Aktiv fysik C

F YSIKKENS VERDENSBILLEDE

215

3.11 Kepler-22b

Kepler-69c

Kepler-452b

Exoplaneter – er vi alene i Universet?

Er vi alene i Universet? Med fundet af planeter uden for vores eget Sol­system er dette ældgamle spørgsmål mere relevant end nogensinde.

Forskere mener, at der statistisk bør være mere end 10 milliarder planeter,

Kepler-62f

der er værd at se nærmere på alene i vores egen galakse: Mælkevejen.

Vi har i dag fundet et par tusinde planeter, der kredser omkring andre stjerner end Solen – såkaldte exoplaneter. Stadig flere kommer til, og

Kepler-186f

vi finder mere og mere jordlignende planeter. Men hvordan undersøger man planeter om stjerner, der er mange lysår væk? Og er vi kommet

Jorden

Opslag i ”Fysikken bag”: • Dopplereffekt • Keplers love

tættere på spørgsmålet: Er vi alene i Universet?

Hvordan finder man en exoplanet?

Selv de bedste rumteleskoper kan ikke bruges til at studere planeter uden for vores eget solsystem. Det kræver teleskoper, der er en million gange bedre end dem, vi har i dag! Alligevel er det faktisk lykkedes at tage et billede af exoplaneter, som det ses på figur 3.73. Jagten efter jordlignende exoplaneter foregår dog først og fremmest ved at benytte indirekte måder at registrere deres tilstedeværelse omkring en stjerne på.

Astrometri-metoden

Fig. 3.73 Billede af tre af fire exo­ planeter (markeret med c, d og e) som kredser om stjernen HR 8799 i en afstand på 129 lysår fra Jorden.

Den inderste planet (b) kan ikke ses på billedet. Selve stjernen er blokeret med et sort felt, da den ellers vil overstråle refleksionen fra exoplaneterne. Billedet er taget fra et teleskop med en diameter på 8,1 m placeret i 4 km højde i Chile.

Når en planet kredser om sin stjerne, medfører det små ændringer i stjernens position under omløbet, som det ses på figur 3.74. Det er en effekt, man kan observere også i vores eget Solsystem, hvor eksempelvis Jorden og Månen laver en tilsvarende bevægelse i forbindelse med Månens omløb om Jorden. Man kan således se en stjerne ’rokke’ frem og tilbage på himlen (figur 3.74). Jo tungere planeten er i forhold til stjernen, jo større kraft vil den påvirke stjernen med, og jo mere vil stjernen rokke.

For at få øje på bevægelsen, kræver det, at man overvåger stjernens position med en ekstrem høj præcision. Jordens bevægelse om Solen får den til at rokke med omkring 450 km i løbet et år. Da stjernerne er mange lysår væk, svarer det til at skulle måle tykkelsen af et hår på én kilometers afstand.

216

F YSIKKENS VERDENSBILLEDE

Fig. 3.74 Astrometri-metoden. Når en planet kredser om en stjerne, vil stjernen ændre sin position en lille smule. Store planeter, der kredser tæt om relativt små stjerner, er lettest at finde med denne metode. Den gen­ sidige påvirkning får stjernen i midten til at foretage en cirkelbevægelse (rød bane) samtidig med planetens omløb, således at de begge kredser om deres fælles punkt (rødt kryds) kaldet massemidtpunktet. Ved at observere små ændringer i en stjernes position på himlen er det muligt at registrere tilstedeværelsen af en exoplanet.

figur 02.

Metoden, som kaldes astrometri, har derfor først og fremmest ført til opdagelsen af ret tunge exoplaneter. Denne metode kan på nuværende tidspunkt ikke bruges til at finde Jordlignende planeter.

Radialhastighedsmetoden Stjernens bevægelse i forbindelse med exoplanetens omløb kan også måles på en anden måde. Den hastighed, som en stjerne bevæger sig med på grund af exoplaneten, kalder man radialhastigheden. Man kan udnytte de små forskydninger i bølgelængderne i lyset fra en stjerne, der kan observeres, når stjernen nærmer sig eller fjerner sig fra Jorden.

Når stjernen bevæger sig væk fra os, vil lysets bølgelængder forskydes mod længere bølgelængder, mens det modsatte vil være tilfældet, når stjernen bevæger sig mod os (se figur 3.75). Dette er en konsekvens af dopplereffekten.

Denne effekt bevirker, at bølgelængden formindskes, når stjernen bevæger sig mod os. Dette kalder man blåforskydning, da lyset fra stjernen vil være en anelse mere blåt. Når stjernen er på vej væk, vil lyset derimod have længere bølgelængde – og der opstår en rødforskydning.

Jo større radialhastighed stjernen har, jo mere blåforskudt og rødforskudt vil lyset være. Dette kan bruges til at bestemme exoplanetens masse og afstand fra stjernen.

Has�ghed (m/s) 100

figur 0

217

F YSIKKENS VERDENSBILLEDE

Fig. 3.75 Radialhastighedsmetoden.

Fordi stjernen periodisk bevæger sig både imod os og væk fra os i forbindelse med exoplanetens omløb, kan vi se både en blåforskydning og en rødforskydning i stjernens lys. Dette bruges til at bestemme exoplanetens masse.

figu

Has�ghed (m/s) Fig. 3.76 Radialhastighedsdata for planeten 51 Pegasi b. På x-aksen er tid angivet i dage. På y-aksen er hastigheden af stjernen beregnet på baggrund af dopplerforskydning i stjernens lys.

100

Has�ghed50(m/s) 100

50

50

-50

50

-50

-100

5

10

15

20

25

30

fi

Tid (dage siden måleperiodens start)

-100På figur 3.76 ses et eksempel på radialhastighedsdata fra stjernen 51 20på stjernen.

25 30 er fremkommet 10 15 Pegasi med5en exoplanet i omløb tæt Grafen

ved at måle lyset fra stjernen over mere start) end 30 dage. I løbet af denne Tid (dage siden måleperiodens periode er lyset periodisk blevet rød- og blåforskudt på rund af stjernens bevægelse. Derved kan man beregne stjernens hastighed, som er an­givet på y-aksen. Da stjernens bevægelse er direkte koblet til exoplanetens størrelse og kredsløb, kan man på denne måde opnå viden om exoplaneten.

figur

218

F YSIKKENS VERDENSBILLEDE

Undersøg planetbaner Planetbanen omkring en stjerne er ifølge Keplers 1. lov en ellipsebane med stjernen i det ene brændpunkt. Nogle planetbaner er tæt på at være cirkulære med stjernen i centrum, mens andre er excentriske ellipser.

I sidstnævnte tilfælde vil forløbet af kurven på figur 3.76 se anderledes ud. a) Find omløbstiden for planeten 51 Pegasi b ved hjælp af figur 3.76. b) Søg på ”Exoplanet Radial Velocity Simulator”. Undersøg, hvilken betydning ellipsens excentricitet har for kurvens forløb (se fig. 3.77).

gør det muligt at undersøge, hvilken Fig. 3.77 Radial Velocity Simulator. Simulatoren indflydelse fx exoplanetens masse og ellipsens excentricitet har på kurvens forløb.

Hør dopplereffekten

Fig. 3.78 Dopplereffekten.

Princippet er det samme for lyd- og lysbølger: Tonen af stemmegaffelen ændres, når den slynges rundt, fordi bølgelængden ændres.

Det er samme fysiske effekt, der registreres i radialhastighedsmetoden blot med stjernens lys.

Bind en snor i en metronom eller din mobil, som sender en konstant tone, og slyng den rundt i luften. Du kan også bruge en stemmegaffel, hvis den kan bindes ordentlig fast (se figur 3.78).

Du vil kunne høre dopplerskift i fre­ kvensen. Her er der tale om lyd, men princippet – og effekten – er den samme, når det gælder lys.

figur 06.ai

Formørkelsesmetoden

Planet

Lysstyrke

Siden opsendelsen af Kepler-satellitten i 2009 har der især været fokus på formørkelsesmetoden. Hvis en exoplanet bevæger sig ind foran sin stjerne – set fra Jorden – vil den formørke lyset fra stjernen en lille smule (se figur 3.79). Faldet i lysstyrken registreres af en satellit med et uhørt følsomt kamera, som det der sidder på satellitten Kepler og dens afløser Stjerne TESS. Optagelserne er nødt til at ske uden for Jordens forstyrrende atmosfære. figur 07.ai

Tid

219

F YSIKKENS VERDENSBILLEDE

Fig. 3.79 Når en exoplanet bevæger sig ind foran stjernen, formørkes lyset ganske lidt, men tilstrækkeligt til, at det kan måles fra rumteleskopet Kepler.

Planet Stjerne Lysstyrke

Tid

Hvorfor kan nogle planetbevægelser i stjernesystemer ikke observeres ved hjælp af formørkelsesmetoden?

Vil det være en stor andel af de sam­ lede exoplanetsystemer, som ikke kan observeres ved denne metode?

Denne formørkelse kan bruges til at udregne planetens størrelse. Ved hjælp af supplerende metoder er det muligt at fastslå, hvad planeten er lavet af, dens temperatur, atmosfære samt en eventuel tilstedeværelse af vand.

Forskerne har allerede fundet et væld af forskellige exoplaneter: Nogle er så små som vores egen Måne, mens nogle er mange gange større end Jupiter. Der er exoplaneter med en densitet så lav som skummaterialet flamingo, mens andre har densiteter højere end bly. Der findes også planeter, hvis overflade er så sort, at næsten intet lys bliver reflekteret.

Vi ved i dag, at der er ubegribeligt mange planeter bare i vores egnen galakse Mælkevejen – og de findes i mange variationer. Men findes der nogen, der minder om Jorden?

Earth 2.0?

Fokus er naturligvis på at finde Jordlignende planeter. Det vil sige planeter, som kredser om en passende kraftig stjerne i en passende afstand (se kapitel 1.7 side XX), og som indeholder vand. Der er i dag fundet flere kandidater til jordlignende planeter – en såkaldt Earth 2.0. Heriblandt planeten Kepler-452b.

Navnet Kepler-452b indikerer, at det er et planetsystem fundet af Kepler-satellitten (nr. 452), og tilføjelsen ’b’ indikerer, at det er den første planet fundet omkring denne stjerne. Hvis man senere finder endnu en planet omkring samme stjerne, vil den således hedde: Kepler-452c

220

F YSIKKENS VERDENSBILLEDE

Formørkelsesmetoden

Fig. 3.79 Ved at benytte en lysmåler og en kraftig lampe er det muligt at simulere formørkelsesmetoden.

Det reflekterede lys måles af lysmåleren, mens ”stjernen” gradvist formørkes af ”planeten”.

Efterhånden som ”planeten” dækker stjernen, vil mængden af reflekteret lys falde. Benyttes forskellige størrelser af ”planeter”, vil man se varierende dyk i det reflekterede lys.

Undersøg formørkelsesmetoden.

1. Lav en hvid skive, som skal fungere som ”stjernen” 2. Læg skiven på et stykke sort karton.

3. Lys med en kraftig lampe.

4. Mål refleksionen med et pyranometer eller en lysmåler.

5. Lav en gradvis formørkelse, og forsøg at finde frem til planetens størrelse ud fra kendskabet til din ”stjernes” størrelse og lysmålingerne.

Earth Similarity Index (ESI) Forskerne ranglister exoplaneter efter, hvor jordlignende de er, med en beregning af det såkaldte ”Earth Similarity Index”, som arbejder med intervallet 0-1. a) Find ud af, hvilke parametre der indgår i beregningen af ESI. b) Undersøg de planeter, der ligger øverst på ESI-listen. c) Diskuter, om en ESI på 1 betyder, at der er liv på planeten?

Vil vi kunne finde Jorden?

Kepler-satellitten, som er designet til at finde Jordlignende planeter via formørkelsesmetoden, kan registrere selv meget små variationer i lysstyrken fra en stjerne.

Den er i stand til at måle ændringer i lysstyrken (∆F ) helt ned til 20 milliontedele

af stjernens lysstyrke. Det er så små ændringer, at det svarer til at kunne registrere, at en tilskuer tænder sin mobil på et ellers fuldt oplyst fodboldstadion.

Spørgsmålet er, om vi ville kunne måle en planet på størrelse med Jorden passere forbi en stjerne på størrelse med Solen.

Den relative ændring i lysstyrken kan beregnes med nedenstående formel.

Benyt formlen og de ovenstående oplys­ ninger til at finde ud af, om Kepler-satellitten vil kunne registrere en planet på størrelse med Jorden kredse omkring en stjerne som Solen.

Kontroller et rigtigt teleskop, og tag dine egne fotos Tag dine egne fotos med NASA-stjerne­ kikkert. Søg på ”Observing With Nasa” og vælg ”Telescope Contol”.

På hjemmesiden MicroObservatory Access Portals fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics er det muligt at styre et teleskop via din computer og bestille billeder af bestemte objekter på stjernehimlen.

Samme sted giver dig også mulighed for hjælpe forskere i deres søgen efter planeter.

Se under fanen ”DIY Planet Search”.

Er vi alene?

Det er allerede i dag muligt at finde ud af temmelig meget om en given exoplanet. Det ultimative mål er at opdage biomarkører, altså stoffer som indikerer tilstedeværelsen af liv, i atmosfæren på en jordlignende exoplanet.

Et eksempel på en mulig biomarkør er ozon. Så vidt vides fra vores studier her på Jorden er tilstedeværelsen af ozon knyttet til planters foto­ syntese. Hvis vi kan påvise koncentrationer af ozon, vil det være en stærk indikation af liv forbundet med fotosyntese på en given exoplanet.

Man kan dog ikke ræsonnere den anden vej rundt. Hvis vi ikke finder ozon, er det ikke et bevis på, at der ikke er liv. Der kunne jo være tale om organismer, der udskiller helt andre stoffer. Når vi leder efter spor af liv i stil med det, vi kender fra Jorden, er det fordi det rent teknisk er langt lettere at genkende noget allerede kendt, end at erkende helt nye former for liv.

F YSIKKENS VERDENSBILLEDE

221

Som det ser ud i dag, må vi nok erkende, at spørgsmålet om, hvorvidt der findes intelligent liv andre steder i Universet, stadig er et spørgsmål om tro eller overbevisning. Man kan anskue det på to forskellige måder:

1: Frank Drakes ligning Astronomen Frank Drake opsatte i 1961 en ligning for sandsynligheden for, at der findes intelligent liv på andre planeter, der vil kunne kontakte os via radiosignaler. Ligningen blev brugt i Hollywoodfilmen ”Contact”, hvor hovedpersonen formulerede det således: Hvis blot én ud af en million stjerner har planeter omkring sig, og blot én ud af en million af de planeter ligner Jorden, og livet er opstået på blot én ud af en million af de jordlignende planeter, og blot én ud af en million af de livsformer vil have udviklet sig til intelligent liv, så vil der stadig være milliarder af civilisationer derude et eller andet sted.

Vi ved i dag, at omtrent halvdelen af alle stjerner har én eller flere planeter roterende omkring sig. Så chancerne for, at der findes liv på en af disse planter, synes med andre ord at være tæt på 100 procent. Du kan se Drakes ligning herunder. Som det fremgår, har vi faktisk kun et kvalificeret bud på to af faktorerne: R og fpl. Hvis blot én af de øvrige faktorer er nul, vil vi være den eneste planet i Universet med intelligent liv. En skræmmende tanke?

N = R · fpl · fj · fl · fi · fc · L N er antallet af radiokommunikerende civilisationer i vores Mælkevej R er antallet af stjerner, der dannes pr. tidsenhed i Mælkevejen fpl er brøkdelen af disse, som har planetsystemer fJ er brøkdelen af planetsystemer, der har jordlignende planeter fl er brøkdelen af jordlignende planeter, hvor der opstår liv fi er brøkdelen af planeter med liv, hvor livet bliver intelligent fc er brøkdelen af intelligente populationer, der udvikler radiokommunikation L er den gennemsnitlige levetid af radiokommunikerende civilisationer

2: Hvor er de henne?

Man kan også anskue problemet som fysikeren Enrico Fermi, der stillede det enkle spørgsmål: Hvis der findes intelligent liv i Universet – hvor er det så? Der er millioner af solsystemer, der er langt ældre end vores, så hvis der overhovedet er opstået intelligent liv andre steder i Universet, ja

222

F YSIKKENS VERDENSBILLEDE

så må nogle af disse civilisationer teknologisk være meget langt foran os.

Menneskeheden på Jorden er først begyndt at udforske vores eget solsystem i de seneste 50 år. Hvor langt ud i rummet vil vi ikke kunne være kommet om 1.000 år? Derfor er det naturligt at tænke, at fremmed intelligent liv allerede må have tilegnet sig den nødvendige teknologi til at sprede sig ud over hele galaksen. Alligevel er der ingen spor af dem, hvilket kun kan betyde, at der ikke findes intelligent liv andre steder end på Jorden.

Hvis vi omvendt finder liv på bare én anden planet, kan vi konkludere, at liv opstår, når de rigtige betingelser er til stede. I så fald må Universet være fyldt med liv.

Kepler-186 f I denne opgave ser vi på exoplaneten Kepler-186 f, der er en af kandidaterne til en Earth 2.0. Den er på størrelse med Jorden og ligger muligvis i den såkaldte beboelige zone omkring en stjerne, der er kategoriseret som en rød dværg. Altså en stjerne, som ikke er så stor og så varm som vores egen stjerne.

Stjernen hedder Kepler 186 og befinder sig 492 ly fra Jorden. a) Beregn afstanden i km.

Kepler-186 f

Med kendt raketteknologi kan vi maksimalt flyve med farten 200 km/s. b) Hvor mange år vil det tage at rejse til Kepler 186 f?

Omløbstiden for Kepler-186 f er ud fra satellitten Keplers data meget nøjagtig bestemt til 129,9459 dage. Ud fra dette kan man ved hjælp af Keplers 3. Lov beregne afstanden mellem stjernen og exoplaneten:

Jorden

hvor

er en konstant

for stjernesystemet på baggrund af stjernens masse.

c) Benyt ligning (1) til at beregne exo­ planetens afstand fra stjernen. d) Hvilken planet ville den minde mest om I vores eget solsystem.

Kepler 186-planetsystemet er for langt væk til, at vi med den nuværende teknologi kan undersøge, om exoplaneten Kepler-186 f har en atmosfære. Hvis dette ikke er til­fældet, vil temperaturen i gennemsnit være 188 K. Det vil betyde, at der ikke er flydende vand til stede. Omvendt kan man beregne, at atmosfæren på Kepler-186 f skal indeholde mindst 0,5 bar CO2, for at driv­huseffekten kan hæve temperaturen, så der er flydende vand. e) Sammenlign dette med CO2-indholdet i Jordens atmosfære.

Planeten Kepler-186 f er også blevet undersøgt af SETI-projektet. Forkortelsen står for Seach for Extra-Terrestial Intelligence, og projektet har til formål at undersøge, om der er intelligent liv i rummet, som sender radiosignaler mod Jorden.

Man har observeret Kepler-186 f med store radioteleskoper i en måned, men ikke fundet tegn på signaler. Den store afstand til planeten bevirker dog også, at intelligent liv på planeten skulle være i stand til at udsende radiosignaler, der er fire gange kraftigere, end vi kan her på Jorden på nuværende tidspunkt.