einde van zo'n lange afrekening naderden.
Ik was van plan om naar de lancering van ASTERIA te gaan, maar het was net lang genoeg uitgesteld om reis- en kinderopvangplannen te laten mislukken. Op de dag van de lancering nam ik in plaats daarvan de trein naar Cambridge, liep naar het Green Building en nam de lift naar mijn verdieping. Ik liep langs de reisposters voor verre werelden naar mijn kantoor, deed de deur dicht en riep de online videostream op. De lancering was een groot probleem; over de hele wereld waren de ogen gericht op die raket, die nog steeds op het pad wachtte.
Zo nu en dan keek ik op van de wolkenloze beelden van Florida op mijn scherm en uit mijn ramen, naar mijn kristalheldere uitzicht op het centrum van Boston. Overal waar ik keek was een heldere hemel. Ik heb misschien 30 minuten in de stilte doorgebracht en bedankmails aan andere leden van het ASTERIA-team geschreven. Op het laatste moment besloot ik ze niet te sturen. Ik weet dat bijgeloof onwetenschappelijk is. Ik begrijp dat het voor het universum niet uitmaakt of een honkbalspeler zijn geluksondergoed draagt - of hij een hit krijgt, is grotendeels aan de werper en aan hem. Maar raketten zijn delicate, slechtgehumeurde machines. Voordat de Russen raketten van de steppen van Kazachstan in een baan om de aarde lanceren, roepen ze een orthodoxe priester op om wijwater te gooien naar de boosters, zijn baard en mantel en het wijwater dat zijwaarts door de wind wordt meegevoerd. Ik ging niet zo ver, maar ik zou pas een paar e-mails sturen als we veilig gewichtloos waren. Ik was verrast door hoe nerveus ik was toen ik de aftelklok zag aftellen om te starten.
De motoren ontstaken met een hele grote bal van puur vuur. De lanceertoren viel weg en de raket baande zich een weg van het platform, won aan snelheid en duwde zijn glanzende schouders naar zijn toekomstige baan. De camera's aan boord registreerden zijn boogvlucht terwijl de lucht eromheen van blauw naar paars naar zwart ging. De raket was doorgebroken in de ruimte. De boosters werden overboord gegooid en de rest van de raket vervolgde zijn klim naar de diepst mogelijke nacht, de aarde blauw en licht erachter, een onmogelijke duisternis voor de boeg. Het zou even duren voordat het het ruimtestation had ingehaald, dat zijn eigen weg door een baan baande met 17.000 mijl per uur, ongeveer vijf mijl per seconde. Maar de raket en onze satelliet waren goed op weg.
Alles wat dapper is, moet ergens beginnen, dacht ik.
Geloof ik in ander leven in het universum?
Ja ik geloof.
De betere vraag: wat zegt onze zoektocht ernaar over ons? Er staat dat we nieuwsgierig zijn. Er staat dat we hoopvol zijn. Het zegt dat we in staat zijn tot verwondering en tot prachtige dingen.
Aangepast en herdrukt van De kleinste lichtjes in het heelal . Copyright 2020 door Sara Seager. Gepubliceerd door Crown, een imprint van de Random House Publishing Group, een divisie van Penguin Random House.