Mein Satellit würde in einen kleinen Koffer passen.

Aber es könnte uns helfen, andere Welten zu finden.18. Dezember 2020 Sarah Seeger

Sara Seager mit einem Teleskop in ihrem Garten, die auf die Dunkelheit des Nachthimmels wartet.Webb Chappell

Sara Seager hat lange und gründlich über die Mathematik nachgedacht: Die Wahrscheinlichkeit, dass die Erde das einzige Leben im Universum beherbergt, ist fast unmöglich. Die größte Entdeckung, die Astronomen machen könnten, ist, dass wir nicht allein sind, schreibt die MIT-Astrophysikerin in ihren neuen Memoiren Die kleinsten Lichter im Universum . Die Menschheit hat den Himmel seit Jahrhunderten nach einem Spiegelbild unserer selbst abgesucht; jemanden oder etwas anderes zu sehen, das eine andere Erde bewohnt das ist der Traum.

Als Pionierin bei der Suche nach Exoplaneten oder Planeten, die andere Sterne umkreisen, entwickelte sie die heute übliche Praxis, die Atmosphären von Planeten zu untersuchen, indem sie das Licht analysiert, das sie durchdringt. Seager, der ein geniales Stipendium der MacArthur Foundation erhielt, ist Professor der Klasse von 1941 für Planetenwissenschaften und hat auch Ernennungen in den Fakultäten für Physik und Luft- und Raumfahrt sowie Astronautik. Von 2016 bis 2020 war sie außerdem stellvertretende Wissenschaftsdirektorin der vom MIT geleiteten NASA-Explorer-Mission TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) und leitete Starshade Rendezvous, eine Machbarkeitsstudie für eine weltraumgestützte Mission zur Suche und Charakterisierung erdähnlicher Objekte Exoplaneten. In ihren Memoiren erzählt sie ihre persönliche Geschichte, wie sie mit 40 Jahren verwitwet wurde, plötzlich alleinerziehende Mutter von zwei kleinen Söhnen, während sie die Wissenschaft ihrer Suche nach anderen Welten erklärt.



Dieser Auszug aus verschiedenen Abschnitten ihres Buches zeichnet ihre Arbeit zur Entwicklung von ASTERIA auf. ASTERIA, ein Satellit von der Größe eines kleinen Koffers, wurde entwickelt, um die Technologie zu demonstrieren, die für ein winziges Teleskop erforderlich ist, um nach Exoplaneten zu suchen, indem es den winzigen Abfall im Licht eines Sterns erkennt, wenn ein umlaufender Planet vor ihm vorbeizieht. Seager initiierte und entwickelte ASTERIA am MIT und diente später als Hauptforscher, während es von November 2017 bis Dezember 2019 vom Jet Propulsion Laboratory gebaut und betrieben wurde.

Suche nach Schatten, um andere Welten zu finden

Astrophysik ist im Wesentlichen die Erforschung des Lichts. Wir wissen, dass es andere Sterne als die Sonne gibt, weil wir sie leuchten sehen können. Aber Licht leuchtet nicht nur. Licht verschmutzt. Leichte Jalousien. Kleine Lichter – Exoplaneten – wurden für immer von den größeren Lichtern ihrer Sterne ausgewaschen, so wie diese Sterne von unserer Sonne ausgewaschen werden. Um eine andere Erde zu finden, müssten wir die kleinsten Lichter im Universum finden.

Wenn Astronomen zumindest für den Moment nicht gegen die Helligkeit der Sterne ankämpfen konnten, könnten wir ihre Macht vielleicht zu unserem Vorteil nutzen. Körper im Transit richten sich manchmal aus. Wenn wir Glück hatten, könnte ein Planet zwischen uns und seinem Stern vorbeiziehen und so etwas wie eine Miniaturfinsternis erzeugen. Der Mond sieht riesig aus, wenn er die Sonne verdeckt. Die Transit-Technik, wie sie später genannt wurde, wandte das gleiche Prinzip auf Exoplaneten an. Wir würden sie nicht anhand des Lichts finden, das sie aussendeten, sondern anhand des Lichts, das sie verdarben. Nichts sticht so hervor wie ein schwarzer Fleck.

Im Herbst 1999, als ich Postdoktorand am Institute for Advanced Study in Princeton war, wurde der erste Transit eines bekannten Planeten – HD 209458b, ein heißer Jupiter – angekündigt. Es waren absolut fantastische Neuigkeiten, zum Teil, weil die Entdeckung den letzten Zweifel an der Existenz von Exoplaneten beseitigte.

Sternenlicht nach Lebenszeichen untersuchen

Ich hatte eine Idee – eine wirklich originelle – übergeben, und die erfolgreiche Anwendung der Transit-Technik verlieh ihr eine größere Dringlichkeit. Viele Wissenschaften, insbesondere Pionierwissenschaften, verlassen sich auf Intuition. Ich hatte keine Beweise dafür, dass meine Idee funktionieren würde. Aber ich war zweifellos. Ich hatte erkannt, dass die Technik helfen könnte, mehr als die schwarze Silhouette eines Planeten zu enthüllen. Unmittelbar um diese winzige partielle Sonnenfinsternis würde das gleiche Sternenlicht, das von einem Exoplaneten blockiert wurde, durch seine Atmosphäre dringen. Das Sternenlicht würde uns erreichen, aber nicht so, wie normales Sternenlicht uns erreicht. Es würde gefiltert werden, wie Wasser, das durch einen Bildschirm fließt, oder der Strahl einer Taschenlampe, der sich durch einen Nebel kämpft. Wenn Sie einen Regenbogen aus der Ferne betrachten, bilden seine vielen Farben eine perfekte Einheit. Aber wenn Sie sich einen Regenbogen mit einem Instrument namens Spektrograph genauer ansehen, können Sie Lücken im Licht sehen, winzige Unterbrechungen in jeder Wellenlänge wie fehlende Zähne. Gase in der Sonnenatmosphäre und die dünne Hülle der Erde unterbrechen die Übertragung von Sonnenlicht, so wie Stromleitungen statische Aufladungen in einem Funksignal verursachen. Bestimmte Gase stören auf verräterische Weise. Ein Gas könnte einen Bissen von Indigo nehmen, während ein anderes Gas Appetit auf Gelb oder Blau haben könnte. Warum konnten wir keinen Spektrographen verwenden, um das Sternenlicht zu betrachten, das durch die Atmosphäre eines vorbeiziehenden Exoplaneten strömt? Auf diese Weise könnten wir bestimmen, welche Art von Gasen diesen Exoplaneten umgeben. Wir wussten bereits, dass große Mengen bestimmter Gase wahrscheinlich nur in Gegenwart von Leben existieren. Wir nennen sie Biosignaturgase. Sauerstoff ist eins; Methan ist eine andere. Wir könnten mit heißen Jupitern beginnen, den Planeten, die wir bereits kennen, und ihren leichter erkennbaren Atmosphären. Wie das Spray eines Stinktiers würden ihre Spuren von Natrium und Kalium inmitten der Gesellschaft weniger starker Atome auffallen. Ich behielt meine Idee für mich, weil ich wusste, dass sie großartig war – ich war der erste, der das Potenzial der Transit-Technik für das Studium von Atmosphären erkannte – und ich wusste auch, dass großartige Ideen gestohlen werden. Dimitar Sasselov, mein ehemaliger Doktorvater, war die einzige Person, der ich von meiner Theorie erzählte, und er bot mir an, mir zu helfen, sie der Praxis näher zu bringen. Als wir die Details ausgearbeitet hatten, veröffentlichte ich eine Abhandlung, in der ich das anpries, was Dimitar und ich Transittransmissionsspektren nannten – das Lesen der Lücken in Regenbögen.

Meine Arbeit fand große Beachtung. Die NASA nahm Vorschläge zur Nutzung des Hubble-Weltraumteleskops an; Innerhalb weniger Monate nach der Veröffentlichung zitierte ein Team meine Arbeit und gewann die Rechte, das Licht zu untersuchen, das durch die Atmosphäre eines vorbeiziehenden heißen Jupiters ging. Ich war wütend, nicht in dieses Team aufgenommen zu werden, das einen älteren männlichen Wissenschaftler mir vorzog.

Innerhalb von zwei Jahren enthüllte ihre Arbeit die erste Exoplanetenatmosphäre. Es umgab keine andere Erde, aber meine Prämisse hatte funktioniert. Wir hatten unseren ersten fremden Himmel gesehen.

Sterne mit winzigen Satelliten ausspionieren

Eine der größten Hürden bei der Suche nach Exoplaneten ist die Zeit, die benötigt wird, um sie zu finden. Die nächsten und hellsten sonnenähnlichen Sterne sind über den ganzen Himmel verstreut, was bedeutet, dass kein Teleskop mehr als ein paar gleichzeitig aufnehmen kann. Aber es ist unerschwinglich teuer und unsinnig, etwas wie Hubble oder Spitzer zu verwenden, um auf ein einzelnes Sternensystem zu starren, das darauf wartet und hofft, die Schatten von Planeten zu sehen, von denen wir nicht sicher sind, ob sie existieren. Die korrekte Kartierung eines Sternensystems kann Jahre dauern.

Ich hatte versucht, einen langfristigen Plan zu machen, um eine andere Erde zu finden, als ich erfuhr, was die Gemeinschaft dazu gebracht hatte, CubeSats zu nennen – winzige Satelliten, die in einer Standardform entworfen wurden, was sie angeblich billiger und einfacher zu bauen und in den Weltraum zu bringen machte. Was wäre, wenn ich eine Konstellation von CubeSats erstellen würde, die jeweils nur einen Stern betrachten? Ich träumte von Weltraumteleskopen in der Größe eines Brotlaibs – nicht nur einem, sondern einer ganzen Armee, die sich wie so viele Späher in den Orbit ausbreitet. Jeder konnte sich niederlassen und seinen zugewiesenen sonnenähnlichen Stern so lange überwachen, wie ich es brauchte; Jeder könnte sich darauf konzentrieren, alles Mögliche über ein einziges Licht zu lernen. Hubble, Spitzer, Kepler – sie alle sahen gewaltig. Vielleicht brauchten wir jetzt Dutzende oder Hunderte von engeren Blicken, wobei wir die Transit-Technik als wichtigste Entdeckungsmethode verwendeten. CubeSats würden nicht sehen, was größere Weltraumteleskope sehen könnten, aber sie müssten nie blinzeln.

TESS Nordhimmel

Dieses von TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) aufgenommene Panorama des nördlichen Himmels enthält eine seitliche Ansicht der Milchstraße. Sara Seager war von 2016 bis 2020 stellvertretende Wissenschaftsdirektorin der MIT-geführten TESS, einer NASA-Explorer-Mission.

NASA/MIT/TESS UND ETHAN KRUSE (USRA)

Ich sprach mit David Miller, einem Kollegen und Ingenieurprofessor, der für einen meiner Lieblingskurse verantwortlich war: einen Design-and-Build-Kurs für Studenten im vierten Studienjahr. Als es anfing, war es revolutionär, weil es so projektbasiert war; nach einigen einführungsvorträgen tauchten die studenten in die herausforderungen bei der herstellung eines echten satelliten ein. Ich fragte David, ob ich seine Klasse nutzen könnte, um meine CubeSat-Idee auszubrüten.

Er war von Anfang an begeistert. Das Beste am MIT ist vielleicht, dass, egal wie verrückt Ihre Idee ist, niemand sagt, dass sie nicht funktionieren wird, bis sie sich als undurchführbar erweist. Und ein Weltraumteleskop in etwas so Kleines wie einen CubeSat zu quetschen, war eine ziemlich verrückte Idee. Die größte Herausforderung bestand darin, etwas Kleines zu bauen, das immer noch stabil genug ist, um klare Daten zu sammeln – eine große Herausforderung, da kleinere Satelliten, wie kleinere Dinge, leichter im Weltraum herumgeschoben werden als größere Objekte. Um genaue Helligkeitsmessungen eines Sterns vorzunehmen, müssten wir in der Lage sein, sein Helligkeitszentrum auf den gleichen winzigen Bruchteil eines Pixels zu fixieren, viel feiner als die Breite eines menschlichen Haares. Wir müssten etwas machen, das hundertmal besser ist als alles, was es derzeit in der Massenklasse des Cubesat gibt. Stellen Sie sich vor, Sie bauen einen Automotor, der hundertmal besser läuft als der beste Automotor von heute.

Lass es uns tun, sagte David.

Statistik und Weltraumhardware

Cubesats sind viel billiger als normale Satelliten, weil sie kleiner und einfacher zu starten sind; Sie nehmen viel weniger Platz im Laderaum einer Rakete ein, und es kostet 10.000 Dollar, ein Pfund irgendetwas in den Weltraum zu schicken. Leider sind sie aufgrund ihrer billigen Herstellung störanfällig. Viele von ihnen arbeiten nie. Wir verwenden für sie denselben hoffnungslosen Begriff, den Ärzte für Patienten verwenden, die sie nie retten konnten: DOA.

Eine unserer ersten Hürden war also ein statistisches Problem. (Jedes Problem ist ein Problem der Statistik.) Um die Wolke von CubeSats zu erzeugen, die später ASTERIA genannt werden sollte, mussten wir herausfinden, wie viele Satelliten wir brauchen würden, um eine vernünftige Chance zu haben, einen anderen erdgroßen Planeten zu finden. Tausende helle, sonnenähnliche Sterne wären es wert, überwacht zu werden, aber wir wären nicht in der Lage, Tausende von Satelliten zu bauen und zu verwalten. Wir wussten auch, dass angesichts der kurzlebigen Natur von Transiten die Wahrscheinlichkeit, dass ein erdgroßer Planet einen sonnenähnlichen Stern durchquert, nur etwa 1 zu 200 betrug. Einige unserer Satelliten würden zweifellos auch ausfallen oder verloren gehen. Wenn wir nur wenige hochschicken würden, müssten wir entweder sehr strategisch vorgehen oder sehr viel Glück haben, um zu finden, wonach wir gesucht haben. Es gab eine optimale Anzahl von Satelliten, die in Kombination mit einer intelligenten Liste von Zielsternen unser Budget angemessen halten, uns aber dennoch gute Erfolgschancen geben würden.

Ich hatte das Glück, eine großartige Gruppe von Doktoranden und Postdocs zu haben, auf die ich mich stützte, als mein Mann Mike krank wurde. Einen lasse ich an der Optik von ASTERIA arbeiten, einen anderen an der Präzisionsausrichtung, einen dritten an der Kommunikation. Mit ihrer Hilfe hatte ich Fortschritte in Richtung eines Prototyps für meine winzigen Satelliten gemacht, Hardware und Software für die Präzisionsausrichtung erfunden und getestet und das Design des Bordteleskops und seiner schützenden Schallwand perfektioniert. Ich habe hart daran gearbeitet, den Rest des Weges freizumachen, damit ASTERIA real werden kann. Nachdem wir die Grundlagen in der Design-and-Build-Klasse gelegt hatten, wurden meine Studenten und ich in unseren Bemühungen vom Draper Laboratory in Cambridge unterstützt, wo Forscher an Dingen wie Raketenleitsystemen und U-Boot-Navigation arbeiten. Sie arbeiten auch viel an Weltraumhardware. Wir trafen uns jede Woche und versuchten, die Probleme kleiner Teleskope zu lösen. Wir konnten Komponenten bauen, die klein genug waren, und wir konnten den Satelliten einsetzen und ihm sagen, was er tun sollte, aber wir konnten immer noch nicht herausfinden, wie wir ihn so stabil halten konnten, wie wir es brauchten. Während wir versuchten, dieses Problem zu lösen, nutzte ich meine laufende Forschung zu Biosignaturgasen, um festzustellen, welche Arten von Exoplaneten unseren Fokus verdienen. Ich dachte, wir könnten in meinem Leben etwa hundert Sternensysteme erforschen; es mussten die richtigen sein.

Ein Test in der Wüste

Die Nacht brach herein, wüstenhart und schwärzer als schwarz, als wir uns auf einer großen Betonfläche an einem alten Raketenstandort mitten in New Mexico zusammendrängten, um eine neue Komponente für ASTERIA zu testen. Ich war mir seines Wertes immer sicherer. Es war nicht Hubble oder Spitzer oder Kepler, und es könnte nie etwas so Großartiges sein. Aber nicht jedes Gemälde sollte oder könnte es sein Sternenklare Nacht . Es gibt Platz im Universum für kleinere Arbeiten, eine andere Art von Kunst. Kepler könnte Tausende neuer Welten finden, aber es würde nicht genug von einer einzigen von ihnen enthüllen, um zu wissen, ob es jemandes Zuhause war. Es ließ seinen Blick über Sternfelder schweifen, die zu weit entfernt waren, als dass Astronomen mehr als Vermutungen über Orte wie Kepler-22b anstellen könnten.

Aber wenn ich ASTERIA einfach zum Laufen bringen und dann einen Weg finden könnte, eine Flotte von Satelliten hochzuschicken, würde es die besten Ergebnisse des Kepler-Weltraumteleskops der NASA, das kleinere Planeten um sonnenähnliche Sterne finden kann, und der entstehenden TESS kombinieren. mit seiner näheren Suche und Empfindlichkeit gegenüber roten Zwergsternen.

ASTERIA cubsat

Ingenieure testen ASTERIA vor dem Start 2017.

NASA/JPL-CALTECH

Mein Team baute einen Prototyp für eine mögliche Kamera, die vielversprechend stabil war und bei einer höheren Temperatur betrieben werden konnte als die Detektoren, die in den meisten Satelliten verwendet werden. (Die meisten müssen gekühlt werden, was die Maschine belastet.) Ich war mir nur nicht sicher, ob sie sehen würde, was wir sehen wollten. Ich hatte damals eine besonders aufgeweckte und enthusiastische Doktorandin namens Mary Knapp; Sie war Studentin in der ersten Design-and-Build-Klasse, die ich unterrichtete. Sie ermutigte uns, die Kamera draußen zu testen und damit echte Sterne zu betrachten. Mary schlug die Wüsten von New Mexico als unser Testgelände vor. In diesem April würde Neumond sein und den bereits klaren Wüstenhimmel in ein noch pechschwarzeres Licht tauchen. Dieser Neumond fiel auch mit den Schulferien meiner Söhne Max und Alex zusammen, was bedeutete, dass ich sie mitnehmen konnte. So sehr ich die Sterne sehen wollte, wollte ich sie auch sehen.

Ich hatte einen örtlichen Club von Amateurastronomen gefragt, wo der beste Ort zum Testen unserer Kamera sein könnte. An diesem Abend luden sie uns zu ihrer Sternenschau-Party ein, einer Feier des Neumonds. Wir kamen in der Abenddämmerung am alten Raketenstandort an. Ich blickte zu den Sternen auf und spürte, wie mein kindliches Staunen zurückkehrte. Ich glaube, die Jungs haben das auch gespürt.

Wir stellen die Kamera auf. Wir mussten warten, bis wir wieder am MIT waren, um unsere Daten zu analysieren, aber unser neuer Detektortyp, der noch nicht für die Astronomie verwendet wurde, schien den Zweck zu erfüllen. Wir wussten zumindest, dass unser Experiment kein Totalausfall war.

Ein lang erwarteter Start

Im August 2017 bereitete SpaceX nach jahrelanger Arbeit, Hoffnung und Anstrengung den Start einer Falcon 9-Rakete ins All vor. Die Rakete hatte keine Besatzung, aber ASTERIA war an Bord.

Es war eine schwierige Reise gewesen. Die Kamera hatte ihren Weg von meiner Fantasie zu unserer Design-and-Build-Klasse gefunden, durch Zeichnungen und Prototypen und einen alten Raketenstandort in New Mexico. Dann war uns am MIT das Geld ausgegangen, und Draper Laboratory hatte die Technologie für andere Dinge besser gefallen. Das Jet Propulsion Laboratory, das sich schon immer für die Möglichkeiten von CubeSats und insbesondere ASTERIA interessiert hatte, machte dort weiter, wo MIT und Draper aufgehört hatten. Drei MIT-Absolventen würden dort führende Rollen in dem Projekt spielen; Sie nahmen ihre Arbeit ernst, nachdem sie aus erster Hand gesehen hatten, wie wichtig sie war. Ihre Leidenschaft und ihr Know-how sorgten dafür, dass ASTERIA alles werden konnte, was sie sein konnte, dass sie richtig gebaut und schließlich liebevoll in den Laderaum einer Rakete gestellt wurde, die an einem schönen Spätsommertag auf der Startrampe ächzte. Die Rakete würde in den Himmel schneiden und sich mit der Internationalen Raumstation treffen. Die Astronauten dort würden unseren kleinen Satelliten später im Herbst befreien. Von einem Flüstern in meinen Träumen in den Weltraum: Ich konnte nicht glauben, dass wir uns dem Ende einer so langen Abrechnung näherten.

Ich hatte geplant, zum ASTERIA-Start zu gehen, aber es verzögerte sich gerade lange genug, um Reise- und Kinderbetreuungspläne zu scheitern. Am Tag des Starts nahm ich stattdessen den Zug nach Cambridge, ging zum Green Building und nahm den Aufzug zu meiner Etage. Ich ging an den Reiseplakaten für ferne Welten vorbei in mein Büro, schloss die Tür und rief den Online-Videostream auf. Der Start war eine große Sache; Überall auf der Welt waren die Augen auf diese Rakete gerichtet, die immer noch auf der Plattform wartete.

Hin und wieder blickte ich von den wolkenlosen Florida-Aufnahmen auf meinem Bildschirm auf und aus meinen Fenstern auf meinen kristallklaren Blick auf die Innenstadt von Boston. Überall, wo ich hinsah, war klarer Himmel. Ich verbrachte vielleicht 30 Minuten in der Stille und schrieb Dankes-E-Mails an andere Mitglieder des ASTERIA-Teams. In letzter Sekunde entschied ich mich, sie nicht zu schicken. Ich weiß, dass Aberglaube unwissenschaftlich ist. Ich verstehe, dass es dem Universum egal ist, ob ein Baseballspieler seine Glücksunterwäsche trägt – ob er einen Treffer landet, hängt hauptsächlich vom Pitcher und von ihm ab. Aber Raketen sind empfindliche, schlecht gelaunte Maschinen. Bevor die Russen Raketen aus den Steppen Kasachstans in den Orbit starten, rufen sie einen orthodoxen Priester herbei, um Weihwasser auf die Booster zu werfen, seinen Bart und Umhang und das Weihwasser, das vom Wind seitwärts getragen wird. Ich würde nicht so weit gehen, aber ich würde nicht ein paar E-Mails senden, bis wir sicher schwerelos waren. Ich war überrascht, wie nervös ich war, als ich sah, wie die Countdown-Uhr bis zum Start ablief.

Die Triebwerke entzündeten sich mit einem großen großen Ball aus purem Feuer. Der Startturm fiel weg, und die Rakete bewegte sich langsam von der Startrampe, gewann an Geschwindigkeit und schob ihre glänzenden Schultern in Richtung ihrer zukünftigen Umlaufbahn. Die Kameras an Bord zeichneten seinen bogenförmigen Flug auf, während der Himmel um ihn herum von Blau über Violett zu Schwarz wechselte. Die Rakete war in den Weltraum eingedrungen. Die Booster wurden abgeworfen, und der Rest der Rakete stieg weiter in die tiefstmögliche Nacht, die Erde blau und leuchtend dahinter, eine unmögliche Schwärze voraus. Es würde eine Weile dauern, bis es die Raumstation eingeholt hatte, die mit 17.000 Meilen pro Stunde ihren eigenen Weg durch die Umlaufbahn raste, etwa fünf Meilen pro Sekunde. Aber die Rakete und unser Satellit waren auf einem guten Weg.

Alles Mutige muss irgendwo anfangen, dachte ich.

Glaube ich an anderes Leben im Universum?

Ja ich glaube.

Die bessere Frage: Was sagt unsere Suche danach über uns aus? Es sagt, wir sind neugierig. Es sagt, wir sind hoffnungsvoll. Es sagt, dass wir zu Wundern und wunderbaren Dingen fähig sind.


Seager-Buchcover

Angepasst und nachgedruckt von Die kleinsten Lichter im Universum . Urheberrecht 2020 von Sara Seager. Herausgegeben von Crown, einem Imprint der Random House Publishing Group, einem Geschäftsbereich von Penguin Random House.

verbergen