Bildkredit: John Rowe
Sökningen efter jordliknande planeter börjar med sökningen efter solliknande stjärnor. Astronom Maggie Turnbull ombads att göra en kort lista med trettio kandidatstjärnor som nära matchade vår egen sol av en total lista 2.350 stjärnor som ligger inom hundra ljusår från oss. Denna korta lista, inklusive 37 pärlor, kommer att användas av Terrestrial Planet Finder-uppdraget, som kommer att söka efter bebodda planeter genom att leta efter det synliga ljuset av syre eller vatten på en jordliknande planet - ett säkert livstecken.
Den trettiosjuaste västligaste stjärnan i stjärnbilden, Tvillingarna, är en gul-orange stjärna som vår egen sol. Stjärnan kallas 37 Geminorum, men för astrofysiker Margaret Turnbull är stjärnan speciell eftersom den erbjuder en fallstudie för att betrakta vad som kan betraktas som en bra kandidat för att hysa bebodda planeter.
När hon bygger sin lista över stjärnor som kan stödja planeter med flytande vatten och syre, måste hon utesluta solar som är extrema: antingen för ung eller för gammal, som roterar för snabbt, eller som är tillräckligt varierande i ljusstyrka för att orsaka klimatkos på någon närliggande värld.
På ett avstånd på 56,3 ljusår bort har stjärnan 37 Gem ännu inte visat berättelser om att ha sådana planeter, eller några planeter - men framtida NASA och europeiska teleskoper letar efter målstjärnor precis som 37 Gem eftersom de kanske delar några av samma egenskaper som gjorde vårt eget solsystem bebörligt. Mer än 100 extrasolära planeter har hittills hittats med markbaserade teleskop, och uppskattningar för det totala sådana planeter i vår galax kan uppgå till miljarder kandidatvärldar.
På jobbet från University of Arizona i Tucson ombads Maggie Turnbull att göra en kort lista med trettio stjärnkandidater som mest liknade andra solar som kan stödja livsvillkoren för att blomstra. Att starta sin sökning bland stjärnor på mindre än hundra ljusår bort gav cirka 2350 stjärnor för att överväga ytterligare.
Turnbull presenterade nyligen sina resultat för en grupp forskare från NASA: s rymdteleskopprojekt, Terrestrial Planet Finder (TPF), som kommer att söka efter bebodda planeter genom att använda synligt ljus med "signatur" av vatten och / eller syre från en jord- typ planet. Efter TPFs planerade lansering runt 2013, kommer att följa det europeiska Darwin-projektet som omfattar sex rymdteleskoper.
Stjärnlistan parades ner från en ännu större lista (17.129 stjärnor inom 450 ljusår, eller 140 parsecs), som Turnbull och rådgivare Jill Tarter från SETI Institute först publicerade i Astrophysical Journal. Listan blev känd som katalogen för närliggande Habitable Stellar Systems (eller HabCat). Deras artikel som publicerades i augusti, med titeln "Målval för SETI: I. En katalog över närliggande stellarsystem", utökade tidigare kandidatlistor med nästan tiofaldig eller storleksordning.
För att stödja komplexa liv måste en kandidatstjärna ha rätt färg, ljusstyrka och ålder. Om det är en medelålders stjärna som vår egen, kommer den att ha bränt genom tillräckligt med smältbara ljuselement för att producera tyngre metaller som järn, men inte så gammal att den kollapsar eller så ung att livet bara är en avlägsen framtidsutsikterna. Baserat på vilka fragment vi känner till hur komplexa liv framträdde på jorden, syftar Turnbulls sökning till att hitta "Goldilocks" av stjärnor som verkar "precis rätt".
Så varför 37 pärla?
37 Geminorum ligger i den nordvästra delen av konstellationen Gemini, uppkallad efter tvillingarna. För amatörastronomer med ett bra bakgårdsteleskop är 37 Gem synliga. I grekisk mytologi seglade Gemini-tvillingarna med Jason i jakten på Golden Fleece; under en storm hjälpte tvillingarna att rädda deras skepp ARGO från att sjunka, och så blev konstellationen mycket uppskattad av sjömän.
De flesta stjärnor som Gem 37 grupperas i ett litet antal spektralklasser, baserat ungefär på färgen på ljus de avger. Stjärnkompendiet kallas Henry Draper-katalogen och listar spektralklasser i sju breda kategorier, från de hetaste till de coolaste stjärnorna. Dessa typer betecknas i ordning av sänkande temperatur av bokstäverna O, B, A, F, G, K och M. Nomenklaturen är förankrad i länge föråldrade idéer om stjärnutvecklingen, men terminologin kvarstår. Vår sol, klassificerad i en finare skala som en typisk "G2V" dvärg, är ungefär 4,5 miljarder år gammal. Kandidatstjärnan, 37 Gem, är på samma sätt medelålders, men något äldre med en miljard år, 5,5 miljarder år.
Spektra för stjärnor av G-typ som våra egna (och 37 Gem) domineras av vissa kemiska element, vilket signaleras av deras karakteristiska spektrallinjer (eller utsläpp). Elementen av mest aktuellt intresse är metaller, särskilt för de stjärnsignaturer som är rika på järn, kalcium, natrium, magnesium och titan. I astronomiska termer, jämfört med vår solklassificering som en typisk G2V-dvärg, har 37 Gem en något varmare yttemperatur. Således är Turnbulls främsta plockning - 37 Gem - katalogiserad som en G0V-dvärg - vilket betyder att den också är en gul-orange huvudsekvensdvärgstjärna. Eftersom G-stjärnor kännetecknas av närvaron av dessa metalliska linjer och ett svagt vätespektra, delar de en vanlig ålder, massa och ljusstyrka.
Annars är 37 Gem nära vår egen solen tvilling, eller en Gemini-motsvarighet till solen: 1,1 gånger vår solmassa, 1,03 gånger dess diameter och 1,25 gånger dess ljusstyrka.
Luminosities är "kanske den viktigaste informationen", berättade Turnbull för Astrobiology Magazine, "vi använder för att bestämma närliggande stjärnor i närheten" för komplexa liv, eftersom ljusstyrka indikerar vilken livsfas stjärnan är i, och som i sin tur dikterar hur lång tid stjärna kommer att förbli stabil.
Astrobiology Magazine hade möjlighet att prata med Maggie Turnbull vid Steward-observatoriet i Tucson om hur man skulle välja stjärnkandidater för tillväxt.
Astrobiology Magazine (AM): Din senaste undersökning började titta på cirka 100 ljusår långt borta från vår sol, och alla stjärnor inåt från den radien, eller hur? Det var den visuella sfären för att starta sökningen?
Margaret Turnbull (MT): Det finns cirka 2 300 Hipparcos-stjärnor inom 30 parsecs (90 ljus
år), det maximala avståndet för uppdraget Terrestrial Planet Finder (TPF). Det finns cirka 5 000 totalstjärnor inom det avståndet, men vi tittar bara på Hipparcos-stjärnor så min startlista är 2 350 stjärnor lång.
AM: Har du någonsin tagit tag i ett teleskop i trädgården för att se 37 Gem?
MT: Det borde verkligen vara synligt med ett trädgårdsteleskop, men nej, jag har inte tittat på det med mina egna ögon! På grund av den fotometri (mätning av dess ljusstyrka) och spektroskopi (mätning av dess sammansättning) jag har tittat på, känner jag att jag "känner" den utan att ha sett den.
Men det finns mer observerande att göra för 37 Gem. Vi måste till exempel göra infraröd avbildning med hög upplösning av den här stjärnan innan vi kan säga att det borde vara ett mål - om vi upptäcker att det finns mycket skräp som flyter runt, måste vi ta bort det från listan.
AM: Var stjärnan, 37 Gem, mycket annorlunda än nummer två på listan över de trettio bästa kandidaterna?
MT: Egentligen är de "bästa" stjärnorna väldigt lika varandra, och i verkligheten är det inte så vettigt att försöka rangordna dem. 37 Gem är en av de allra närmaste stjärnorna som också uppfyller ingenjörskriterierna, så det ser ut som en mycket bra kandidat för TPF-sökningen.
AM: Bara av nyfikenhet, vilken stjärna var officiellt nummer två på listan?
MT: När du bara ska titta på trettio stjärnor, är alla bättre "nummer ett." Det vill säga att varje stjärna vi observerar måste vara av primärt intresse för uppdraget, eftersom vi inte har tid att slösa. Vi håller fortfarande på att precisera det primära uppdragsmålet.
Om målet är att titta på olika spektraltyper, kan de bästa stjärnorna innehålla mycket närliggande K- eller M-stjärnor, men om målet är att titta på 30 av de mest solliknande stjärnorna, kan stjärnor som 18 Sco (en solenergi) tvilling på 14 parsecs i Constellation Scorpius), beta CVn ("hunden"), eller 51 Peg ("Pegasus", den flygande hästen) kan vara våra bästa satsningar.
AM: Finns det en eller två delar av saknade data som skulle hjälpa klassificeringen att få bättre resultat för stjärnkandidater?
MT: För närvarande är den högupplösta infraröda avbildningen den saknade data som vi definitivt behöver. Vi måste veta om dessa stjärnor har dammiga skräpskivor som skulle göra det svårt att upptäcka planeter som kretsar där.
Solen har en betydande mängd stjärntyg eftersom Jupiter hela tiden rör upp asteroidbältet och när asteroiderna kolliderar lägger de till damm till solsystemet.
En liknande dammnivå runt andra stjärnor kan inte förstöra våra chanser att se planeter, men vi skulle verkligen vilja hålla det på ett minimum.
AM: Vad är dina framtidsplaner för stjärnlistan till stöd för Terrestrial Planet Finder och Darwin-uppdragen?
MT: Jag har ännu inte lagt fram min 'sista' lista för TPF: s vetenskapliga arbetsgrupp den 18 och 19 november på US Naval Observatory, under ett möte med andra som skapar sina egna listor.
Jag har redan presenterat min metodik för gruppen, men nu kommer vi att träffa ingenjörer som kommer att förklara för oss instrumentets begränsningar och vi måste förfina listan ytterligare för att tillgodose deras kriterier.
Deras kriterier kommer att omfatta saker som: kan inte ha en följeslagare stjärna inom flera bågsekunder även om följeslagaren inte är en oro för planetens stabilitet, eftersom det extra ljuset kommer att förorena synfältet; kan inte titta på stjärnor som är svagare än omkring 6: e storleken; kan bara titta på stjärnor minst ~ 60 grader från solen under hela året, etc.
AM: Du publicerade din första katalog över bebyggliga stjärnor i augusti i år, och det är en del två till den klassificeringen. Vilka är huvudplanerna för del II i HabCat?
MT: Jill Tarter och jag har nyligen lagt fram ett andra uppsats på SETI-mållistan som kommer att visas i Astrophysical Journal Supplements i december. Detta dokument ger en lista över gamla öppna kluster med hög metallicitet, de närmaste 100 stjärnorna oberoende av stjärntyp, och cirka 250 000 huvudsekvensstjärnor från Tycho-katalogen, som alla kommer att observeras av Allen Telescope Array (ATA) när en HabCat stjärna är inte tillgänglig för oss att observera.
Den primära ATA-strålen kommer att pekas av radioastronomer, och de kommer att göra mycket högupplösta kartor över sina egna mål, samtidigt som vi kommer att observera HabCat-stjärnor (eller stjärnor från våra listor i papper 2) för SETI.
AM: Slutligen, är uppdragen, Kepler och TPF, planerar de typer av förbättringar som skulle ge en upptäckt av fler jordstorlekar, inte bara gasjättar, för en given stjärna i sina undersökningar?
MT: Ja. Kepler kommer att ge oss en indikation på hur vanliga markplaneter är genom att titta på tusentals solliknande stjärnor för "transiter" - händelser där planeten faktiskt passerar framför stjärnan den är i omloppsbana och tillfälligt blockerar lite av stjärnans ljus.
Terrestrial Planet Finder kommer att följa upp detta genom att faktiskt avbilda planeter som kretsar runt de närmaste stjärnorna och berättar om dessa planeter har atmosfärer genom att ta spektra.
Vi kan leta efter vatten, syre och koldioxid, och om vi har tur kan vi till och med se några direkta indikationer på livet i form av en vegetationssignatur eller stark atmosfärisk jämvikt, som samtidigt närvaro av syre och metan (på grund av till samtidig närvaro av växter och metanogenbakterier på jorden).
Vad kommer härnäst
Varje uppdrag att upptäcka och spektroskopiskt karakterisera markplaneter runt andra stjärnor måste utformas så att det kan upptäcka olika typer av markplaneter med ett användbart resultat. Sådana uppdrag studeras nu - Terrestrial Planet Finder (TPF), av NASA, och Darwin av ESA, European Space Agency. TPF / Darwins huvudmål är att tillhandahålla data till biologer och atmosfärkemister.
TPF / Darwin-konceptet bygger på antagandet att man kan avskärma extrasolära planeter för spektroskopiskt tillväxt. För att ett sådant antagande ska vara giltigt måste vi svara på följande frågor. Vad gör en planet beboelig och hur kan de studeras på distans? Vilka är de olika effekterna som biota kan ha på planetens atmosfärer? Vilka falska positiva effekter kan vi förvänta oss? Vilka är de evolutionshistorier som atmosfärerna kommer att vara? Och särskilt, vad är robusta indikatorer på livet?
TPF / Darwin måste undersöka stjärnor i närheten för planetariska system som inkluderar planeter i markstorlek i deras bebörliga zoner (”Jordliknande” planeter). Genom spektroskopi måste TPF / Darwin bestämma om dessa planeter har atmosfärer och fastställa om de är beboeliga.
Kepler-uppdraget är också planerat att sjösättas i solbana i oktober 2006. Kepler är avsett som ett uppdrag att bestämma frekvensen för de inre planeterna nära den bebodda zonen i ett stort antal stjärnor. Kepler kommer samtidigt att observera 100 000 stjärnor i vår galaktiska "stadsdel" och letar efter jordstorlekar eller större planeter inom den "bebodliga zonen" runt varje stjärna - den inte alltför heta, inte-för-kalla zonen där flytande vatten kan existera på en planet.
För att lyfta fram svårigheten att upptäcka en jordstorlek som kretsar runt en avlägsen stjärna, påpekar Keplers huvudutredare, William Borucki, från NASA Ames att det skulle ta 10 000 jordar för att täcka solskivan. En uppskattning av NASA säger att Kepler borde upptäcka 50 markplaneter om de flesta som hittas är ungefär jordens storlek, 185 planeter om de flesta är 30 procent större än jorden och 640 om de flesta är 2,2 gånger jordens storlek. Dessutom förväntas Kepler hitta nästan 900 jätteplaneter nära sina stjärnor och cirka 30 jättar som kretsar runt Jupiter-liknande avstånd från sina moderstjärnor.
Eftersom de flesta av de gigantiska planeter som hittills hittat går runt närmare sina stjärnor än Jupiter gör till solen, tror Borucki att under det fyra till sex år långa uppdraget kommer Kepler att hitta en stor del av planeterna ganska nära stjärnor. Om det visar sig vara sant, säger han, "Vi räknar med att hitta tusentals planeter."
Med hjälp av nuvarande metoder skulle astronomer idag ha det mycket svårt att upptäcka en jordstorlek planet runt stjärnan 37 Gem. Tidigare analyser har dock uteslutit vissa val. Till exempel går en jätteplanet som vår egen Jupiter eller Saturn inte runt 37 Gem. Dessa studier har föreslagit att jätteplaneter med en tiondel till tio gånger massan av Jupiter inte existerar nära 37 Gem (inom 0,1 till fyra astronomiska enheter, eller ett jord-solavstånd, AU, se även Cummings et al, 1999) . På grund av utmaningarna med att hitta svaga planeter i närheten av mycket ljusare stjärnor, är nästan alla extrasolära planeter som hittills hittats som vår egen Jupiter – massiva, förmodligen gasformiga och osannolikt att det finns några livsvillkor på grund av deras närhet till en förälderstjärna .
Men förhållandena runt 37 pärlor kan stödja mindre, inre planeter som Venus eller jorden. Ingen vet. Endast framtida undersökningar har instrumenteringen som kan hitta sådana jordliknande planeter.
Modeller av stjärnor som 37 pärlor stöder emellertid den möjliga förekomsten av minst en stabil bana för en jordliknande planet (med flytande vatten) centrerad kring ett jord-solavstånd (1.12 AU). En sådan förmodad planet skulle kretsa mellan avståndet mellan Jorden och Mars i vårt solsystem. Denna oupptäckta planet, om den kan upptäckas i framtida studier, skulle ha ett år som varar mer än 450 dagar, eller en omloppsperiod på cirka 1,3 jordår.
Eftersom syregenererande liv på jorden tog ungefär två miljarder år att ta tag, skulle stjärnor mycket yngre än detta troligen inte ha haft tillräckligt med tid för livet att utvecklas mot några komplexa former. Med tanke på de miljarder år som krävs för att utveckla livet på jorden, kunde forskare ifrågasätta om livet skulle ha en chans i ett kortlivat solsystem. Varmare, mer massiva stjärnor har alltid betraktats som mindre benägna att hamna liv men inte för att de skulle vara för varma. Planeter kan fortfarande njuta av tempererat klimat, längre bort än jorden är från solen, och vid banor längre bort från sin egen förälderstjärna. Det första problemet med att vara vanligt är ett av tiden, inte temperaturen. Varmare stjärnor tenderar att brinna ut snabbare - kanske för snabbt för att livet ska utvecklas där.
Originalkälla: Astrobiology Magazine
