Το σχέδιο της NASA για να λύσει το μυστήριο της απουσίας εξωπλανητών

Σύνοψη

• Στα δεδομένα των τηλεσκοπίων Kepler και TESS απουσιάζουν συστηματικά πλανήτες με μέγεθος 1,5-2 φορές τη διάμετρο της Γης (Radius Valley).
• Οι επιστήμονες διχάζονται στο αν οι πλανήτες αυτής της κλίμακας είναι «αέριοι νάνοι» που χάνουν την ατμόσφαιρα υδρογόνου/ηλίου ή «υδάτινοι κόσμοι» πλούσιοι σε πτητικά στοιχεία.
• Η προτεινόμενη αποστολή EVE (πρόγραμμα SMEX) θα παρατηρήσει ταυτόχρονα σε πολλαπλά μήκη κύματος (NUV, Optical, NIR).
• Η ανακάλυψη 100 νεαρών εξωπλανητών ηλικίας κάτω των 50 εκατομμυρίων ετών σε διάστημα 2,5 ετών.

Το Σύμπαν κρύβει μαθηματικές και στατιστικές ασυμμετρίες που οι αστροφυσικοί πασχίζουν να αποκωδικοποιήσουν. Ίσως η πιο χαρακτηριστική από αυτές τις ασυμμετρίες τα τελευταία χρόνια, γνωστή στον επιστημονικό κλάδο ως η «Κοιλάδα των Ακτίνων» (Radius Valley) ή το «Κενό του Fulton», αφορά τα μεγέθη των εξωπλανητών. Παρότι έχουμε επιβεβαιώσει την ύπαρξη χιλιάδων κόσμων εκτός του Ηλιακού μας Συστήματος χάρη σε παρατηρητήρια όπως τα Kepler και TESS, διαπιστώνεται μια εξαιρετικά παράξενη έλλειψη: απουσιάζουν πλανήτες με μέγεθος 1,5 έως 2 φορές την ακτίνα της Γης. Το πλανητικό μας σύστημα δεν διαθέτει κανέναν πλανήτη σε αυτή την κλίμακα, κάνοντας τη μελέτη του συγκεκριμένου φαινομένου ακόμα πιο επιτακτική. Για να απαντήσει οριστικά σε αυτό το ερώτημα, η NASA εξετάζει την πρόταση κατασκευής και εκτόξευσης της αποστολής EVE (Early eVolution Explorer).

Το πρόβλημα της απουσίας συγκεκριμένων μεγεθών

Η ταξινόμηση των εξωπλανητών βασίζεται κυρίως στα δεδομένα από τη μέθοδο της διάβασης, κατά την οποία όταν ένας πλανήτης περνά μπροστά από το άστρο του, η μείωση της φωτεινότητας αποκαλύπτει την ακτίνα του. Ένα εκτενές δείγμα παρατηρήσεων έχει δείξει ότι οι μικροί πλανήτες χωρίζονται σαφώς σε δύο πληθυσμούς. Από τη μία πλευρά, έχουμε τις υπερ-Γαίες (Super-Earths), πλανήτες με βραχώδη πυρήνα και ακτίνα έως 1,5 φορά αυτή της Γης, ενώ από την άλλη, έχουμε τους υπο-Ποσειδώνες (Sub-Neptunes), πλανήτες με τεράστιες ατμόσφαιρες και μεγέθη μεταξύ 2 και 3 φορές την ακτίνα της Γης. Το ενδιάμεσο φάσμα μεγεθών είναι σχεδόν άδειο.

Δύο κυρίαρχες υποθέσεις συγκρούονται για να εξηγήσουν αυτή την κατανομή. 

Η πρώτη είναι η θεωρία των «Αέριων Νάνων» (Gas-Dwarfs) και σύμφωνα με αυτήν, οι υπο-Ποσειδώνες είναι βραχώδεις πλανήτες που διατηρούν μια τεράστια, αρχέγονη ατμόσφαιρα από υδρογόνο και ήλιο. Η διαρκής ακτινοβολία από το νεαρό μητρικό τους άστρο απογυμνώνει σταδιακά τα ελαφρύτερα αέρια, αφήνοντας πίσω μόνο τον γυμνό, βραχώδη πυρήνα (μετατρέποντάς τους σε υπερ-Γαίες). 

Η δεύτερη υπόθεση προτείνει ότι αυτοί οι πλανήτες είναι στην πραγματικότητα «Υδάτινοι Κόσμοι» (Water-Worlds), όπου αντί για ελαφρύ υδρογόνο, διαθέτουν πυκνές ατμόσφαιρες από υδρατμούς και τεράστιους ωκεανούς νερού ή άλλων πτητικών στοιχείων κάτω από ακραίες πιέσεις. Αυτά τα στοιχεία ανθίστανται περισσότερο στην αστρική ακτινοβολία, άρα η εξέλιξή τους διαφέρει θεαματικά.

Επειδή οι πλανήτες που παρατηρούν τα Kepler και TESS είναι συνήθως ηλικίας δισεκατομμυρίων ετών, τα ίχνη της αρχέγονης μορφής τους έχουν χαθεί. Οι μάζες και οι ακτίνες αυτών των «ώριμων» πλανητών είναι παρόμοιες και στις δύο θεωρίες, καθιστώντας αδύνατη την εξαγωγή ασφαλούς συμπεράσματος. Εκεί ακριβώς παρεμβαίνει η αποστολή EVE.

Τα χαρακτηριστικά και η στρατηγική της αποστολής EVE

Ο δορυφόρος EVE προτείνεται στο πλαίσιο του προγράμματος Small Explorers (SMEX) της NASA, ενός σχήματος που χρηματοδοτεί στοχευμένες, καινοτόμες αποστολές με συγκεκριμένο προϋπολογισμό. Αντί να παρατηρεί ώριμα αστρικά συστήματα, ο EVE θα στρέψει τα όργανά του αποκλειστικά σε νεαρά άστρα και αστρικά σμήνη με ηλικίες κάτω των 50 εκατομμυρίων ετών. Σε αυτή την ηλικία, οι πλανήτες βρίσκονται ακόμα στη διαδικασία διαμόρφωσης της τελικής τους μορφής. Τα πτητικά στοιχεία και οι εκτεταμένες ατμόσφαιρες δεν έχουν προλάβει να απομακρυνθούν πλήρως στο διάστημα.

Η καινοτομία του EVE έγκειται στο οπτικό του φορτίο. Σε αντίθεση με τους προκατόχους του που συλλέγουν δεδομένα στο ορατό φως ευρέως φάσματος, ο EVE θα φέρει όργανα ικανά για ταυτόχρονη, πολυφασματική φωτομετρία. Θα πραγματοποιεί μετρήσεις σε εγγύς υπεριώδες (Near-Ultraviolet – NUV), στο οπτικό φάσμα (Optical), και στο εγγύς υπέρυθρο (Near-Infrared – NIR). Η λειτουργία αυτή επιτρέπει τον εντοπισμό διακυμάνσεων στο μέγεθος της πλανητικής ατμόσφαιρας ανάλογα με το μήκος κύματος παρατήρησης, αναδεικνύοντας τα στοιχεία που την αποτελούν. Το εγγύς υπεριώδες είναι καθοριστικό για την παρατήρηση ατμοσφαιρών που διαφεύγουν με ταχείς ρυθμούς (atmospheric escape).

Το σκάφος θα τοποθετηθεί σε χαμηλή γήινη τροχιά (Low Earth Orbit) και αναμένεται να διεξάγει παρατηρήσεις διάρκειας 2,5 ετών. Η επιστημονική ομάδα έχει σχεδιάσει την κάλυψη 30 συγκεκριμένων πεδίων παρατήρησης, τα οποία είναι αυστηρά επιλεγμένα ώστε να μεγιστοποιήσουν τις πιθανότητες εντοπισμού νεαρών πλανητών.

Αναμένοντας τα αποτελέσματα

Σήμερα, η επιστημονική κοινότητα γνωρίζει μόνο 20 πλανήτες που βρίσκονται στο στάδιο διέλευσης και έχουν ηλικία κάτω των 50 εκατομμυρίων ετών, ένα δείγμα που αναμφίβολα θεωρείται στατιστικά ανεπαρκές. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι η αποστολή EVE θα εντοπίσει τουλάχιστον 100 νέους πλανήτες σε αυτά τα πρώιμα εξελικτικά στάδια και αυτή η δραματική αύξηση στο μέγεθος του δείγματος θα επιτρέψει στους ερευνητές να καθορίσουν τη συχνότητα αυτών των κόσμων με ακρίβεια 5% και, κυρίως, να αποκλείσουν οριστικά το ένα από τα δύο ενδεχόμενα (Gas-dwarfs ή Water-worlds).