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Il mio satellite starebbe in una piccola valigia.
Ma potrebbe aiutarci a trovare altri mondi. 18 dicembre 2020
Sara Seager con un telescopio nel suo cortile, in attesa dell'oscurità del cielo notturno. Webb Chappell
Sara Seager ha riflettuto a lungo sulla matematica: le probabilità che la Terra abbia l'unica vita nell'universo sono quasi impossibili. La più grande scoperta che gli astronomi potrebbero fare è che non siamo soli, scrive l'astrofisica del MIT nel suo nuovo libro di memorie Le luci più piccole dell'universo . L'umanità ha cercato per secoli nei cieli un riflesso di noi stessi; vedere qualcuno o qualcos'altro, che abita un'altra Terra — questo è il sogno.
Pioniere nella ricerca di esopianeti, o pianeti in orbita attorno ad altre stelle, ha inventato la pratica ormai standard di studiare le atmosfere dei pianeti analizzando la luce che li filtra. Seager, che ha vinto una borsa di studio per il genio della MacArthur Foundation, è Professore di Scienze Planetarie della Classe del 1941 e ha anche incarichi nei Dipartimenti di Fisica, Aeronautica e Astronautica. Dal 2016 al 2020 è stata anche vicedirettrice scientifica della missione TESS (transiting exoplanet survey satellite) guidata dal MIT della NASA Explorer, e una guida per Starshade Rendezvous, uno studio di fattibilità per una missione spaziale per trovare e caratterizzare la Terra. esopianeti. Nelle sue memorie, condivide la sua storia personale di ritrovarsi vedova a 40 anni, improvvisamente madre single di due giovani figli, mentre spiega la scienza della sua ricerca di altri mondi.
Questo estratto, tratto da diverse sezioni del suo libro, racconta il suo lavoro per sviluppare ASTERIA. Un satellite delle dimensioni di una piccola valigia, ASTERIA è stato progettato per dimostrare la tecnologia necessaria a un minuscolo telescopio per cercare esopianeti rilevando il minuscolo calo nella luce di una stella quando un pianeta in orbita gli passa davanti. Seager ha avviato e sviluppato ASTERIA al MIT e in seguito è stato ricercatore principale mentre è stato costruito e gestito dal Jet Propulsion Laboratory da novembre 2017 a dicembre 2019.
Alla ricerca delle ombre per trovare altri mondi
Nella sua essenza, l'astrofisica è lo studio della luce. Sappiamo che ci sono stelle diverse dal sole perché possiamo vederle brillare. Ma la luce non si limita a illuminare. La luce inquina. Persiane leggere. Piccole luci - esopianeti - sono state sbiadite per sempre dalle luci più grandi delle loro stelle, come quelle stelle sono sbiadite dal nostro sole. Per trovare un'altra Terra, dovremmo trovare le luci più piccole dell'universo.
Se, almeno per il momento, gli astronomi non potessero combattere la luminosità delle stelle, forse potremmo usare il loro potere a nostro vantaggio. I corpi in transito a volte si allineano. Se fossimo fortunati, un pianeta potrebbe passare tra noi e la sua stella, creando qualcosa come un'eclissi in miniatura. La luna sembra gigante quando oscura il sole. La Tecnica del Transito, come sarebbe stata chiamata, applicava lo stesso principio agli esopianeti. Non li troveremmo per la luce che emettevano, ma per la luce che guastavano. Niente spicca come una macchia nera.
Nell'autunno del 1999, mentre ero un borsista post-dottorato presso l'Institute for Advanced Study di Princeton, fu annunciato il primo transito di un pianeta conosciuto, HD 209458b, un caldo Giove. È stata una notizia assolutamente fantastica, in parte perché la scoperta ha cancellato l'ultimo briciolo di dubbio sull'esistenza degli esopianeti.
Studiare la luce delle stelle per i segni di vita
Stavo girando un'idea, davvero originale, e l'uso riuscito della Tecnica del Transito le ha dato maggiore urgenza. Molta scienza, in particolare la scienza pionieristica, si basa sull'intuizione. Non avevo alcuna prova che la mia idea avrebbe funzionato. Ma ero senza dubbio. Mi ero reso conto che la tecnica avrebbe potuto rivelare qualcosa di più della sagoma nera di un pianeta. Immediatamente intorno a quella minuscola eclissi parziale, la stessa luce stellare bloccata da un esopianeta sarebbe passata attraverso la sua atmosfera. La luce delle stelle ci raggiungerebbe, ma non nel modo in cui la normale luce delle stelle ci raggiunge. Sarebbe filtrato, come l'acqua che scorre attraverso uno schermo o il raggio di una torcia che lotta nella nebbia. Se guardi un arcobaleno da lontano, i suoi numerosi colori formano un'unione perfetta. Ma se osservi un arcobaleno più da vicino, usando uno strumento chiamato spettrografo, puoi vedere lacune nella luce, minuscole rotture in ogni lunghezza d'onda come denti mancanti. I gas nell'atmosfera solare e il sottile involucro della Terra interrompono la trasmissione della luce solare, nel modo in cui le linee elettriche causano elettricità statica in un segnale radio. Alcuni gas interferiscono in modi rivelatori. Un gas potrebbe prendere un morso dall'indaco, mentre un altro gas potrebbe avere appetito per il giallo o il blu. Perché non potremmo usare uno spettrografo per osservare la luce delle stelle che passa attraverso l'atmosfera di un esopianeta in transito? In questo modo potremmo determinare quali tipi di gas circondano quell'esopianeta. Sapevamo già che è probabile che grandi quantità di determinati gas esistano solo in presenza di vita. Li chiamiamo gas a firma biologica. L'ossigeno è uno; il metano è un altro. Potremmo iniziare con i gioviani caldi, i pianeti che già conosciamo e le loro atmosfere più facilmente rilevabili. Come lo spray di una puzzola, le loro tracce di sodio e potassio risalteranno in mezzo alla compagnia di atomi meno potenti. Ho tenuto la mia idea per me, perché sapevo che era grandiosa - sono stato il primo a vedere il potenziale della Tecnica di transito per studiare le atmosfere - e sapevo anche che le grandi idee vengono rubate. Dimitar Sasselov, il mio ex supervisore del dottorato, è stata l'unica persona a cui ho parlato della mia teoria e si è offerto di aiutarmi ad avvicinarla alla pratica. Dopo aver elaborato i dettagli, ho pubblicato un articolo in cui esaltava ciò che Dimitar e io chiamavamo spettri di trasmissione di transito: leggere le lacune negli arcobaleni.
Il mio articolo ha ricevuto una notevole attenzione. La NASA stava accettando proposte per utilizzare il telescopio spaziale Hubble; entro pochi mesi dalla pubblicazione, un team ha citato il mio lavoro e ha vinto i diritti per studiare la luce che è passata attraverso l'atmosfera di un Giove caldo in transito. Ero furioso di non essere incluso in quella squadra, che ha scelto uno scienziato maschio più anziano su di me.
Nel giro di due anni, il loro lavoro ha rivelato la prima atmosfera di un esopianeta. Non circondava un'altra Terra, ma la mia premessa aveva funzionato. Avevamo visto il nostro primo cielo alieno.
Spiare stelle con minuscoli satelliti
Uno dei grandi ostacoli nella ricerca di esopianeti è il tempo necessario per trovarli. Le stelle simili al sole più vicine e più luminose sono sparse in tutto il cielo, il che significa che nessun telescopio può accoglierne più di poche alla volta. Ma è proibitivo, oltre che insensato, usare qualcosa come Hubble o Spitzer per fissare un singolo sistema stellare in attesa, sperando, di vedere le ombre di pianeti che non siamo sicuri esistano. La corretta mappatura di un sistema stellare potrebbe richiedere anni.
Stavo cercando di fare un piano a lungo termine per trovare un'altra Terra quando ho appreso di ciò che la comunità aveva iniziato a chiamare cubesat: minuscoli satelliti progettati secondo una forma standard, che presumibilmente li rendeva più economici e più facili da costruire e consegnare nello spazio. E se creassi una costellazione di cubetti, ognuno assegnato a guardare solo una stella? Ho sognato telescopi spaziali delle dimensioni di una pagnotta, non uno, ma un esercito, che si espandeva in orbita a ventaglio come tanti esploratori avanzati. Ognuno poteva stabilirsi e monitorare la sua stella simile al sole assegnata per tutto il tempo di cui avevo bisogno; ognuno potrebbe essere dedicato all'apprendimento di tutto ciò che è possibile su una singola luce. Hubble, Spitzer, Keplero: ognuno di loro ha visto enormemente. Forse ora avevamo bisogno di decine o centinaia di sguardi più ristretti, usando la Tecnica del Transito come metodo principale di scoperta. I Cubesat non vedrebbero ciò che i telescopi spaziali più grandi potrebbero vedere, ma non avrebbero mai bisogno di battere le palpebre.
Questo panorama del cielo settentrionale catturato da TESS (satellite per il rilevamento di esopianeti in transito) include una vista laterale della Via Lattea. Sara Seager è stata vicedirettore scientifico della TESS, una missione della NASA Explorer, guidata dal MIT, dal 2016 al 2020.
NASA/MIT/TESS E ETHAN KRUSE (USRA)
Ho parlato con David Miller, un collega e professore di ingegneria che era responsabile di quello che sarebbe diventato uno dei miei corsi preferiti: un corso di progettazione e costruzione per studenti del quarto anno. È stato rivoluzionario quando è iniziato, perché era così basato su progetti; dopo alcune lezioni introduttive, gli studenti si sono tuffati nelle sfide della realizzazione di un vero satellite. Ho chiesto a David se potevo usare la sua classe per incubare la mia idea cubesat.
Era entusiasta fin dall'inizio. Forse la cosa migliore del MIT è che, per quanto pazza sia la tua idea, nessuno dice che non funzionerà finché non si sarà rivelata impraticabile. E spremere un telescopio spaziale all'interno di qualcosa di piccolo come un cubesat è stata un'idea piuttosto folle. La sfida principale sarebbe creare qualcosa di piccolo che fosse ancora abbastanza stabile da raccogliere dati chiari, un compito arduo perché i satelliti più piccoli, come qualsiasi altra cosa più piccola, vengono spinti nello spazio più facilmente degli oggetti più grandi. Per effettuare misurazioni precise della luminosità di una stella, dovremmo essere in grado di mantenere il suo centro di luminosità fissato alla stessa minuscola frazione di pixel, molto più fine della larghezza di un capello umano. Avremmo dovuto creare qualcosa che fosse cento volte migliore di qualsiasi cosa che esistesse attualmente nella classe di massa del cubesat. Immagina di realizzare un motore per auto che funzioni cento volte meglio del miglior motore per auto di oggi.
Facciamolo, disse David.
Statistiche e hardware spaziale
I Cubesat sono molto più economici dei normali satelliti, perché sono più piccoli e più facili da lanciare; occupano molto meno spazio nella stiva di un razzo e mandare un chilo di qualcosa nello spazio costa $ 10.000. Sfortunatamente, la loro fabbricazione a basso costo li rende inclini al fallimento. Molti di loro non funzionano mai. Usiamo per loro lo stesso termine senza speranza che i medici usano per i pazienti che non hanno mai avuto la possibilità di salvare: DOA.
Uno dei nostri primi ostacoli, quindi, è stato un problema di statistica. (Ogni problema è un problema di statistiche.) Per creare la nuvola di cubetti che sarebbe stata chiamata ASTERIA, dovevamo capire di quanti satelliti avremmo avuto bisogno per darci una ragionevole possibilità di trovare un altro pianeta delle dimensioni della Terra. Valeva la pena monitorare migliaia di stelle luminose simili al sole, ma non saremmo in grado di costruire e gestire migliaia di satelliti. Sapevamo anche che, data la natura effimera dei transiti, le probabilità che un pianeta delle dimensioni della Terra transitasse su una stella simile al Sole erano solo circa 1 su 200. Alcuni dei nostri satelliti senza dubbio avrebbero anche fallito o sarebbero andati persi. Se ne inviassimo solo alcuni, dovremmo essere molto strategici o molto fortunati per trovare quello che stavamo cercando. C'era un numero ottimale di satelliti che, combinato con un elenco intelligente di stelle target, avrebbe mantenuto il nostro budget ragionevole ma ci avrebbe comunque dato buone possibilità di successo.
Sono stato fortunato ad avere un grande gruppo di studenti laureati e dottorandi a cui mi sono appoggiato quando mio marito, Mike, si è ammalato. Ne ho impostato uno per lavorare sull'ottica di ASTERIA, un altro sul puntamento di precisione, un terzo sulle comunicazioni. Con il loro aiuto, avevo fatto progressi verso un prototipo per i miei minuscoli satelliti, inventando e testando hardware e software di puntamento di precisione e perfezionando il design del telescopio di bordo e del suo deflettore protettivo. Ho lavorato duramente per liberare il resto del percorso affinché ASTERIA diventasse reale. Dopo aver gettato le basi nella classe di progettazione e costruzione, i miei studenti e io siamo stati raggiunti nei nostri sforzi dal Draper Laboratory di Cambridge, dove i ricercatori lavorano su cose come i sistemi di guida missilistica e la navigazione sottomarina. Fanno anche molto lavoro sull'hardware spaziale. Abbiamo avuto incontri ogni settimana, cercando di risolvere i problemi dei piccoli telescopi. Potevamo costruire componenti abbastanza piccoli e potevamo schierare il satellite e dirgli cosa fare, ma non riuscivamo ancora a capire come mantenerlo stabile come dovevamo. Mentre cercavamo di risolvere questo problema, ho usato la mia ricerca in corso sui gas a biosignatura per determinare quali tipi di esopianeti meritassero la nostra attenzione. Ho pensato che potremmo essere in grado di esplorare un centinaio di sistemi stellari nella mia vita; dovevano essere quelli giusti.
Una prova nel deserto
Scese la notte, dura come il deserto e più nera del nero, mentre ci rannicchiavamo insieme su un grande pezzo di cemento in un vecchio sito missilistico nel mezzo del New Mexico per testare un nuovo componente per ASTERIA. Ero sempre più certo del suo valore. Non era Hubble o Spitzer o Keplero, e potrebbe non essere mai qualcosa di così magnifico. Ma non tutti i dipinti dovrebbero o potrebbero esserlo Notte stellata . C'è spazio nell'universo per lavori più piccoli, un diverso tipo di arte. Keplero potrebbe trovare migliaia di nuovi mondi, ma non rivelerebbe abbastanza di nessuno di essi per farci sapere se era la casa di qualcuno. Stava scrutando campi stellari troppo lontani perché gli astronomi potessero fare qualcosa di più che supposizioni su luoghi come Kepler-22b.
Ma se potessi solo far funzionare ASTERIA e poi trovare un modo per inviare una flotta di satelliti, combinerebbe i migliori risultati del telescopio spaziale Kepler della NASA, in grado di trovare pianeti più piccoli attorno a stelle simili al sole, e il nascente TESS, con la sua ricerca e sensibilità più vicine alle stelle nane rosse.
Gli ingegneri testano ASTERIA prima del suo lancio nel 2017.
NASA/JPL-CALTECHIl mio team ha costruito un prototipo per una possibile telecamera, che fosse promettente stabile e potesse funzionare a una temperatura più calda rispetto ai rivelatori utilizzati nella maggior parte dei satelliti. (La maggior parte deve essere raffreddata, il che mette a dura prova la macchina.) Non ero sicuro che avrebbe visto ciò di cui avevamo bisogno. All'epoca avevo una studentessa laureata particolarmente brillante ed entusiasta, di nome Mary Knapp; era stata una studentessa nel primo corso di progettazione e costruzione che ho insegnato. Ci ha incoraggiato a testare la fotocamera all'esterno, usandola per guardare le vere stelle. Mary ha proposto i deserti del New Mexico come nostro banco di prova. Quell'aprile ci sarebbe stata una luna nuova, che avrebbe proiettato il cielo già limpido del deserto di un nero ancora più cupo. Quella luna nuova ha coinciso anche con le vacanze scolastiche per i miei figli, Max e Alex, il che significava che potevo portarli con me. Per quanto volessi vedere le stelle, volevo vederle anch'io.
Avevo chiesto a un club locale di astrofili dove potesse essere il posto migliore per testare la nostra macchina fotografica. Quella notte ci hanno invitato alla loro festa per l'osservazione delle stelle, una celebrazione della luna nuova. Siamo arrivati al tramonto al vecchio sito missilistico. Alzai lo sguardo verso le stelle e sentii ritornare la mia meraviglia infantile. Penso che anche i ragazzi lo abbiano sentito.
Installiamo la fotocamera. Avremmo dovuto aspettare fino al nostro ritorno al MIT per analizzare i nostri dati, ma il nostro nuovo tipo di rivelatore, uno non ancora utilizzato per l'astronomia, sembrava fare il trucco. Sapevamo almeno che il nostro esperimento non era un fallimento totale.
Un lancio tanto atteso
Nell'agosto 2017, dopo anni di lavoro, speranza e impegno, SpaceX si è preparata a lanciare un razzo Falcon 9 nello spazio. Il razzo non aveva un equipaggio, ma ASTERIA era a bordo.
Era stato un viaggio difficile. La fotocamera si è fatta strada dalla mia immaginazione alla nostra classe di progettazione e costruzione, attraverso disegni e prototipi e un vecchio sito missilistico nel New Mexico. Poi avremmo finito i soldi al MIT e ai Draper Laboratory era piaciuta di più la tecnologia per altre cose. Il Jet Propulsion Laboratory, da sempre interessato alle possibilità dei cubesat e di ASTERIA in particolare, riprende da dove MIT e Draper si erano interrotti. Tre laureati del MIT avrebbero svolto ruoli di primo piano nel progetto; hanno preso sul serio il loro lavoro, avendo visto in prima persona quanto contasse. La loro passione e competenza hanno fatto in modo che ASTERIA diventasse tutto ciò che poteva essere, che fosse costruita nel modo giusto e infine riposta amorevolmente nella stiva di un razzo, gemendo sul trampolino di lancio in una bella giornata di fine estate. Il razzo avrebbe squarciato il cielo e si sarebbe incontrato con la Stazione Spaziale Internazionale. Gli astronauti avrebbero liberato il nostro piccolo satellite più tardi in autunno. Da un sussurro nei miei sogni allo spazio: non potevo credere che ci stessimo avvicinando alla fine di una resa dei conti così lunga.
Avevo programmato di andare al lancio di ASTERIA, ma è stato ritardato abbastanza a lungo da far fallire i piani di viaggio e assistenza all'infanzia. Il giorno del varo, invece, presi il treno per Cambridge, andai al Green Building e presi l'ascensore fino al mio piano. Passai davanti ai poster di viaggio per mondi lontani nel mio ufficio, chiusi la porta e richiamai il flusso video online. Il lancio è stato un grosso problema; in tutto il mondo, gli occhi erano puntati su quel razzo, ancora in attesa sul pad.
Ogni tanto alzavo lo sguardo dal filmato senza nuvole della Florida sul mio schermo e fuori dalle mie finestre, alla mia vista cristallina del centro di Boston. C'erano cieli sereni ovunque guardassi. Ho passato forse 30 minuti in silenzio, scrivendo e-mail di ringraziamento ad altri membri del team ASTERIA. All'ultimo secondo ho deciso di non inviarli. So che la superstizione non è scientifica. Capisco che non importa per l'universo se un giocatore di baseball indossa la sua biancheria intima fortunata: se ottiene un successo dipende principalmente dal lanciatore e da lui. Ma i razzi sono macchine delicate e irascibili. Prima che i russi lancino in orbita razzi dalle steppe del Kazakistan, chiamano un prete ortodosso per lanciare acqua santa contro i booster, la sua barba e mantello e l'acqua santa portata di lato dal vento. Non stavo andando così lontano, ma non avrei inviato un paio di e-mail finché non fossimo stati al sicuro senza peso. Sono rimasto sorpreso da quanto fossi nervoso, guardando il conto alla rovescia scorrere verso il basso per il lancio.
I motori si accesero con una grande palla di puro fuoco. La torre di lancio cadde e il razzo si allontanò dalla piattaforma, acquistò velocità e spinse le sue spalle lucenti verso la sua orbita futura. Le telecamere di bordo hanno registrato il suo volo ad arco mentre il cielo intorno passava dal blu al viola al nero. Il razzo aveva fatto irruzione nello spazio. I booster furono lanciati in mare e il resto del razzo continuò la sua scalata nella notte più profonda possibile, la Terra blu e illuminata dietro di essa, un'oscurità impossibile davanti. Ci sarebbe voluto un po' di tempo prima che raggiungesse la stazione spaziale, che stava correndo attraverso l'orbita a 17.000 miglia orarie, circa cinque miglia al secondo. Ma il razzo e il nostro satellite erano a buon punto.
Tutto ciò che è coraggioso deve iniziare da qualche parte, ho pensato.
Credo in un'altra vita nell'universo?
Si ci credo.
La domanda migliore: cosa dice di noi la nostra ricerca? Dice che siamo curiosi. Dice che siamo fiduciosi. Dice che siamo capaci di meraviglia e di cose meravigliose.
Adattato e ristampato da Le luci più piccole dell'universo . Copyright 2020 di Sara Seager. Pubblicato da Crown, un'impronta del Random House Publishing Group, una divisione di Penguin Random House.