Kepler-Weltraumteleskop: Der ursprüngliche Exoplaneten-Jäger

Das Kepler-Weltraumteleskop der NASA war ein Observatorium im Weltraum, das sich der Suche nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems widmete, mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Suche nach Planeten, die der Erde ähneln könnten. Das Observatorium war knapp neun Jahre in Betrieb, von seiner Inbetriebnahme im März 2009 bis zu seiner Stilllegung am 15. November 2018.



Lebe wohl, Kepler: NASA schließt produktives Weltraumteleskop zur Planetenjagd



Seit dem Start von Kepler haben Astronomen Tausende von extrasolaren Planeten entdeckt, oder Exoplaneten allein durch dieses Teleskop. Die meisten von ihnen sind Planeten, die zwischen der Größe der Erde und Neptun (das ist viermal so groß wie die Erde). Viele dieser Planeten wurden in einer Region des Sternbildes entdeckt Cygnus ungefähr so ​​groß wie eine Handfläche, die auf Armeslänge gehalten wird, auf die Kepler in den ersten vier Jahren seiner Mission gezeigt wurde.

Bis November 2020 wurde Kepler die Entdeckung von 2.392 Exoplaneten zugeschrieben, wobei 2.368 Kandidatenplaneten auf die Bestätigung warten, so die NASA Exoplaneten-Archiv . Die Mission wurde weit über das geplante Enddatum hinaus fortgesetzt, obwohl mechanische Probleme die Missionsmanager im Jahr 2013 zwangen, eine modifizierte 'K2' -Mission zu entwickeln, bei der Kepler den Druck des Sonnenlichts nutzte, um sich zu stabilisieren und seine Sicht auf verschiedene Himmelspunkte umstellte.



Unter Verwendung der Transitdaten des Kepler-Teleskops von Planet b sagten Wissenschaftler voraus, dass ein zweiter Planet c, etwa von der Masse des Saturn, den fernen Stern KOI-872 umkreist. Diese Forschung, die vom Southwest Research Institute und dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics geleitet wird, liefert Beweise für eine geordnete Anordnung von Planeten, die KOI-872 umkreisen, ähnlich wie unser eigenes Sonnensystem.

Die Forschungen des Kepler-Teleskops lieferten Beweise für eine geordnete Anordnung von Planeten, die unserem eigenen Sonnensystem nicht unähnlich sind und einen Stern namens KOI-872 umkreisen.(Bildnachweis: Southwest Research Institute)

Wie Kepler begann

Kepler war die Idee von NASA-Wissenschaftler William J. Borucki , der an wissenschaftlichen Instrumenten für die Apollo-Programm . Ab 1983 setzte sich Borucki innerhalb der NASA für eine Mission ein, die nach Exoplaneten suchen sollte, indem sie nach Transiten Ausschau hielt – Ereignisse, bei denen ein Planet aus der Sicht der Erde vor seinem Stern vorbeizieht. Boruckis Konzept wurde von der NASA viermal abgelehnt, da die Agentur verschiedene Demonstrationen verlangte, dass die Mission technisch und finanziell machbar sei. Die NASA genehmigte die Mission schließlich im Jahr 2001.



Kepler war Teil des Discovery-Programms der NASA, das kostengünstigere Raumschiffe zur Erforschung des Sonnensystems finanziert. Kepler wurde zeitgleich ausgewählt Dämmerung , ein Raumschiff, das die kleinen Welten Vesta und . besuchte Ceres .

In einem Vortrag an der Carl Sagan Institut der Cornell University, Borucki erklärte: „[Kepler] betrachtet über 170.000 Sterne gleichzeitig und sucht nach Planeten, die ihren Stern kreuzen und etwas Licht blockieren. Durch das Blockieren dieses Lichts können wir feststellen, wie groß der Planet im Vergleich zum Stern ist, und wenn es sich wiederholt, können wir die Umlaufzeit feststellen. Aus dem dritten Keplerschen Gesetz können wir ableiten, wie weit der Planet vom Stern entfernt ist. Und wenn wir uns die Eigenschaften des Sterns ansehen, können wir sagen, wie heiß dieser Planet sein könnte.'

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Keplers drittes Gesetz, benannt nach dem Astronomen Johannes Kepler (1571-1630), besagt, dass man, wenn man die Jahreslänge eines Planeten (seine Umlaufzeit) und die Masse seines Muttersterns kennt, seine durchschnittliche Entfernung vom Stern berechnen kann.

Eine der Superkräfte des Weltraumteleskops Kepler ist seine Fähigkeit, die Helligkeit eines Sterns auf einen winzigen Bruchteil eines Prozents zu messen. Diese Präzisionsphotometrie ist notwendig, um die winzige Verdunkelung eines Planeten vor seinem Stern zu erfassen. Zum Beispiel blockiert Jupiter, der vor der Sonne vorbeizieht, etwa 1% des Sonnenlichts; Erde blockiert weniger als 0,01%.

In den frühen Jahren der Exoplanetenjagd konnten Astronomen am besten riesige Gasriesen finden – Jupiters Größe und größer – die in der Nähe ihres Muttersterns lauerten. Die Hinzufügung von Keplers empfindlicher Photometrie (sowie ausgeklügelter Planetenjagd vom Boden aus) bedeutet, dass Astronomen mehr 'Supererden' oder Planeten gefunden haben, die nur geringfügig größer sind als die Erde, aber eine felsige Oberfläche haben. Keplers Funde ermöglichen es Astronomen auch, Exoplaneten in Typen zu gruppieren, was beim Verständnis ihrer Ursprünge hilft.

Ein Feld von 4,5 Millionen Sternen durch den Blick eines segmentierten Teleskops - Rechteckfotos von Sternen, die auf einem schwarzen Feld angeordnet sind. Weltraumteleskop Kepler eröffnet seine

(Bildnachweis: NASA/Ames/J. Jenkins)

Hauptaufgabe

Das 600 Millionen US-Dollar teure Kepler-Teleskop wurde 2009 mit der Erwartung gestartet, dass es ein Jahr lang betrieben werden würde.

In der Anfangszeit bestand ein wichtiger Teil der Kepler-Operationen darin, falsch positive Ergebnisse zu eliminieren. Da die scheinbare Sternenverdunkelung auch durch andere Mittel als Exoplaneten-Transite erfolgen kann (z Teleskope, im Allgemeinen durch Messung des gravitativen 'Wackelns', das ein Stern als Reaktion auf einen sich drehenden Planeten zeigt.

Aber Keplers ursprüngliche Mission bestand nicht so sehr darin, einzelne Exoplaneten zu identifizieren, sondern eine Zählung von so vielen Sternen wie möglich durchzuführen und den Prozentsatz der Sterne zu schätzen, die Planeten beherbergen.

Mit den gesammelten Erfahrungen von Kepler kamen also statistische Methoden ins Spiel. Im Februar 2014 haben Astronomen beispielsweise eine neue Technik namens 'Verifikation durch Multiplizität' entwickelt, die Mehrplanetensysteme von Mehrsternsystemen unterscheidet und somit viele Exoplaneten gleichzeitig findet. Durch diese Technik enthüllte das Team 715 bestätigte Planeten in einer Veröffentlichung und stellte damit die bis dahin größte Charge von Planeten in einer einzigen Ankündigung her.

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Kepler wurde weit über seine ursprüngliche Missionsdauer hinaus genehmigt und funktionierte bis Mai 2013 einwandfrei, als ein zweites seiner vier Reaktionsräder oder Gyroskope ausfiel. Das Teleskop benötigt mindestens drei dieser Geräte, um in die richtige Richtung ausgerichtet zu bleiben. Damals sagte die NASA, das Teleskop sei ansonsten noch in gutem Zustand und untersuchte alternative Missionsideen für die Hardware.

Ein Stern leuchtet hinter einem fast silhouettierten Kepler-Weltraumteleskop, einem ungefähr zylindrischen Objekt mit Vorsprüngen am am weitesten vom Betrachter entfernten Ende. In der Ferne ein kleiner blauer Planet.

Künstlerische Illustration des Kepler-Weltraumteleskops der NASA auf der Jagd nach Exoplaneten.(Bildnachweis: NASA)

Neue Mission

Innerhalb weniger Monate entwickelte die Agentur eine neue Mission für das Weltraumteleskop K2. Die Mission würde die Sonne nutzen Sonnenwind um das Teleskop über mehrere Monate zu stabilisieren. Dann drehte sich das Teleskop, das etwa 4,7 Meter lang und 2,7 Meter im Durchmesser ist, etwa viermal im Jahr auf ein anderes Sichtfeld, wenn die Sonne seinen Sensoren zu nahe kam.

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Im Juli 2015, als die neue Mission zur Routine wurde, ging Borucki, damals noch der Hauptermittler, nach 53 Dienstjahren bei der NASA in den Ruhestand die Agentur .

Während das Tempo der planetaren Entdeckungen mit der neuen Mission geringer war, gingen neue Funde weiter. Im Januar 2016 gab die NASA die Entdeckung von mehr als 100 neuen Planeten basierend auf K2-Beobachtungen bekannt. 'Dies ist eine Bestätigung der Fähigkeit des gesamten K2-Programms, eine große Anzahl echter, echter Planeten zu finden', sagte Ian Crossfield, ein Astronom an der University of Arizona, während der Jahrestagung der American Astronomical Society, bei der der Fund bekannt gegeben wurde.

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Kepler untersuchte die TRAPPIST-1 -System – das wahrscheinlich mehrere erdgroße Planeten enthält – zwischen Dezember 2016 und März 2017. Im Februar gab ein anderes Team von Astronomen bekannt, dass mehr erdgroße Planeten gefunden wurden. Kepler-Wissenschaftler gaben dann die Rohdaten ihrer TRAPPIST-1-Beobachtungen für andere Teams zur Analyse frei, falls sie daran interessiert waren.

Im Februar 2018 veröffentlichte die NASA eine weitere Veröffentlichung von Kepler-Daten zu 95 neuen Planeten, die während der K2-Mission gefunden wurden. Einer dieser Planeten umkreiste einen hellen Stern, was ihn zu einem leichten Kandidaten für eine Nachverfolgung durch ein Bodenobservatorium machte.

Ein Vergleich von Erde und Kepler-1649c, einem Exoplaneten, der nur 1,06 mal Erde ist

Einer der Planeten, die vom Kepler-Teleskop lokalisiert wurden, war Kepler-1649c, ein Exoplanet, der nur das 1,06-fache des Erdradius beträgt. Wissenschaftler entdeckten diesen Planeten im Jahr 2020, als sie alte Beobachtungen von Kepler analysierten, die 2018 in den Ruhestand gegangen waren.(Bildnachweis: NASA/Ames Research Center/Daniel Rutter)

Wichtige Entdeckungen

Dank Kepler wissen wir jetzt, wie häufig andere Sterne Planeten haben.

„Im Grunde hat jeder Stern einen Planeten. Das ist eine große Sache und wurde vor Kepler nicht geschätzt', sagte der frühere Kepler-Projektwissenschaftler Nick Gautier in einem Stellungnahme freigegeben, als das Teleskop in den Ruhestand ging.

In den ersten sieben Jahren des Betriebs von Kepler und K2 gab die NASA zwei Dutzend Pressemitteilungen Ankündigung neu entdeckter Exoplaneten, oft in großen Mengen.

Im Juni 2017 erfolgte die endgültige Veröffentlichung von Daten von Keplers Hauptmission. Keplers bestätigte planetare Funde wurden auf 2.335 erhöht. Einschließlich potenzieller Planeten lag die Gesamtzahl bei 4.034.

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Die K2-Mission dauerte so lange wie die Hauptmission und brachte Keplers Gesamtzahl der untersuchten Sterne auf mehr als 500.000, so eine Pressemitteilung der NASA .

Eine weitere große Errungenschaft war die Entdeckung der Vielfalt der Planetensysteme, die es da draußen gibt. Planetensysteme können in kompakten Anordnungen innerhalb der Grenzen des Äquivalents der Merkurbahn existieren. Sie können sogar zwei Sterne umkreisen, ähnlich wie Tatooine in der Krieg der Sterne Universum. Und in einem aufregenden Fund für diejenigen, die nach Leben jenseits der Erde suchen, zeigte das Teleskop, dass kleine, erdähnliche Gesteinsplaneten häufiger vorkommen als größere Gasriesen wie Jupiter.

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Eine Künstlerin

Künstlerische Darstellung des langlebigen Weltraumteleskops Kepler und einiger der Planeten, die es während seines fast zehnjährigen Weltraums entdeckt hat.(Bildnachweis: NASA)

Andere seltsame Welten, die vom Teleskop entdeckt wurden, sind Kepler-62e und Kepler-62f – zwei Wasserwelten, die wahrscheinlich einen globalen Ozean haben, im Gegensatz zur Erde, die einen erheblichen Anteil an trockenem Land hat. Die Planeten sind im Sternbild Leier etwa 1200 Lichtjahre entfernt und haben die Größe der Erde.

Langfristige Kepler-Beobachtungen des Sterns KIC 8462852, auch bekannt als 'Tabby's Star', zeigten ein bizarres Muster von Verdunkelung und Aufhellung. Astronomen versuchen immer noch, die Art der ungewöhnlichen Helligkeitsänderungen herauszufinden, die von Kometen über einen ungleichmäßigen Staubring bis hin zu einer außerirdischen Megastruktur zugeschrieben werden.

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Keplers große Sensibilität für die wechselnde Helligkeit von Sternen wurde für die Plejaden , ein bekannter Sternhaufen, der nur 400 Lichtjahre entfernt und mit bloßem Auge sichtbar ist. Keplers Beobachtungen lieferten die bisher beste Verfolgung ihrer Variabilität. Das Teleskop hat auch zur Verfügung gestellt neue Messungen von explodierenden Sternen und Schallwellen in Sternen .

Missionsende

Kepler wurde mit 3 Gallonen (12 Kilogramm) Hydrazin in seinem Kraftstofftank gestartet. Der Treibstoff treibt die Triebwerke an, die helfen, die Drift zu korrigieren und große Manöver durchzuführen, einschließlich des Zeigens auf neue Sichtfelder und der Ausrichtung der Sender auf die Erde, um wissenschaftliche Daten herunterzuladen und Befehle zu empfangen. Da Kepler keine genaue Anzeige an seinem Kraftstofftank hat, konnten die Ingenieure nur abschätzen, wann ihm der Kraftstoff ausging.

Im März 2018 gab die NASA bekannt, dass der Treibstofftank der Raumsonde in den folgenden Monaten leer laufen werde. Etwas mehr als sieben Monate später, am 30. Oktober, bestätigte die NASA, dass Kepler kein Benzin mehr hatte. Die Ingenieure schickten ein letztes „Gute Nacht“-Kommando und offiziell das Raumschiff außer Dienst gestellt am 15. November 2018 — zufällig der 388. Todestag von Johannes Kepler.

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Obwohl er inaktiv ist, wird Kepler seine erdnachlaufende Umlaufbahn um die Sonne fortsetzen und die Nachbarschaft der Erde (in sicherer Entfernung) im Jahr 2060 und erneut im Jahr 2117 passieren.

Keplers Rolle als führendes Weltraumteleskop zur Exoplanetenjagd wurde vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) übernommen, der am 18. April 2018 gestartet wurde und am 11. August 2020 seine Hauptmission beendete, bevor eine erweiterte Missionsphase begann. Während Keplers Mission in erster Linie statistischer Natur war – um herauszufinden, ob Exoplaneten von der Größe der Erde verbreitet waren – soll TESS spezifische Exoplanetensysteme identifizieren, die weiter untersucht werden sollten.

Zusätzliche Ressourcen:

Dieser Artikel wurde am 26. Januar 2021 von guesswhozoo.com-Mitarbeiter Steve Fentress aktualisiert