Bevezetés
A Kepler a NASA Discovery osztályú missziója, melyet 2009 márciusában indítottak útjára. A küldetés célja, hogy Föld méretű bolygókat találjon a lakhatósági zónában tranzit módszerrel, és azok gyakoriságát vizsgálja. A 95 cm-es Schmidt-távcső Föld-követő pályáról rögzített, 105 négyzetfokos területet monitoroz folyamatosan, akár 6 éven keresztül. A pálya eddig elérhetetlen fotometriai pontosságot és stabilitást garantál. A bolygókeresést asztroszeizmológiai vizsgálatok egészítik ki, melyek segítségével a csillagokról és bolygórendszereikről is többet megtudhatunk. A Keplerhez számtalan egyéb asztrofizikai vizsgálat kötődik, melyek mindegyike a korábban elképzelhetetlen pontosságú fotometriai adatok vizsgálatára épül. A misszó Johannes Keplerről (1571-1630), a híres matematikusról és csillagászról kapta a nevét, aki a bolygómozgások róla elnevezett törvényeit dolgozta ki. A Kepler eredményei egy lépéssel közelebb visznek annak a filozófiai kérdésnek a megválaszolásához, hogy egyedül vagyunk-e az Univerzumban?
Történet
A Kepler-misszió története több mint 25 évre nyúlik vissza. Rosenblatt (1971) egy cikkében kvantitatív leírást adott arról, hogy a tranzit módszerrel hogyan lehet exobolygók méretét és keringési periódusát meghatározni. Egy másik dolgozatban Borucki és Summers (1984) korrigálták a detektálás valószínűségét, és kimutatták, hogy legalább 13000 csillag földfelszínről történő szimultán megfigyelése elégséges a Jupiter méretű bolygók felfedezéséhez, de a Föld méretű planéták detektálásához elengedhetetlen a légkörön kívülre helyezett teleszkóp. A nyolcvanas években a NASA egy szilícium-fotodiódákon alapuló többcsatornás fotométer fejlesztését és tesztelését szorgalmazta. Később a tervet módosították, a diódákat töltéscsatolt eszközökre (CCDk-re) cserélték. A Kepler elődjét, amit ekkor még FRESIP-nek hívtak (FRequency of Earth-Size Inner Planets: Föld méretű, belső bolygók gyakorisága) 1992-ben javasolták először a NASA-nak. A kilencvenes évek folyamán számos pályázatot utasítottak el; a csoportnak először demonstrálnia kellett, hogy nagyszámú csillag szimultán, nagy pontosságú földi, majd űrbeli fotometriája is megvalósítható. Ennek érdekében megépítettek egy fotométert, mely a Lick Obszervatórium egy használaton kívüli kupolájába került, és távolról működtették. Végül a NASA 2001-ben fogadta el a Kepler koncepcióját. Részletesebb összefoglaló itt érhető el a Kepler-misszió történetéről William Borucki, a Kepler-misszió vezetőjének tollából.
A teleszkóp
A Kepler egy 95 cm apertúrájú Schmidt-távcső, 1,4 m átmérőjű főtükörrel. Széles, 105 négyzetfokos (12 fok átmérőjű) látómezeje lehetővé teszi több mint 150000 csillag folyamatos és szimultán megfigyelését minimum 3,5 évig. A műszer legalább 6 esztendeig képes működni, így lehetséges, hogy meghosszabbítják a misszió élettartamát, hogy a csillaguktól távolabb keringő és kisebb bolygókat is találjanak. A berendezés lelke a fókuszfelületre illeszkedő detektorrendszer, mely 42 CCD-t (töltéscsatolt eszközt) tartalmaz, jellegzetes, kereszt alakú elrendezésben. Minden CCD 2200x1024 pixelből áll, és a telítődés kivédésére 6 másodpercenként történik a kiolvasás. A műszer fehér fényben érzékeny, vagyis a spektrum látható tartományát fedi le. A fotométer nem készít képeket, csak előre kiválasztott célpontokhoz tartozó pixelekadatokat tárolnak, és töltenek le. Ez az összes pixelszám mintegy 5%-a. Azonban technikai okokból havonta egyszer letöltik az összes pixel alkotta képet, ezt full frame image-nek (FFI) nevezik. A csillagok képe szándékosan defokuszált, ami javítja a fotometriai pontosságot.
A Kepler pályája
A jó hatásfokú bolygótranzit-detektáláshoz elengedhetetlen, hogy folyamatosan monitorozzuk a kiválasztott mezőt, ehhez pedig szükséges, hogy a látómező az eklipitka síkjától távol legyen, így a Nap és a Hold nem takarja el azt időről időre. A Kepler-mező ezeknek a feltételeknek megfelel, és a galaktikus síkhoz is közel fekszik, ennélfogva a csillagsűrűség is kellően magas. A Nap-Föld-Hold elkerülésének együttes kritériumát teljesítő optimális pályának egy ún. Föld-követő, 372,5 napos keringési periódusú Nap körüli pálya bizonyult. Ezen a pályán az űreszköz lassan eltávolodik a Földtől, és mintegy fél csillagászati egység távolságra jut a negyedik év végére. Ennek megfelelően az adatátvitelre fordítható sávszélesség is fokozatosan csökken. A napelemtáblák folyamatos megvilágításának érdekében a távcső 90 fokos fordulatot hajt végre a tengelye körül minden negyedévben. A CCD-k elhelyezkedése folytán a látómező változatlan marad, de a célpontok más és más pixelekre és eltérő detektorra esnek. A Q0 a 10 napos üzembehelyezési periódust jelenti, a Q1 33 napig tartott, és Q2 volt a Kepler működésének első teljes negyedéve.
Illusztráció: NASA
A Kepler-mező és a célpontok
A műszer képes 4-szigma biztonsággal észlelni egy Föld méretű bolygó tranzitját egy mV=12 G2V (Nap típusú) csillag előtt, 6,5 órás integrációval számolva. A bolygótalálat maximalizálása egy, a galaktikus fősíktól néhány fokra eső terület kiválasztásához vezetett. Ez a csillagmező a Hattyú és a Lant csillagképek határán helyezkedik el, érintve a Sárkány csillagképet is. A Kepler indítása előtt három ismert exobolygó volt a területen: a TReS-2, a HAT-P-7b és HAT-P-11b. Érdemes megemlíteni, hogy 4 nyílthalmaz is van a mezőben, ezek: az NGC 6819, az NGC 6811, az idős NGC 6791 és az NGC 6866, amely a legfiatalabb a négy közül. A korai Kepler-adatok elemzése 1879 fedési kettőscsillag felfedezését eredményezte.
Fotó: Carter Roberts
A 105 négyzetfokos terület elég nagy ahhoz, hogy sok Nap-szerű csillagot tartalmazzon, ugyanakkor a csillagok összelógása (blending) ne okozzon kezelhetetlen problémákat. A 150000 fő célpont fényessége 9 és 16 magnitúdó közé esik, de a műszer akár 20 magnitúdós csillagokat is kellő pontosággal képes észlelni. Bár a 7 magnitúdó körüli csillagok fénye már erőteljesen szaturálódik (szétfolyik), ez esetben sem lehetetlen az extrém pontos fényességmérés, minthogy a fluxus nagy pontossággal megőrződik. A csillagok képe 4 ívmásodperc nagyságúra defokuszált a fotometria pontosság növelése érdekében. Az expozíciós idő 6 másodperc, de 30 percnyi mérést átlagolnak (long cadence, LC) mielőtt az adatokat havi rendszerességgel letöltik. Azonban a célpontok kis részénél sokkal gyakoribb mintavételre is lehetőség van, így ezen short cadence (SC) célpontok fénygörbéje 1 perces átlagolású.
A K2 küldetés
A Kepler-űrtávcső az eddigi leghatékonyabb exobolygó-kereső eszköz: majdnem 5000 bolygójelöltet fedezett fel, ebből 1000-nél is többet erősítettek már meg. Az űrtávcső révén nyílt lehetőség először statisztikailag is értékelhető mintán megvizsgálni, hogy milyen gyakoriak a távoli csillagok körül keringő bolygók, bolygórendszerek.
A NASA eredeti programjának két lendkerék meghibásodása vetett véget, ami lehetetlenné tette az addig folyamatosan megfigyelt terület további monitorozását. A megszakításmentes megfigyelés a nominális küldetés során azért volt lényeges, mert a Kepler a bolygók okozta parányi fényességváltozásokat kereste a csillagok fényének extrém pontos mérése révén, s egy-egy fedés legfeljebb néhány órán keresztül tart. Ironikus módon, a pozíciótartás hibája nem vetett véget a felfedezéseknek, hanem egy új tudományos program kidolgozását tette lehetővé.
Mivel egy lendkrerék csak egyetlen tengely mentén képes stabilizálni az űrtávcsövet, a megfelelően működő maradék két ilyen eszköz kevés lenne az eddigi pontosság megtartásához. A kutatók a Nap sugárnyomását azonban egy harmadik lendkerékként tudják kihasználni, ha éppen megfelelő irányba fordítják a Keplert. 2014 elején egy sikeres tesztidőszak során sikerült az eredeti pontosság felét elérni, az új, K2-nek nevezett program pedig 2014 nyarán el is indult.
Illusztráció: NASA Ames/W. Stenzel
Az új küldetés során az űrtávcső az ekliptika síkjában végez megfigyeléseket. Egy-egy égterületet 80-90 napig figyel meg, vagyis évente 4-5 különböző megfigyelési kampányra kerül sor. Ennek következtében a legkülönfélébb, érdekesebbnél érdekesebb objektumok kerülnek a Kepler CCD-i elé, mint például a Plejádok, a Neptunusz, a Siding Spring üstökös vagy éppen az aszteroidaöv és a Kuiper-öv kisbolygói. A tervezett látómezőkben szerepel továbbá például az Uránusz, a Mars és a Föld is; egyik kampányt pedig szinte kizárólagosan a gravitációs mikrolencsézésnek fogják szentelni.
2014 decemberében bebizonyította az űrtávcső, hogy a módosított küldetése során is képes exobolygók kimutatására: egy tőlünk 180 fényév távolságban lévő, 9 napos keringési idejű szuperföldet fedezett fel. Két hónap elteltével pedig már az első több bolygós rendszerét is megtalálta: három, a Földnél kissé nagyobb bolygót egy 150 fényévre lévő csillag körül, amelyek közül a külső a lakhatósági zónában található.
A K2 segítségével az MTA CSFK kutatói Szabó Róbert vezetésével azt vizsgálták, milyen hatással vannak a fotometriai pontosságra az űrtávcső látómezejében elhaladó kisbolygók. Ezeknek az objektumoknak a zavaró fényét is hasznosítani tudták a hazai kutatók: több kisbolygó méretét és forgási periódusidejét is sikerült meghatározniuk.
Az űrtávcső új adatai az asztroszeizmológia vagyis a csillagok belső pulzációinak tanulmányozása terén is sok érdekességgel szolgálnak. Molnár László és munkatársai extragalaktikus változócsillagokat vizsgáltak a Keplerrel. Ezek közül is különös hangsúlyt fektettek az RR Lyrae-típusú változócsillagokra. Ezen csillagok egyszerre mutatnak kváziperiodikus amplitúdó- és frekvenciamodulációt (Blazskó-moduláció), amelynek oka száz éve megoldatlan rejtély. A kutatóknak először sikerült Magellán-felhőn túli RR Lyrae Blazskó-periódusát kimérni.
Start és fontosabb dátumok
Fotó: NASA/Kim Shiflett
- 2009. március 7.: Indítás Cape Canaveralról Delta-II-es hordozórakétával
- 2009. április 8.: Első észlelések
- 2009. május 12.: Tudományos célú vizsgálatok kezdete
- 2009. augusztus: Az első eredmények korábban ismert exobolxgókról és a Kepler teljesítményéről
- 2010. január: Az első exobolygó felfedezése
- 2010. június: 306 fedésibolygó-jelölt bejelentése
- 2010. augusztus: Az eslő többszörös fedési rendszer felfedezése (Kepler-9b és -9c)
- 2011. január: A Kepler felfedezi az első kőzetbolygót (Kepler-10b)
- 2011. február: A Kepler-11b-g felfedezése: az első rendszer, amely 6 fedési bolygót tartalmaz
- 2011. február: 1235 bolygójelölt közzététele
- 2011. december: Az első Kepler Tudományos Konferencia
- 2012. február: A bolygójelöltek száma 2321-re emelkedik
- 2012. április: A Keplert 4 évvel meghosszabbították
- 2012. november: A kiterjesztett Kepler-misszió kezdete
A Kepler működése
A program működtetését és igazgatását több szervezett végzi összehangoltan. Ebben vezető szerepet játszik a NASA Ames Kutatóközpontja (Moffett Field, Kalifornia), ezenkívül a Légkör- és Űrfizikai Laboratórium (LASP), a Ball Aerospace & Technologies Corp., a NASA Sugárhajtómű Laboratóriuma (JPL) és az Űrteleszkóp Tudományos Intézet (Space Telescope Science Institute, STScI). A telekommunikációt és a navigációt a NASA hálózata (Deep Space Network) biztosítja.
A Kepler három különböző kutatói körnek végez megfigyeléseket:
(1) 150000 Nap-típusú, fősorozati csillag körül folyik a bolygókeresés. A nyers adatok redukálását és a további adatfeldolgozást a Kepler Science Office végzi. A bolygókeresés, a jelöltek rangsorolása, a megerősítő észlelések és az adatok értelmezése a Kepler Science Team és meghívott munkatársak kizárólagos feladata.
(2) A Kepler Asztroszeizmológiai Tudományos Konzorcium (KASC) mintegy 6000 csillag pulzációját és oszcillációit vizsgálja. A szeizmológiai eredmények a bolygókutatást is segítik, hiszen pontos tömeg-, sugár- és koradatot szolgáltatnak a bolygók gazdacsillagairól. A pulzáló változócsillagok minden típusának képviselői szerepelnek a KASC listáján, ezek mindegyikéről eddig elérhetetlen pontosságú és folyamatos adatokat szállít a Kepler-űrtávcső.
(3) A Kepler Guest Observer programon (GO) keresztül mindenki pályázhat Kepler-megfigyelésekre évente egyszer. Mindenféle célpont megfigyelésére van lehetőség, (pl. fedési kettősök, aktív csillagok, kataklizmikus változók, aktív galaxismagok stb.), az exobolygókat kivéve. A Guest Observer programra 3000 long-cadence és 25 short-cadence célpontot biztosítanak.
Kepler-eredmények
HAT-P-7b
Illusztráció: NASA
Röviddel a tudományos program kezdete után a Kepler a korábban felfedezett HAT-P-7b exobolygón demonstrálta teljesítőképességét. Nemcsak a másodlagos feédseket fedezte fel (amikor a bolygó a csillag mögé kerül), hanem a rendszer lassan változó kicsiny fényváltozását is kimutatta, ami a forró Jupiter típusú bolygó fázisváltozásának tulajdonítható. A jelenség hasonló a Naprendszer belső bolygóinak (Merkúr és Vénusz) fázisváltozásához. A megfigyelés bizonyította, hogy a Kepler elérte a Föld-méretű bolygók tranzitjának kimutatásához szükséges pontosságot.
Az első öt Kepler-exobolygó
Illusztráció: NASA
Az első 43 nap megfigyelési adatainak vizsgálata 5 új Kepler-exobolygó felfedezéséhez vezetett, ezek: Kepler-4b, -5b, -6b, -7b és -8b. A keringési periódusaik rövidek, 3,2 és 4,9 nap közé esnek. Négy közülük forró Jupiter, míg a Kepler-4b a Neptunuszhoz hasonló. Felszíni hőmérsékletük 1500-2000 K közé esik.
Kepler-9: az első többszörös fedési bolygórendszer
Illusztráció: NASA
A Kepler-9 az elsőként felfedezett olyan exobolygórendszer, ahol egynél több bolygó is elfedi a központi csillag korongjának egy részét. A Kepler-9b and -9c jelű bolygók Szaturnusz-méretűek, keringési periódusuk 19 és 38 nap. Az 1:2 arányú rezonancia erős kölcsönös gravitációs kölcsönhatást jelent a két bolygóra nézve, és megerősíti, hogy a két égitest valóban ugyanazon csillag körül kering. Ezenfelül a rezonancia hatását felhasználva a bolygók tömegét is kiszámíthatjuk, anélkül, hogy földi spektroszkópiai méréseket kellene igénybe vennünk. A rendszerben egy további forró szuperföldet (Kepler-9d) is találtak, melynek keringési periódusa 1,6 nap, sugara pedig másfélszerese a Földének.
A Kepler első kőzetbolygója: a Kepler-10b
Illusztráció: NASA
A Kepler-10b a legkisebb kőzetbolygó volt felfedezésekor. Mérete 1,4-szerese bolygónkénak, tömege 4,6 Föld-tömeg. Átlagos sűrűsége 8,8 g/cm3, ami a tiszta vasnak felel meg. A planéta szülőcsillaga idős, alacsony aktivitást mutató Nap-szerű csillag. A keringési periódus mindössze 20 óra, ennek megfelelően a bolygó becsült felszíni hőmérséklete 1800 K, emiatt szilárd felszín helyett lávaóceán boríthatja a bolygót.
Az első hat fedési bolygót tartalmazó rendszer: a Kepler-11
Illusztráció: NASA
A figyelemre méltó Kepler-11 rendszer 6 fedési exobolygót tartalmaz. Mindegyik szuper-Föld méretű: 2,0-4,5 Föld-sugarú. A bolygórendszer dinamikai értelemben telített (a stabilitás veszélyeztetése nélkül nem lehetnének közelebb a bolygók) és meglepően lapos (azaz közel egy síkban keringenek az égitestek). A belső öt planéta a Vénusz pályáján belül mozogna, ha a Naprendszerbe helyeznénk őket. Keringési periódusuk 10 és 47 nap közé esik, míg a hatodik bolygó (Kepler-11g) 118 napos periódusú. A felfedezés fontos információkkal szolgál a bolygórendszerek kialakulásával, fejlődésével és dinamikájával kapcsolatban.
1235 bolygójelölt
Illusztráció: NASA
2011. február 2-án a NASA egy lélegzetelállító, 1235 bolygójelöltből álló listát tett közzé. A lista elérhető a MAST adatbázisban. Egyes becslések alapján a jelöltek akár 50-80%-a is valódi bolygónak bizonyulhat. A talált rendszerek között 170 több bolygót tartalmaz, 68 Föld méretű planéta (néhányuk még kisebb, Mars méretű is van köztük), 54 kering a lakhatósági zónában, ami azt jelenti, hogy akár folyékony víz is lehet a felszínükön. Öt Föld méretű bolygójelölt kering a központi csillaga által kijelölt lakhatósági zónában. Ezek a csillagok kisebbek és halványabbak Napunknál. A mai csillagászat Szent Gráljait, a Nap-szerű csillagok körül, a Földhöz hasonló pályán keringő, Föld méretű bolygókat a Kepler-program később, több fedés megfigyelésével fogja felfedezni. Ez az öt objektum kiemelkedően érdekes, mert ezek potenciálisan alkalmasak lehetnek az élet hordozására. Az alábbi ábrán a bolygójelöltek mérete látható a keringési periódusuk függvényében.