211service.com
Planet Gazer
Als kind was Sara Seager ervan overtuigd dat de maan haar overal volgde. De sensatie van ernaar te kijken door een telescoop toen ze vijf was, is een van haar vroegste herinneringen.
Sara Seager
Toen Seager in 1976 voor het eerst goed naar de maan keek, bespraken astronomen bij NASA al de noodzaak van een in de ruimte gebaseerde infraroodtelescoop. Toen de Spitzer Space Telescope bijna drie decennia later in een baan om de aarde werd gelanceerd, zou Seager zelf een van de wetenschappers zijn die hem gebruikte om de atmosferen van planeten buiten ons zonnestelsel te bestuderen - planeten waarvan niemand zeker wist dat ze 10 jaar eerder bestonden.
In 1995 volgde de maan Seager naar haar afstuderen aan Harvard, waar ze een onderwerp voor een proefschrift koos. Die herfst kondigden Zwitserse wetenschappers aan dat ze een planeet hadden gezien in een baan om een ster in het sterrenbeeld Pegasus - de eerste van wat binnenkort verschillende planeten buiten ons zonnestelsel zouden worden gedetecteerd. Seager schreef haar proefschrift over hoe de atmosferen van hete Jupiters - extrasolaire planeten die gigantisch en gasvormig zijn, zoals Jupiter, maar veel dichter bij hun sterren en dus meer dan 10 keer heter - worden beïnvloed door straling van hun sterren. Tegenwoordig wordt ze beschouwd als een pionier in de studie van extrasolaire planeten of exoplaneten. Op sommige gebieden boek je gewoon stapsgewijze vooruitgang in de richting van vragen die er al tientallen jaren zijn, zegt ze. Op dit gebied bedenken we evenveel vragen als antwoorden.
Nu er meer dan 200 exoplaneten zijn gedocumenteerd, zijn onderzoekers begrijpelijkerwijs enthousiast over het feit dat ze zoveel nieuw gebied hebben om te verkennen en uit te leggen. Mensen zijn enthousiast en willen gewoon nieuwe dingen doen, maar zijn vaak niet zo voorzichtig als ze zouden moeten zijn, zegt Seager. Het is net als het Wilde Westen. Dingen gebeuren zo snel, je doet gewoon dingen. Dan vertrek je. Omdat ze graag meer verfijning in het veld wilde brengen, trad ze in januari toe tot de MIT-faculteit om een nieuw programma in extrasolaire planeten te lanceren en ontwikkelt ze een exoplaneetcursus die ze in de herfst zal geven. Ik kwam hier om een deel van de kennis en hulpmiddelen [van de MIT-atmosfeerwetenschap] te gebruiken voor onderzoek naar de atmosfeer van exoplaneten, zegt ze. Als universitair hoofddocent van Ellen Swallow Richards bij de afdeling Aard-, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen, staat Seager nu naast meteorologen, atmosferische wetenschappers en collega-astronomen. Topografische kaarten van de Verenigde Staten en de wereld omlijsten de deuropening van haar Green Building-kantoor, waar ze planeten ver buiten ons zonnestelsel overdenkt.
Het laboratorium van Seager bestaat uit haar hersenen en haar computer, die is gevuld met gegevens die boven de aardse atmosfeer zijn verzameld door de Spitzer-telescoop. Haar kantoor bevat weinig anders. Dozen met dossiers van haar laatste baan, als senior onderzoeker bij de Carnegie Institution of Washington, staan langs één muur; het uitpakken ervan zou tijd vergen van haar onderzoek. Een schoolbord hangt aan een ander, bedekt met diagrammen die technieken illustreren die zij en anderen hebben ontwikkeld om aanwijzingen te verzamelen over de atmosfeer van exoplaneten.
Toen astronomen de eerste exoplaneet ontdekten, waren ze geschokt toen ze ontdekten dat deze zeven keer dichter bij zijn ster staat dan Mercurius bij de zon. De nabijheid van een verblindend heldere ster maakte het buitengewoon moeilijk om te bestuderen. Maar Seager wist dat binnenkort iemand een exoplaneet zou vinden die, gezien vanaf de aarde, voor zijn ster zou passeren en dan erachter zou verdwijnen. (De kans dat een exoplaneet in een korte baan om zijn ster passeert, is ongeveer 10 procent.) Astronomen zouden dan een methode kunnen gebruiken die in het midden van de twintigste eeuw is ontwikkeld om verduisterende dubbelsterren te bestuderen: door de lichte daling in het licht van de ster te meten toen de exoplaneet binnenkwam ervoor, konden ze de verhouding van de oppervlakte van de planeet tot die van zijn ster berekenen.
En ja hoor, in 1999 observeerden astronomen de zevende exoplaneet in een korte baan om zijn ster, zo'n 904 biljoen mijl van de aarde. De exoplaneet HD 209458b, een gasreus met temperaturen tot 1.300 °C, wordt geclassificeerd als een hete Jupiter. Het is ook een van de slechts twee bekende transiterende exoplaneten waarvan de sterren voldoende licht door hun atmosfeer laten schijnen om astronomen de gegevens te geven die ze nodig hebben om gedetailleerde studies te doen.
De enige manier waarop astronomen de atmosfeer van een andere planeet kunnen leren kennen, is door de stralingsoverdracht van de planeet te bestuderen, of de voortplanting van licht door haar atmosfeer. Maar HD 209458b is zo dicht bij zijn ster dat hij zijn baan in drie en een halve dag voltooit, en zelfs de Spitzer - die infrarood licht detecteert tot op het niveau van 1 deel per 1000 - kan op zichzelf het licht van de planeet niet onderscheiden van de sterren. Dus als onderdeel van een onderzoeksgroep in het Goddard Space Flight Center van NASA, gebruikten Seager en haar collega's een eenvoudige berekening om het licht van de planeet te isoleren. Met de infraroodspectrograaf van de Spitzer hebben de onderzoekers het licht van de ster en de planeet samen gemeten (wanneer beide zichtbaar zijn) en het licht van de ster alleen afgetrokken (wanneer deze de planeet verduistert).
De spectrograaf, die functioneert als een prisma, scheidde ook het licht van de planeet in zijn samenstellende golflengten. De onderzoekers analyseerden het licht op elke golflengte, op zoek naar kenmerken die moleculen in de atmosfeer van de exoplaneet zouden identificeren. In het nummer van 22 februari van Natuur , rapporteerden ze dat ze de eerste spectrale gegevens van HD 209458b verzamelden in de loop van twee zonsverduisteringen in juli 2005 - en legden ze hun enigszins verrassende bevindingen uit.
Om hun spectrale analyse te doen - en zelfs om te beslissen waar ze in de eerste plaats naar moesten zoeken - gebruikten de onderzoekers modellen van mogelijke exoplaneetatmosferen die Seager had ontwikkeld. Wanneer sterlicht op een planeet schijnt, ontmoeten fotonen moleculen in de atmosfeer; afhankelijk van welk molecuul het raakt, kan een foton worden geabsorbeerd, verstrooid of opnieuw uitgezonden op een andere golflengte. Door de fotonen te observeren die uit de atmosfeer komen, kan Seager bepalen welke moleculen de atmosfeer bevat. Fotonen zijn onze valuta, zegt ze.
Om haar modellen te maken van hoe een hete Jupiter eruit zou kunnen zien, paste Seager een model aan, niet van een andere planeet, maar van een koele ster, zoals onze zon. Eerst veranderde ze het om de temperatuur dichter bij die van Jupiter te brengen. Daarna overwoog ze welke atomen en moleculen op een hete planeet in chemisch evenwicht zouden kunnen worden gevonden. Omdat natrium bijvoorbeeld een waarschijnlijke kandidaat leek, voegde ze de eigenschappen ervan aan haar model toe om een spectrale signatuur te creëren die indicatief was voor de aanwezigheid van natrium. Toen HD 209458b in 1999 werd ontdekt, voerde Seager, toen een nieuw geslagen PhD, de beschikbare gegevens over de planeet in haar modellen in en voorspelde ze de aanwezigheid van (onder andere) natrium in de atmosfeer die ze veronderstelde te hebben. Met behulp van haar modellen ontwierpen astronomen experimenten waarbij de Hubble-ruimtetelescoop naar natrium zocht. In 2001 leverden die experimenten de eerste detectie op van de atmosfeer van een extrasolaire planeet - en bevestigden ze de voorspelling van Seager.
Toen Seager en haar collega's de Spitzer in 2005 HD 209458b lieten observeren, verwachtten ze aanwijzingen te vinden voor watermoleculen in de atmosfeer. Maar dergelijk bewijs verscheen niet. De onderzoekers hebben echter waargenomen wat volgens hen de spectrale signatuur is van silicaatwolken, waaronder waterdamp kan worden opgesloten. Seager veronderstelt ook dat aan de dagzijde van de exoplaneet de temperatuur in de hele atmosfeer constant kan zijn, in welk geval er een evenwicht zou zijn: elk bewijs van waterabsorptie zou teniet worden gedaan door bewijs van wateremissie.
Seager is niet verbaasd als experimentele gegevens niet overeenkomen met de meeste van de honderden modellen die ze tot nu toe heeft gebouwd. Zo is de natuur creatiever dan wij, zegt ze, blij dat het mogelijk is om met enige zekerheid te zeggen welke elementen er bestaan op een planeet op zo'n 150 lichtjaar afstand. We kunnen de atmosferen van exoplaneten eigenlijk karakteriseren, zegt ze. Vier jaar geleden had niemand gedacht dat je het zou kunnen.
Seager wil graag meer gegevens om in haar modellen aan te sluiten en maakt deel uit van een door MIT geleide inspanning om een privésatelliet genaamd TESS te ontwikkelen en tegen 2009 te lanceren, die de zoektocht naar exoplaneten zal uitbreiden. Spitzer kan alleen kijken naar dingen die we al weten en kan maar één ster tegelijk zien, legt ze uit. Dit gaat letterlijk miljoenen sterren bekijken, op zoek naar deze kleine afname in helderheid die wijst op een planeetovergang.
Seager hoopt rotsachtige planeten te vinden, idealiter in een baan rond heldere sterren, zodat er genoeg licht is om ze te bestuderen. Gasreuzenplaneten zijn saai omdat ze alle gassen hebben waarmee ze zijn geboren, zegt ze. De aarde is echter geëvolueerd; vroege vulkanen spuwden bijvoorbeeld gassen en planten produceren een overvloed aan zuurstof. Ook zijn gasreuzen te heet voor het leven. We willen planeten vinden die leven kunnen ondersteunen, zegt Seager, die absoluut denkt dat er leven is buiten onze planeet.
We zullen geen kleine groene mensen zien, waarschuwt ze, eraan toevoegend dat ze zelf geen buitenaardse wezens wil ontmoeten. Hoogstwaarschijnlijk, zegt ze, zullen we bacteriën vinden. Maar zelfs dat zou onthullend kunnen zijn. Als we op andere plaatsen leven kunnen vinden, kan dat een aanwijzing zijn waar we vandaan komen, zegt ze.
Seager denkt dat de kans groot is dat we tijdens haar leven tekenen van leven op andere planeten zullen ontdekken. Maar, grapt ze, ik hoop nog lang te leven.