A Kepler-űrtávcső megszakadt története

2014. február végén a NASA bejelentette, hogy a 2009 márciusában fellőtt Kepler űrtávcső csaknem megduplázta az ismert, megerősített exobolygók számát. Az exobolygók az extraszoláris, vagyis az idegen csillagok körül keringő égitestek. Létüket az érzékelésükre alkalmas műszerek hiányában évszázadokon át csak feltételezni lehetett, de a csillagászok kitartóan hittek a felfedezésükben. És nem is tévedtek: az űrtávcsövek egyre inkább lehetővé tették az észlelésüket, olyannyira, hogy az 1990-es évek elejére már össze tudtak állítani egy katalógust, az Extraszoláris bolygók enciklopédiája (L'Encyclopédie des Planets Extrasolaires) címmel. Ennek 2012. február 14-i bejegyzése szerint már 760 exobolygót ismerünk 609 bolygórendszerben, illetve 100 több-bolygós rendszerben.

2009. március 7-dikén hatalmas fényjelenségek kíséretében útnak indult a Kepler. Odafönn sokkal differenciáltabb fényváltozásokat kellett mérnie.

Miért éppen Kepler a neve?
A világűrben sokféle objektum – csillagászati műholdak és űrtávcsövek egész sora –  végez folyamatosan megfigyeléseket. Ezek egy jelentős része a gamma-, röntgen-, ultraibolya- és infravörös tartományban dolgozik illetve rádiócsillagászati műhold, egy másik része viszont optikai, vagyis a fény felhasználásán alapuló távcső.  Ilyen például a Hubble Space Telescope (Amerikai Egyesült Államok, Európa, 1990), a MOST (Microvariability and Oscillations of Stars; Kanada, 2002), a COROT (Convection RoTation and Planetary Transit (Franciaország 2006), A SIM (Space Interferometry Mission, USA, 2009), a  Starlight (USA, 2012) vagy a GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics, Európa, 2020) és a szóban forgó Kepler (USA, 2007).
Mint látható, a Kepler előtt felsoroltak között a Hubble az egyetlen, amely egy csillagászról kapta a nevét (a huszadik századi Edwin Hubble-ről), a többi név betűszó. Így éppen ideje volt egy másik, jeles csillagász nevét is megörökíteni egy ilyen, fontos műszeren. A választék nem volt kicsi, de alighanem azért döntöttek Kepler mellett, mert ő matematikusként, csillagászként és optikusként is sokat tett azért, hogy utódai egyszer majd űrtávcsöveket is építhessenek. Kepler, aki 1571 és 1630 között élt (és nem mellesleg kiemelkedően intelligens anyjának is köszönhette a pályaválasztását), már fiatalon felfedezte a bolygómozgás törvényeit, amelyek később Kepler-törvények néven vonultak be a tudománytörténetbe. Legfőbb művében, az 1596-ban kiadott Mysterium Cosmographicum-ban az akkor ismert hat bolygó pályáját vizsgálta. Ő volt az első, aki a bolygók mozgását valamilyen fizikai erő vagy hatás jelenlétével magyarázta, és azt feltételezte, hogy a bolygókat egy, a Napból kiáradó erő tartja a pályájukon. Feltételezését abban is igazolva látta, hogy ez az erő a Naptól távolabbra egyre gyengébb.1600-ban a kor legnagyobb csillagásza, Tycho Brahe segédje lett, II. Rudolf császár udvarában, Prágában. Ez mindkettőjük további munkáját jelentősen meghatározta. Brahe, aki kiváló megfigyelő volt, főként a légkör fénytörését vizsgálta, amihez Kepler a maga kiemelkedő matematikai tudásával járult hozzá. Brahe halála után, 1601-ben Kepler lett az udvari matematikus és csillagász. További munkája során kimutatta, hogy a Mars nem kör, hanem ellipszis alakú pályán mozog, és hogy annak egyik gyújtópontjában van a Nap (ez Kepler első törvénye). Pontosította annak megfigyelését, hogy a bolygók a Naphoz közelebb járva valóban gyorsabban mozognak, mint távolabb, és azt is levezette, hogy a bolygók vezérsugara azonos idők alatt azonos területet súrol (ez a második törvény). A két törvényt az 1609-ben megjelenő Astronomia Nova („Új csillagászat”) című művében tette közzé. Emellett Kepler egyik legjelentősebb munkája a Dioptrice („Optika”) volt, amelyben a fénytant teljes egészében tudományos szintre emelte. Foglalkozott a szem szerkezetével is, összegezte a látáshibák lényegét és fajtáit, és pontosan leírta a szemüveglencsék működését.
1611-ben pedig újfajta távcsövet alkotott, amelynek azóta is Kepler-távcső a neve.
A 17-dik századi, nagy előd nevét tehát méltán viseli az egyik legnagyobb űrmegfigyelő eszköz.

A távcsövön ilyen, apró CCD-k mérik a bolygók elhaladásától keletkező fénycsökkenéseket. A CCD feltalálásáért 2009. október 6-án Willard Boyle és George Smith (AT&T Bell Labs) megosztott fizikai Nobel-díjat kapott. (A díj másik fele Charles Kuan Kaónak jutott, aki az optikai szálakon való fénytovábbítás területén ért el kimagasló eredményeket.)

Mi a Kepler feladata?
A Kepler űrtávcsövet a Discovery-program keretében építették, és 2009. március 7-dikén délelőtt lőtték fel, azzal a céllal, hogy az égbolt egy előre kiválasztott területén (a Cygnus és a Lyra csillagképek határán) exobolygók után kutasson, az ún. fedési módszerrel.
A fedési módszer azt jelenti, hogy a távcső azt a fénycsökkenést észleli, amely akkor jön létre, amikor egy bolygó elhalad a csillaga előtt. A fényt 42 CCD méri, egy 1,4 méter átmérőjű, 95 centiméteres korrekciós lencsével rendelkező, 105 négyzetfokos látómezejű Schmidt-távcsövön. A CCD-k egyenként 2200×1024 pixel, összesen 95 megapixel felbontással dolgoznak. 
A CCD (Charge-coupled Device, azaz töltés-csatolt eszköz) egy analóg jelek továbbítására alkalmas, elektronikai alkatrész-lánc. Fotodiódával, vagyis fényérzékeny alkatrésszel kombinálva a fényt elektronikus jelekké alakítja, amelyeket egymáshoz csatolt kondenzátorokból álló, integrált áramkör fog össze. Egy külső áramkör révén minden kondenzátor képes átadni a töltését a szomszédjának, így olvasható ki a kép. (A CCD-ket a csillagászat mellett egyébként a digitális fotózásban is alkalmazzák.) A CCD-k pixeleit hat másodpercenként olvassák ki, és pixelenként 1 vagy 30 percenként integrálják egy-egy fényességadattá. A távcső beérkezett adatait a műhold fedélzetén tárolják, és havonta egyszer sugározzák le a Földre. (Elsősorban a Hawaii-szigetek Mauna Kea vulkánjának tetején álló, W. M. Keck Obszervatóriumba.)
Az exobolygók közvetlen megfigyelése nagyon nehéz, mivel a csillag fényereje elnyomja a megfigyelt bolygóét. Éppen ezért a csillagászok abban egyeztek meg, hogy az exobolygók biztonságos felfedezéséhez az áthaladáskor jelentkező, piciny mértékű (legalább 0,01%-os) fénycsökkenést legalább háromszor kell észlelni, vagyis legalább két periódust végig kell észlelni ahhoz, hogy a második periódus hosszának egyezésével kimutatható legyen a fedések rendszeressége. Ráadásul a bolygó csillag előtti elhaladását jelző, apró fényességcsökkenés más objektumoktól is eredhet. Ezért a Kepler által azonosított, akár több ezer fedést mutató égitesteket is csak akkor nyilvánítják létezőknek, ha sikerült színképekből kimutatni a csillagukra gyakorolt, gyenge gravitációs hatásukat is. A rengeteg Kepler bolygójelölt biztonságos megerősítése sok munkát és új eljárásokat is követelt a kutatóktól. Az egyik, ilyen új módszer a statisztikai alapú becslés. Sok Kepler célpontnál két- vagy több bolygójelölt is okozhat fedéseket. Egyetlen bolygó fedésére hasonlító, hamis jel állhat elő például akkor, ha egy irányban látszik egy fényes csillag és egy távoli, halvány fedési kettőscsillag. Ebben a helyzetben a három csillag összeadott fényességéhez képest a csillagfedés csak kis halványodást okoz. Az azonban kevésbé valószínű, hogy két ilyen, pontosan egy irányban látszó hamis pozitív forrás jelenjen meg, három vagy több egybeesése pedig szinte teljesen kizárható.  A valószínűség számítás alapján tehát meg lehet becsülni, hogy a kettő, de különösen a még több bolygójelölt-fedést mutató csillag körül valóban exobolygók keringenek-e. A számítás helyességét pedig olyan szimulációkkal lehet igazolni, amelyekből kiderül, hogy ha valóban akkora volna egy naprendszeren belül a bolygójelöltek távolsága, mint az ilyen egybeeséseknél, akkor a rendszer dinamikailag instabillá válna, vagyis szétesne, és a csillagok elnyúlt pályákra állnának, majd végül kidobódnának.
Az így elvégzett, alapos válogatás után végül 305 olyan csillag maradt, amelyek körül több, eddig még nem megerősített exobolygót lehetett azonosítani. A Kepler-féle mérések szerint a csillagok körül összesen 715 exobolygó kering, és akár hat kísérője is lehet egy csillagnak.
A felfedezhető bolygók legkisebb tömege 0,5 földtömegnyi, a csillagtól mért legnagyobb távolságuk 1CsE (csillagegység).
A Kepler mindezzel közvetlenül azt is meghatározza, hogy a Tejútrendszerben mennyire gyakoriak a földszerű – vagyis akár a földiéhez hasonló életet biztosító – bolygók a csillagok körüli lakható zónán belül. Az űrtávcső által talált, földszerű bolygók számából már komoly következtetést lehet levonni ezek gyakoriságára. Feltételezések szerint ha egy tucat, vagy annál több földszerű bolygót is érzékelt, akkor ez a bolygótípus elterjedtnek tekinthető, ami azt jelentheti, hogy az élet számára viszonylag sok hely lehetséges a világűrben.
A Kepler mérései hatalmas lépést jelentettek az exobolygók feltérképezése területén. Kiderült, hogy az általa megfigyelt területen túlnyomó többségben vannak a kisméretű égitestek, a szuper-Földek, a mini-Neptunuszok és a még kisebb kőzetbolygók. Az exobolygók többsége gázóriás. A legkisebb, Földhöz hasonló méretű, ismert kőzetbolygók száma most megnégyszereződött, de ezek között nincs még igazi Föld-szerű bolygó. Az eddigi eredmények két évnyi észlelési adatmennyiség feldolgozásán alapulnak – egy esetleges, egy év körüli keringési idejű kőzetbolygó felbukkanására még meg kell várnunk a további adatokat, sőt, lehet, hogy még további méréseket is. Amelyek azonban egy időben mintha veszélybe kerültek volna.

A Kepler több, Jupiter-típusú gázbolygót is talált, az exobolygók között. A mi naprendszerünk külső részén négy, gázokból álló óriásbolygó kering: a Jupiter, a Szaturnusz, az Uránusz és a Neptunusz. A képen láthatjuk a Naphoz viszonyított nagyságukat.

Bajban van-e a Kepler?
2013. május 14-dikén a NASA bejelentette, hogy az űrtávcső működését hardverhiba miatt le kellett állítaniuk, és bizonytalan, hogy ki tudják-e javítani a hibát. Mint a vizsgálatok során kiderült, hogy a távcső egyik, speciális pályastabilizáló eszköze, egy reakciókerék (gyakorlatilag lendkerék) romlott el. Ezekre a kerekekre a távcső rendszeres elforgatásához van szükség. A szerkezetet ugyanis negyedévenként (a napéjegyenlőségek és a napfordulók idején) egyszer elforgatják a hossztengelye körül 90 fokkal, hogy a napelemei állandóan napon, a hőleadó radiátorai pedig árnyékban legyenek.
A NASA és az űrtávcsövet megépítő Ball Aerospace munkatársai rengeteget dolgoztak azon, hogy beindítsák a lendkereket, de ez csak részben sikerült, így a Kepler az eredeti üzemmódjába már nem térhet vissza. Ez azonban nem jelenti azt, hogy más célokra nem lehet felhasználni. Teljesen tehát nem fogják kivonni a munkából, ezért a NASA felhívást tett közzé, és javaslatokat várt olyan programokra, amelyeket két lendkerékkel és csökkent fotometriai pontossággal lehet elvégezni.
A felhívásra 42 javaslat érkezett be, a legváltozatosabb témakörökben. A jelen pillanatban ezeket veszik sorra, így még a jövő zenéje, hogy a Kepler vajon a világűr mely szeletében és milyen megfigyeléseket fog elvégezni.

Lévai Júlia

Még több érdekességről olvashatsz a Mi MICSODA sorozat Bolygók és az űrkutatás című kötetében!

www.mimicsoda.hu