Er der nogen derude?

NASA's Kepler Mission planlagt opsendt 5. marts for at søge svar på et spørgsmål, der er lige så gammelt som menneskets historie, ved at jagte planeter.

Michael Mecham

Det vil være et af de teknisk mest komplekse rumfartøjer NASA nogensinde har opsendt, men dets mission er temmelig lige ud af landevejen – at lede efter Jord-lignende planeter der kredser om 100.000 Sol-lignende stjerner dybt inde i Mælkevejen – uden at blinke.

Missionen er navngivet efter Johannes Kepler, matematiker og astronom fra det 17. århundrede som først beskrev lovene for planeters bevægelse og planlægges opsendt om natten den 5. marts på en United Launch Alliance Delta II 7925-10L fra Cape Canaveral.

Kepler rumfartøjet, som er bygget af Ball Aerospace, vil blive sendt ind i et kredsløb om Solen, så det bevæger sig bag Jorden i en afstand af en tiendedel af en astronomisk enhed, eller omkring 9 millioner miles. På den afstand vil Jorden ikke skygge for nogen af dets målstjerner og rumfartøjet vil undgå forstyrrelser fra planetens tyngdefelt. Keplers følsomhed er på højde med Hubble Space Telescope, men dets teleskops synsfelt er i sin egen klasse – mere end 30.000 gange større end Hubbles.

Missionens stjernefelt er i Svanen-Lyren området af Mælkevejen og godt nord for ekliptikas plan. Det udelukker faren for falsk sollys, mens satelliten udfører et 373 dages kredsløb om Solen. Som forberedelse til missionen har astronomer på fire vigtige observatorier arbejdet med den ledende forsker på missionen, William Borucki fra NASA Ames Research Center, for at indsnævre eftersøgningsområdet til omkring 100.000 ”hovedserie” - Sol lignende – stjerner i et felt på 4,3 millioner indenfor Keplers synsfelt. Stjernernes afstand varierer fra 30 til 1.000 lysår.

Fremskridt i teknologien har bragt klare vidnesbyrd om tre typer planeter – exoplaneter – udenfor Solsystemet. De fleste er gasgiganter, varme Jupiter lignende planeter, men der er også frosne isgiganter og ”super” Jorde, der kan være op til 10 gange Jordens størrelse men med tilsvarende højere tyngdefelter.

Keplers præmie vil være at finde planeter på størrelse med Jorden, måske halvt så store op til dobbelt så store, der kredser i ”beboelige zoner” som kan opretholde liv. ”Skønt Kepler ikke vil finde E.T., håber vi den finder E.T.'s hjem,” siger Borucki.

Det kan være meget forlangt. Planeter er typisk mindre end en milliontedel så lyse som deres ophavsstjerne. Men idet de passerer forbi, forårsager de en svag dæmpning – et ”blink” - i stjernens lysstyrke. Det er det, de 35 forskere på Kepler holdet vil lede efter.

For at bekræfte en opdagelse vil holdet skulle observere en planet passere stjernen mindst tre gange, som hver kan tage op til et år. Det dikterer en levetid for missionen på 3,5 år. Kepler har tilstrækkeligt brændstof til justeringer af sin position til seks år, siger han.

Bekræftelse af en planet kræver tålmodighed og dobbeltcheck. For det første er det muligt at fejltolke en solplet som en planet; vor Sol har pletter så store som Jorden. Efter tegn fra Kepler vil jordbundne observatorier hjælpe med den opgave, ligesom Hubble Space Telescope og andre kredsende observatorier.

Givet vanskelighederne med detektering af planeter på Jordens størrelse og antagelse af passager en gang årligt forventer forskerne, at detektere omkring 50 i missionens nominelle tidsrum, hvis man antager, at de har omtrent samme radius som Jorden. Jagtens udsigter forbedres for større planeter. Matematikken viser, at op til 640 er sandsynlige med radius 2,2 gange Jordens.

Jordens atmosfære har gjort det umuligt at opnå en direkte, visuel observation af en exoplanet. I stedet har astronomer oftest udledt deres tilstedeværelse gennem observationer af deres radialhastighed (eller Doppler), som måler den vaklen en kredsende planet påfører sin værtsstjerne. Antallet af exoplaneter har nået 340 siden den første blev opdaget i 1995; de fleste ved jordobservationer men nogle få fra rumfartøjer, inkluderende Hubble og Corot, fra det franske rumagentur CNES, som udfører studier i stjerneseismologi, men også har detekteret planeter.

Ud af de over 300 fundne er kun omkring 20 nær Jordens størrelse. Ingen er i beboelige zoner. Corots nyeste opdagelse er den mindste og meget spændende. Dens overflade er meget varm – 1.000 – 1.500C – og sandsynligvis dækket af flydende lava. Men den kan også indeholde super-opvarmet vand.

Corot har et 27 cm. - diameter afokalt fotometer koblet til et kamera, der bruger 4 CCD. Dets synsfelt tager op til 12.000 stjerner ind. Dets missionprofil kræver periodisk skift af mål, så den længste tid det kigger på et enkelt stjernefelt er omkring 150 dage.

Kepler vil bruge den samme pasageteknik som Corot – observere og præcist måle planetblink – men den vil ikke skifte mål. ”Det er en gigantisk camcorder i rummet, der ser på en gruppe stjerner og konstant sender billeder tilbage,” siger Borucki.

Borucki var fortaler for missionen i 25 år, men den skred ikke frem før fotometrisk teknik indhentede hans vision. Projektet modtog finansiering i 2001 som den tiende mission i NASA's Discovery Serie. Totale omkostninger er 591 millioner dollars.

Keplers fotometer bruger en almindelig Schmidt teleskopkonstruktion, men dens størrelse og detektionsevner er hinsides alt, hvad der hidtil er sendt op. Den kan detektere ændringer i lysstyrke på blot 20 dele af en million.

”Det er fænomenalt vanskeligt,” siger Kepler Program Manager James Fanson fra Jet Propulsion Laboratory. Fanson burde vide det – han er veteran fra Hubble reparationsmissionen i 1993 og han ledede konstruktionsholdet for det infrarøde Spitzer Space Telescope ud over at arbejde på ultraviolet Galaxy Evolution Explorer (Galex) missionen.

Teleskopet har en 0,95 meter åbning og et meget bredt 105 graders synsfelt. Det kan man forestille sig som ens knytnæve i strakt arm. ”Sammenlignet med det er Hubble som at kigge gennem et sugerør,” siger John Troeltzsch, Ball Aerospace's Kepler program manager.

Teleskopets 1,4 meter primære spejl har en ryg af bikagemateriale for at spare vægt. Spejlet holdes af stivere, som isolerer dets belastning under starten. Den 3 tommer tykke linse er sikret mod vibrationer under opsendelsen af 12 titaniumplader langs omkredsen, som er bundet til en komposit strukturring på toppen af teleskopet.

Rumfartøjets fokalplan er en kvadratfod af silicium anbragt i et apparatur på 1,5 kubikfod. Inde i det rum er der 20.000 komponenter, mest elektronik, på bagsiden af CCD'erne.

”Det er den mest komplekse 1,5 kubikfod rumflyvningshardware Ball nogensinde har bygget,” siger Fanson.

Fotometeret bruger 42 CCD'er med 2200 x 1024 pixels hver, som giver Kepler en total på 95 Megapixels – 95 millioner pixels. Til sammenligning har Hubbles store stjerne, dets Wide Field & Planetary Camera 2, fire CCD'er med 640.000 pixels.

”Ingen har nogensinde bygget et 95 megapixel kamera,” siger Troeltzsch. ”Fysikken er en interessant ting. Man tror, man forstår alt og så begynder man at sætte det sammen” og opdager at det gør man ikke. Loddetin i de elektriske forbindelser, titanium-glas bindingsegenskaber, komponenters følsomhed for stråling – alt gav overraskelser.

Kepler blev konstrueret på en computer og indebar konstant vekselvirkning mellem 15 store leverandører. På Ball inkluderede kerneholdet 70 folk, men omkring 2.100 lagde 100 timer eller mere i løbet af den syv års skabelsesproces. En total på 1,3 millioner arbejdstimer blev brugt.

Udfordringer i konstruktionen omfattede at holde CCD'erne på -85C, når de arbejdede kun få tommer væk fra elektronikken på 30C. CCD'erne køles passivt af varmerør der ventileres til rummet.

Kepler ligner et gigantisk rør. Den er 5 meter høj og 3 meter i diameter, hvilket kun giver en frigang på 3 tommer inde i Deltaens skjold. Teleskopet monteres lodret på en sekskantet forbindelse. Fotometeret er placeret i den anden ende, under en skrå solskærm. Et fast solpanel folder sig halvvejs omkring teleskopet og virker som solskærm. En krum CCD radiator er på den anden side. En antenne med høj forstærkning, den første i Ka-båndet, er i bunden.

Med 13 kg hydrazin til positionering vil Kepler veje 1.200 kg ved opsendelsen, inklusive dens 500 kg fotometer.

For at opnå pegning langs sigtelinien i Hubble-klasse er fire CCD'er i fokalplanets hjørner dedikeret til at observere styrestjerner. Enhver drift korrigeres indenfor 9 millibuesekunder i løbet af 15 min. Systemet regner 10 gange i sekundet og giver de nøjagtige pegekorrektioner fra Keplers reaktionskontrolhjul.

Hvert 6. sekund udlæses kameraets detektor til måling af fotoelektroner. Hver fotoelektron skal tælles for at opnå den eksakte måling af dens lysstyrke, givet at planeterne vil være så svage mod det strålende lys fra deres værtsstjerne. Hvert 30. minut integreres disse udlæsninger til en enkelt måling. Data opbevares i en faststofoptager med 63 Gigabyte kapacitet og dumpes hver 31 dage. Disse transmissioner er de eneste tidspunkter, hvor Kepler forlader sin udsigtspost. Bagefter justeres teleskopet nøjagtigt på plads i sit stjernefelt.

”Dette er den mest spændende mission, jeg nogensinde har arbejdet på,” siger Fanson. ”Om vi finder masser af Jord lignende planeter eller vi ikke finder nogen vil være lige dybt og lige vigtigt. Græske filosoffer – Epikur – spekulerede på, at der måtte være andre beboelige verdener. Så spørgsmålet er kommet ned gennem hundreder af generationer i menneskets historie. Endelig kan vi besvare det.”