Odkrivanje eksoplanetov

Dr. Marija Strojnik je znanstvenica, astrofizičarka; dela v Centru za optične raziskave na Univerzi v Leónu v Mehiki. Najprej je študirala fiziko v Ljubljani, nato je študij uspešno končala v Združenih državah Amerike. Željo, da postane astrofizičarka, je začutila, potem ko je videla pristanek človeka na Luni. Od takrat je zapisana fizikalnim raziskavam vesolja. Za svoj največji znanstveni dosežek je kot prva ženska prejela nagrado Georgea W. Goddarda.

Mednarodno društvo za optiko in fotoniko ji jo je podelilo leta 1996. Matematični algoritem, ki ga je odkrila, je ključen za delovanje navigacijskih sistemov na mobilnih telefonih. Prvotno so ga uporabljali predvsem na vesoljskih sondah, najprej v Nasini sondi Cassini-Huygens, ki je zagotovila ključne podatke o Saturnu, pozneje tudi na letalih in ladjah na Zemlji. Za rešitev tega znanstvenega problema so ji dali na voljo le dve leti, rešila ga je v letu in pol. Svetovna znanstvena javnost jo uvršča med 500 najpomembnejših znanstvenikov na svetu, je častna članica Ameriške optične zveze, Mednarodnega društva za optiko in fotoniko, članica Mehiške akademije znanosti in častna članica znanstvene organizacije Sigma Xi. Zadnje čase se ukvarja predvsem z odkrivanjem zunajosončnih planetov (eksoplanetov).

Obdobje odkrivanja eksoplanetov se je začelo leta 1995, ko so odkrili prvi eksoplanet, to je 51 Pegasi b, plinski velikan, podoben Jupitru. Odkritje je bilo tako pomembno, da je bila leta 2019 zanj podeljena Nobelova nagrada. Gospa Strojnik, zasnovali ste instrument z interferometrom, ki je sposoben zaznati obstoj planeta. Lahko razložite, kako s tem pripomočkom odkrijete eksoplanet?

Pri iskanju planetov zunaj našega Osončja je veliko tehničnih težav. Tudi bližnje zvezde so daleč. Teleskopi še niso dovolj tehnološko napredni, da bi nam omogočili videti podrobnosti na teh zvezdah ali v njihovi bližini.Zanimajo me planeti, ki so podobni Zemlji. Govorimo o daljnih planetih, ki so v tako imenovani življenje dopuščajoči razdalji od zvezde. To sta recimo Zemlja in Mars, katerih okoliške razmere so dokaj podobne. Na teh planetih je temperatura sprejemljiva za zemeljska bitja in različne vrste življenja. Planet ima že trdno skorjo. Iščem planete, primerne za kolonizacijo, in upam, da so še nenaseljeni.Instrument, ki sem ga razvila, je posebne vrste interferometer, ki zazna majhne razlike v signalu in jih poveča. Imenuje se po-kotu odvodni interferometer (Rotationally Shearing Inteferometer). Najde razliko med signaloma, ko spremenimo kot med žarkoma. Spremembo kota pa lahko ustvarimo v trenutku in takoj vidimo posledice. Newton, ki je vpeljal moderne zamisli o eksperimentalnih metodah, bi bil zadovoljen z mano!

Moj instrument ima tri prednosti v primerjavi s tradicionalnimi metodami, ki so spektroskopska metoda, metoda prehoda in kronografska metoda. Interferometer poveča kontrast šibkega signala, ki pride od planeta, in ga predstavi kot črne in bele pasove svetlobe. Če planeta ni, moj instrument ne zazna nobenih pasov. Če zazna signal, za katerega se ne moremo odločiti, ali je signal ali optični šum, lahko kontrast povečamo s spremembo kota prizme Dove, to se v prisotnosti planeta izraža kot sprememba števila in kota pasov. Če planeta ni, se šibki signal ne spremeni.Instrument, ki ga razvijam, še ni kandidat za vključitev v observatorij. Razviti moram inženirski model, ki bo dovolj trden (robusten), da ga bo mogoče v zemeljskem observatoriju vključiti v teleskop. Nato bomo lahko potrdili nekatere splošno priznane planete in videli še kakšnega, ki se je doslej skrival.

Keplerjev teleskop “išče” eksoplanete tako, da “opazuje” zvezde drugo za drugo, sto tisoč ali več hkrati. Pri iskanju planetov si pomagamo z računalniškim algoritmom. Ugotovili so, da je dokaj nenatančen in da “zgreši” veliko eksoplanetov. Če bi hoteli popraviti to napako, bi potrebovali več sto znanstvenih navdušencev, ki niso nujno strokovnjaki za vesolje. Če imajo ti navdušenci pravo orodje in prave podatke, najdejo tisto, kar matematični algoritem “zgreši”.
Kakšno je vaše mnenje o takih poskusih odkritij s tako imenovano občansko znanostjo (ang. citizen science)?

Keplerjev teleskop je imel nalogo, da vedno gleda iste zvezde v Rimski cesti in meri, kako se njihova vidna svetloba s časom spreminja. Deloval je po metodi prehoda. Vid nestrokovnjakov naj se uporabi, da obogati njihovo življenje. Če mlade ljudi te vrste analize zanimajo, naj jim bodo merjenja dosegljiva, saj izboljšanje algoritmov in računalništva prispeva k splošni digitalni socializaciji prebivalstva.

Teleskop Jamesa Webba (JWST) bo imel 50-krat večje ogledalo kot njegov predhodnik. Z njim bomo veliko laže ugotovili velikost planeta in opazili zapletene podrobnosti na planetovi površini. Njegove zmožnosti so precej večje od zmožnosti Spitzerjevega teleskopa, ki je bil pri iskanju eksoplanetov doslej najuspešnejši. Z izstrelitvijo Webbovega teleskopa v vesolje odlašajo že dve leti. Tudi lansko leto zaradi pandemije ni bilo ugodno za izstrelitev. Kaj pomeni uspešna izstrelitev za iskanje eksoplanetov v prihodnje?

Observatorij JWST je občutljiv v spektru valovnih dolžin od približno oranžno rdeče (0,6 mikrometra) do rdeče in infrardeče, IR (29 mikrometrov). Besedo observatorij uporabljam za teleskop, vanj je vključenih več instrumentov, to so spektrometri, fotometri, radiometri, kamere, interferometri, koronarografi in podobno. V IR-spektru, približno 10 mikrometrov, bomo lahko zasledili prisotnost planeta zaradi njegovega lastnega sevanja. Tudi mali Spitzerjev teleskop, predhodnik JWST, je bil občut ljiv za ta spektralni interval.

JWST bo za iskanje planetov uporabil predvsem metodo premika. Spremenljivo svetlobo bosta merila dva spektrometra. Teleskop ima kameri, ki delujeta kot fotografska aparata za IR-svetlobo. Opremljeni sta s preprostim koronarografom. Ta metoda za iskanje planetov je doslej še nepreizkušena, ima pa to prednost, da je neposredna. JWST ima zaradi premera primarnega zrcala (6,5 metra) sposobnost zbrati svetlobo od šibkejših IR-virov, bolj oddaljenih od Zemlje in tudi bolj oddaljenih v času, kot je to zmogel Spitzerjev IR-teleskop. JWST bo za IR-astronomijo tako zelo pomemben, kot je bil Hubblov teleskop za astronomijo v vidni svetlobi.