Kepler: Τα «μάτια» της ανθρωπότητας στο διάστημα προς αναζήτηση μιας νέας "Γης"

Συνταξη / Επιμελεια: Θεόδωρος Χατζηκώστας | 26 Σεπτεμβριου 2015
Posted in υλικό - Γενικά Τεχνικά Θέματα

Τα τελευταία χρόνια ακούμε συνεχώς για ανακάλυψη διαφόρων εξωπλανητών, δηλαδή πλανητών που ανήκουν σε άλλα ηλιακά συστήματα πλην του δικού μας. Η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των ανακαλύψεων έχει να κάνει με το τηλεσκόπιο Kepler, ένα θαύμα της τεχνολογίας που θα παρουσιάσουμε στο παρακάτω άρθρο!

Ποιος ήταν ο Kepler

Το τηλεσκόπιο Kepler έχει πάρει το όνομα του από τον Γερμανό αστρονόμο Johannes Kepler (1571-1630) ο οποίος συνείσφερε τα μέγιστα στον τομέα της παρατήρησης του ουρανού σε μια εποχή που το συγκεκριμένο πεδίο της επιστήμης δεν είχε ορατά όρια και διαχωρισμούς.

Το «τηλεσκόπιο» Kepler με μια ματιά

Το «τηλεσκόπιο» Kepler εκτοξεύτηκε στο διάστημα τον Μάρτιο του 2009, με προβλεπόμενο προσδόκιμο ζωής τα 3,5 χρόνια, τη στιγμή που μετά από 6 χρόνια συνεχίζει να λειτουργεί και να στέλνει δεδομένα. Το Kepler είναι ένα από τα πλέον φιλόδοξα (και ακριβά) προγράμματα της NASA, με προϋπολογισμό της τάξης των 600 εκατομμυρίων δολαρίων, ενώ προβλέπεται να χρηματοδοτηθεί έως το 2016.

Όσον αφορά τα χαρακτηριστικά του, έχει μέγεθος 4,7x2,7 μ. και βάρος περίπου ενός τόνου, ενώ οι συσκευές του καταναλώνουν ισχύ της τάξης των 1.100W.

Σκοπός της αποστολής Kepler

Μέχρι την έλευση του Kepler, οι όποιοι εξωπλανήτες είχαν ανακαλυφθεί, ήταν συνήθως γιγαντιαίοι πλανήτες στο μέγεθος του Ουρανού ή του Κρόνου. Το Kepler όμως δεν κατασκευάστηκε για να βρίσκει αέριους γίγαντες. Κατασκευάστηκε για να εντοπίσει πλανήτες στο μέγεθος της Γης που να βρίσκονται στην «κατοικήσιμη ζώνη» στην απόσταση δηλαδή μεταξύ πλανήτη και άστρου που να επιτρέπει στο νερό να έχει υγρή μορφή. Προκειμένου να γίνει αυτό (και μάλιστα σε μεγάλη κλίμακα), έπρεπε να εφευρεθεί ένας καινοτόμος και μαζικός τρόπος συλλογής δεδομένων. Και εδώ ξεκινούν τα θαυμάσια γεγονότα που αφορούν το Kepler.

Τροχιά

Το διαστημόπλοιο (και όχι τηλεσκόπιο) Kepler δεν βρίσκεται σε τροχιά γύρω από την Γη μας και δεν προστατεύεται από κανενός είδους πεδίο αυτής (άρα το Kepler αποτελεί και την απάντηση στους συνωμοσιολάγνους που υποστηρίζουν πως είναι αδύνατον να ξεπεράσουμε την ζώνη Βαν Άλεν). Το Kepler είναι ένα υπερευαίσθητο όργανο και προκειμένου να αποφύγει θέματα που έχουν να κάνουν με την βαρύτητα, ή αντανάκλαση/απόκρυψη φωτός με τη Γη και το Φεγγάρι, βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο, και για μια πλήρη περιστροφή γύρω από αυτόν, απαιτούνται 372,5 ημέρες. Αυτό σημαίνει πως κάθε γήινο χρόνο το Kepler μένει πίσω από την τροχιά της Γης κατά 6,5~7,5 ημέρες και πως θεωρητικά το 2.059 μ.Χ. η Γη θα ξανασυναντήσει το διαστημόπλοιο όπως ένα γρήγορο αυτοκίνητο «ρίχνει γύρο» σε ένα αργό αυτοκίνητο μέσα στην πίστα!

Ο αισθητήρας που ανακαλύπτει πλανήτες

Το κύριο όργανο του διαστημόπλοιου δεν είναι κάποιου είδους τηλεσκόπιο. Προκειμένου το Kepler να ολοκληρώσει την αποστολή του, βασίζεται σε ένα υπερ-ευαίσθητο φωτόμετρο. Αυτό σημαδεύει μια πολύ συγκεκριμένη περιοχή του Γαλαξία μας έτσι ώστε το φως του ήλιου μας να μην φτάνει ποτέ στον αισθητήρα. Το οπτικό πεδίου του αισθητήρα είναι σταθερό, και καρφωμένο πάντα στο ίδιο σημείο (κάτι που σημαίνει πως πρέπει να γίνονται καθημερινές διορθώσεις στην κλίση του διαστημοπλοίου, αφού αυτό περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο).

Και για όσους είναι αρνητικοί όσον αφορά τα έως τώρα ευρήματα του Kepler (πολύ λίγοι κατοικήσιμοι πλανήτες κ.λπ.), θα πρέπει να πούμε πως το Kepler καλύπτει με τον αισθητήρα του, ένα μέρος Γαλαξία μας της τάξης του 0,25%. Σε αυτό το κομμάτι του ουρανού... κατοικοεδρεύουν περί τα 500.000 αστέρια και από αυτά το Kepler έχει επιλέξει προς παρατήρηση τα 145.000. Άρα η αποστολή του Kepler παρατηρεί (εφόσον μόνον ο δικός μας Γαλαξίας έχει 400~500 δισ. αστέρια), το 0,000001% με 0,00000037% του Milky Way, και φυσικά να μην ξεχνάμε πως υπάρχουν δισεκατομμύρια γαλαξίες πέραν του δικού μας!

Το φωτόμετρο του Kepler λοιπόν αποτελείται από 42 αισθητήρες CCD ο καθένας με ανάλυση 2200x1024.

Πώς ο αισθητήρας «ανακαλύπτει» εξωπλανήτες

Η αρχή της τεχνικής ανακάλυψης εξωπλανητών είναι απλή: Καθώς το όργανο είναι στραμμένο συνεχώς προς την ίδια κατεύθυνση, αν και εφόσον ένας πλανήτης περάσει μπροστά από ένα αστέρι (καθώς περιστρέφεται γύρω από αυτό όπως η Γη μας περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο), τότε η μείωση της φωτεινότητας του άστρου θα καταγραφεί από τον αισθητήρα. Ο χρόνος αλλά και το μέγεθος της μείωσης της φωτεινότητας, δίνουν την δυνατότητα να υπολογιστεί τόσο το μέγεθος του πλανήτη όσο και η απόσταση του από το μητρικό άστρο.

Φυσικά τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά, αφού οι εσωτερικοί μικροί πλανήτες που μας ενδιαφέρουν είναι πολύ πιο δύσκολο να εντοπιστούν τόσο λόγω μεγέθους (άρα πιθανότητα η μείωση της φωτεινότητας να οφείλεται σε στατιστικό λάθος) όσο και λόγω των εξωτερικών τεράστιων πλανητών που μπορεί να καλύπτουν με την τροχιά τους το «πέρασμα» του μικρού πλανήτη.

Οι μετρήσεις του Kepler λοιπόν δεν ανακαλύπτουν πλανήτες «ακαριαία». Το Kepler χρειάζεται τουλάχιστον έναν γήινο χρόνο (365 ημέρες) για να ανακαλύψει έναν πλανήτη από τις συνεχείς μετρήσεις στο ίδιο αστέρι, ενώ στην πράξη, για πλανήτες του μεγέθους της Γης μας, απαιτούνται 3 με 4 περάσματα (ή 3 με 4 έτη περίπου). Το Kepler μετράει συμπιέζει και αποθηκεύει τις μετρήσεις του στην εσωτερική του μνήμη ενώ μια φορά το μήνα, αποστέλλει τα δεδομένα στη Γη, δεδομένα που έχουν μέγεθος της τάξης των 12GB ανά μήνα.

Επιστημονικές ανακαλύψεις

Έως σήμερα έχουν ανακαλυφθεί χάρις το Kepler πάνω από 1.000 εξωπλανήτες ενώ υπάρχουν πάνω από 4.000 υποψήφιοι. Από αυτούς, 12 βρίσκονται στην "κατοικήσιμη ζώνη" και πιθανότατα είναι βραχώδεις πλανήτες σαν την Γη μας.

Ο Kepler-452b δε, αποτελεί ίσως τον εξωπλανήτη που έχει κερδίσει την περισσότερη δημοσιότητα, κυρίως γιατί αποτελεί έναν πλανήτη με χαρακτηριστικά τροχιάς και μάζας πολύ κοντά στη Γη μας, τη στιγμή που το μητρικό του άστρο είναι επίσης όμοιο με τον Ήλιο μας.

Φυσικά και εδώ κυριαρχεί η συνήθης παραπληροφόρηση τόσο των επίσημων ΜΜΕ όσο και των ανεπίσημων (bloggers, χαζοσελίδες βασισμένες στο Facebook που εκλιπαρούν για ένα κλικ με θεματολογία "ό,τι να΄ναι"). Για τον εξωπλανήτη 452b λοιπόν γράφτηκε πως ανακαλύφθηκε η... δεύτερη Γη, κάτι που φυσικά είναι 100% ανακριβές αφού το μόνο που γνωρίζουμε είναι μια γενική ιδέα της μάζας του πλανήτη καθώς και την τροχιά του!

Για όσους ενδιαφέρονται να μάθουν από πρώτο χέρι για τις ανακαλύψεις του Kepler: kepler.nasa.gov

Αυτό σε καμία περίπτωση δεν μπορεί να αμαυρώσει τις ανακαλύψεις του Kepler, καθώς αυτές αποτελούν την πρώτη γραμμή πυρός των επιστημόνων, και με την βοήθεια άλλων τηλεσκοπίων, μπορούμε να μάθουμε πολλά περισσότερα για τους ανακαλυφθέντες πλανήτες στο μέλλον. Εκτός αυτού, το Kepler διέλυσε την πεποίθηση πολλών σχετικά με την "ανυπαρξία" άλλων πλανητών σαν την Γη, αφού με την ανάλυση των δεδομένων που είχαν γίνει το 2012, προέκυψε πως κατά μέσο όρο κάθε αστέρι έχει τουλάχιστον 1,6 πλανήτες σε τροχιά, άρα μόνον στον γαλαξία μας, θα πρέπει να υπάρχουν (τουλάχιστον) 160 δισεκατομμύρια πλανήτες, αριθμός που αρχές του 2013 αναθεωρήθηκε προς τα πάνω στα 400 δισεκατομμύρια! Από την ανάλυση των δεδομένων έχει ακόμη προκύψει πως στατιστικά στον Γαλαξία μας πρέπει να υπάρχουν τουλάχιστον 40 δισεκατομμύρια πλανήτες στην κατοικήσιμη ζώνη των άστρων τους.  Άλλες παράπλευρες  ανακαλύψεις του Kepler περιλαμβάνουν σύστημα με τέσσερα αστέρια (!),  ένα δυαδικό σύστημα αστεριών  με έναν κόκκινο και έναν λευκό "νάνο", καθώς και μια έκρηξη σουπερνόβα.

Προβλήματα

Το Kepler διαθέτει τέσσερις "τροχούς αντίδρασης". Χονδρικά πρόκειται για ένα μοτέρ ακριβείας συνδεδεμένο με ένα αντίβαρο που βοηθάει στο να περιστρέφεται το διαστημόπλοιο γύρω από τον άξονα του και να «κλειδώνει» στον στόχο του, χωρίς να ξοδεύει καύσιμα από τους προωθητήρες του (αφού η ηλεκτρική ενέργεια είναι απεριόριστη ενώ τα καύσιμα όχι). Στα μέσα του 2013 το Kepler έχασε τον δεύτερο από τους τέσσερις τροχούς αντίδρασης, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να σταθεροποιηθεί στο στόχο του. Η επισκευή του διαστημοπλοίου ήταν αδύνατη αφού η απόσταση του από τη Γη μας είναι τεράστια, οπότε προτάθηκε το σχέδιο K2 σύμφωνα με το οποίο το Kepler θα χρησιμοποιούσε τον προωθητήρες του και τους εναπομείναντες δύο τροχούς αντίδρασης προκειμένου να ανιχνεύσει εξωπλανήτες που θα περιστρέφονται γύρω από αμυδρότερους κόκκινους νάνους, καθώς η ακρίβεια μέτρησης του φωτός έχει πέσει από την αρχική τιμή των 300ppm στα μόλις 20~44ppm. Το σχέδιο Κ2 έχει ήδη περαιώσει τέσσερις αποστολές, και τα δεδομένα τους αναλύονται ήδη από τους επιστήμονες. Σε γενικές γραμμές, θα χρειαστούν πολλά ακόμη χρόνια για να αναλυθούν όλα τα δεδομένα της αποστολής.

Επίγονοι

Με το Kepler ουσιαστικά να έχει παροπλιστεί, οι υπεύθυνοι της NASΑ τοποθετήθηκαν ανοιχτά για το επόμενο διαστημόπλοιο που θα συνεχίσει τις έρευνες από εκεί που σταμάτησε το Kepler, χρησιμοποιώντας πιο ώριμες τεχνολογίες. Ο διάδοχος του Kepler ονομάζεται TESS, και θα εκτοξευθεί σε τροχιά το 2017. Το TESS θα διαθέτει τέσσερα ευρυγώνια τηλεσκόπια τα οποία θα σαρώνουν όλον τον ουρανό, ψάχνοντας για  εξωπλανήτες γύρω από τα πιο φωτεινά αστέρια. Το TESS θα περιστρέφεται μεν γύρω από τη γη (σε αντίθεση με το Kepler που περιστρέφεται σαν πλανήτης γύρω από τον Ήλιο), αλλά θα ακολουθεί μια ιδιαίτερα ελλειπτική τροχιά προκειμένου να αποφεύγει τις βαρυτικές επιδράσεις του φεγγαριού. Το TESS δείχνει να ακολουθεί την πολιτική του «μικρότερο, φθηνότερο, καλύτερο». Το κόστος του προγράμματος δεν υπερβαίνει τα 200 εκατομμύρια δολάρια, δηλαδή είναι τρεις φορές λιγότερο από αυτό του Kepler. Το TESS θα σαρώνει ένα κομμάτι του ουρανού 400 φορές περισσότερο από ότι σάρωνε το Kepler και θα μπορεί να εντοπίζει εξωπλανήτες σε πολύ πιο κοντινά ηλιακά συστήματα σε σχέση με το δικό μας.

Κληρονομιά

Η ανθρωπότητα παρά τον διαχωρισμό θρησκείας και επιστήμης (τουλάχιστον στον πολιτισμένο κόσμο), πάντα ήταν και παραμένει δύσπιστη όσον αφορά την θέση μας στο σύμπαν. Η τεχνολογία που είχαμε στα τέλη του περασμένου αιώνα, μπορεί να επιβεβαίωνε την ύπαρξη άπειρων αστεριών, όμως έως το 1995 δεν είχαμε μπορέσει να βρούμε ούτε έναν πλανήτη να περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι. Μέχρι το 2009 οι πλανήτες που είχαν ανακαλυφθεί με έμμεσο τρόπο δεν ξεπερνούσαν τους 100, και ήταν όλοι τους τεράστιοι αέρινοι γίγαντες, πλανήτες που δεν υπήρχε καμία πιθανότητα να περιέχουν ή να μπορούν να συντηρήσουν ζωή.

Το πρόγραμμα Kepler λοιπόν, όχι μόνο εκτόξευσε αυτόν τον αριθμό των ανακαλυφθέντων εξωπλανητών (αυτή τη στιγμή που μιλάμε έχουν ανακαλυφθεί πάνω από χίλιοι εξωπλανήτες), αλλά κυρίως, έχει ανακαλύψει πολλούς εξωπλανήτες στην κατοικήσιμη ζώνη, πλανήτες που πολύ πιθανόν να μπορούν να συντηρήσουν ζωή ή ακόμη καλύτερα, να συντηρούν ήδη κάποιου είδους ζωής ή και νοημοσύνη! Αυτές του οι ανακαλύψεις αποτελούν επίτευγμα ενώ δίνουν δυναμική στις μελλοντικές προσπάθειες εξερεύνησης του διαστήματος.

Το πρόγραμμα Kepler αποτέλεσε ένα μεγάλο στοίχημα για την NASA, καθώς το ρίσκο ήταν υψηλό, ενώ το κόστος του προγράμματος ήταν συγκρίσιμο με πολύ πιο «ασφαλείς» ως προς τα ευρήματα (και την γενική αποδοχή) αποστολές όπως αυτή του Mars Rover. Το ρίσκο εν τέλει άξιζε τον κόπο αφού αφενός ο πρωταρχικός στόχος επετεύχθη, ενώ πλέον γνωρίζουμε πολλά περισσότερα σχετικά με τον εντοπισμό εξωπλανητών. Οι υπεύθυνοι του επόμενου προγράμματος (TESS) έχουν δηλώσει πως το Kepler άνοιξε τον δρόμο στο «κυνήγι» εξωπλανητών, και πως πάνω στην εμπειρία που χτίστηκε σε αυτό, συνεχίζουν με το νέο πρόγραμμα που συν τοις άλλοι θα περιέχει αυτούσια διαδικασίες που βελτιστοποιήθηκαν στο πρόγραμμα Kepler, διαδικασίες για τις οποίες ξοδεύτηκαν εργατοώρες της τάξης των 100 ετών!

Επίλογος

Τόσο το Kepler όσο και ο διάδοχος του TESS είναι «ανιχνευτές» ή «κυνηγοί» πλανητών. Μπορούν με έμμεσες τεχνικές να εντοπίσουν μέγεθος και μάζα και μέσω αυτών να υπολογίσουν την πυκνότητα ενός πλανήτη, αλλά δεν έχουν την δυνατότητα να αναλύσουν το φως και να υπολογίσουν τη σύσταση της ατμόσφαιρας τους.  Επιπρόσθετα, οι ανακαλύψεις του Kepler έχουν γίνει σε μια γωνιά του Γαλαξία μας που είναι αρκετά μακρινή για να αναλυθεί ακόμη και στο μέλλον από τεράστια τηλεσκόπια.

Όλα αυτά πρόκειται να αλλάξουν στα επόμενα χρόνια. Με την εκτόξευση του TESS θα μπορέσουμε να εντοπίσουμε περισσότερους και κοντινότερους εξωπλανήτες τη στιγμή που έως τότε (ή λίγο αργότερα) θα υπάρχουν τηλεσκόπια είτε επίγεια (E-ELT) είτε σε τροχιά (James Webb Telescope) που θα μπορούν να συλλέξουν ασύλληπτα για τα σημερινά δεδομένα στοιχεία όσον αφορά την σύσταση της ατμόσφαιρας αυτών των πλανητών.

Χάρις το Keppler υπάρχει πλέον πίστη πως θα μπορέσουμε να ανακαλύψουμε νέους κόσμους σαν τον δικό μας, και πως εν τέλει δεν είμαστε μόνοι περιτριγυρισμένοι από αφιλόξενα για τη ζωή άστρα. Χάρις το Kepler γνωρίζουμε σήμερα πως η Γη δεν αποτελεί την εξαίρεση, αλλά κομμάτι του κανόνα.