En ljummen Florida kväll, och min familj och jag stod på Cocoa Beach, ser norrut mot Cape Canaveral Air Force Station. Vi var en del av en folkmassa vid havet som samlats för att bevittna lanseringen av NASA:s Kepler-rymdteleskop. När eldklotet dök upp och sakta började stiga i fjärran, vi hejade med våra medobservatörer. Cirka 30 sekunder senare, vi kände marken mullra och hörde det djupa dånet, se Delta II-raketen klättra upp på natthimlen och accelerera när den styrde ut över havet.

Kepler fortsatte med att tillbringa nio år i rymden för att leta efter galaktiska grannar som oss:planeter i jordstorlek som kretsar kring solliknande stjärnor. Kepler tittade på en del av Vintergatans galax som inkluderade miljontals stjärnor. Den skickade tillbaka data om nästan 200, 000 av dem och hittade fler än 2, 300 exoplaneter – planeter utanför vårt solsystem.

"Med data från Kepler, vi har mer exakt och detaljerad information än vi någonsin haft tidigare, säger astrofysikern Eric Ford, som ingick i Keplers forskarteam. Ford och hans kollegor vid Penn State's Center for Exoplanets and Habitable Worlds bygger på arvet från Evan Pugh professor Alex Wolszczan, som upptäckte de första kända exoplaneterna 1992 med hjälp av undersökningar från markbaserade instrument. "Kepler hittade tusentals planeter, " säger Ford. "Astronomer skulle älska att lära sig mer om dem alla, men det finns inte tillräckligt med teleskoptid. Eftersom människor är särskilt intresserade av att lära sig mer om de som kan likna jorden, vi planerar att koncentrera oss på att karakterisera planeter i de beboeliga zonerna i deras planetsystem."

Den beboeliga zonen är en region inom ett solsystem – ett avstånd som inte är för nära och inte för långt från en sol – där en planet skulle ha de förutsättningar som krävs för att ha flytande vatten på sin yta, ett viktigt krav för existensen av kolbaserat liv som vi känner det. James Kasting, Evan Pugh professor i geovetenskaper, var en av de tidiga utvecklarna av konceptet. Planetens yttemperatur måste vara över vattnets fryspunkt och under kokpunkten. Andra förhållanden spelar också in, inklusive planetens massa, rotation, och atmosfär. Bland Kepler-exoplaneterna som hittills har analyserats, flera dussin anses vara i den beboeliga zonen för sin stjärna.

Erik Ford, en medlem av Keplers vetenskapsteam, studerar hur planeter bildas och utvecklas, både i vårt solsystem och i andra. Många av de system som Kepler hittade skiljer sig mycket från våra, väcker nya frågor om hur planetsystem utvecklas och varför de förekommer i så olika former. Kepler-instrumentet är uppkallat efter den tyske astronomen Johannes Kepler, som i början av 1600-talet formulerade tre lagar för planetrörelse.

Hur man hittar en exoplanet

I sitt sökande efter exoplaneter, Keplermissionen använde transitmetoden, använder digitalkameraliknande teknik för att upptäcka och mäta små nedgångar i en stjärnas ljusstyrka när en planet korsar framför stjärnan. Med observationer av transiterande planeter, astronomer kan beräkna förhållandet mellan en planets radie och dess stjärna - i huvudsak storleken på planetens skugga - och med det förhållandet kan de beräkna planetens storlek. "Vi vet storleken på tusentals planeter tack vare transiteringsmetoden, " säger Ford.

Även om dess soldrivna elektronik skulle kunna fortsätta fungera under lång tid, den senaste hösten, Kepler fick slut på hydrazinbränslet som behövs för att orientera sig exakt, och NASA pensionerade rymdfarkosten. Det är nu 94 miljoner miles bort, i en bana som släpar efter jorden runt solen. Men uppdraget producerade tillräckligt med data för att hålla astronomer sysselsatta i många år framöver. Och nu, ett nytt NASA-uppdrag utökar Keplers räkning av exoplaneter genom att rikta sig närmare, ljusare stjärnor.

TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), som lanserades i april förra året, scannar nästan hela himlen, ett plåster i taget, letar efter transitplaneter runt de närmaste stjärnorna. Medan de typiska stjärnorna som Kepler observerade var från 300 till 3, 000 ljusår bort (ett ljusår är ungefär sex biljoner miles), TESS tittar på stjärnor som bara är tiotals ljusår bort. Och istället för att spendera år på att titta på en enda fläck av himlen, som Kepler gjorde, TESS kommer att flytta sin vy från ett fläck av himlen till nästa.

Genom att använda TESS-observationer av ljusare stjärnor – i genomsnitt 30 till 100 gånger ljusare än de stjärnor som Kepler undersökte – kommer astronomer att kunna inspektera planeter närmare och göra uppföljningsobservationer lättare. "Med TESS, vi fokuserar på att söka efter planeter runt stjärnor som är närmare oss, eftersom vi kommer att kunna karakterisera dem mer effektivt, " säger Ford. Data från TESS kommer att ge information om en planets storlek och omloppsperiod, och uppföljande observationer med andra instrument kommer att göra det möjligt för forskare att mäta massorna och beskriva atmosfären på dessa planeter.

Men lika värdefull som transitmetoden är för planetstudier, det har sina begränsningar. "Transiter låter dig bara se planeter som råkar korsa mellan oss och stjärnan vi tittar på, " förklarar astrofysikern Fabienne Bastien. "Radiella hastigheter gör det möjligt för oss att se planetsystem i andra orienteringar."

Kallas även dopplerspektroskopi, den markbaserade metoden för radiell hastighet var faktiskt den första tekniken för att upptäcka exoplaneter med solliknande stjärnor. Det är baserat på det faktum att en stjärna vinglar något som svar på en kretsande planets gravitationsdrag. Dessa små rörelser påverkar stjärnans ljusspektrum, eller färgsignatur. När stjärnan rör sig något bort från en observatör, ljusets våglängd förlängs något, skiftar mot den röda änden av spektrumet. När den kretsande planeten drar stjärnan något mot observatören, stjärnans ljus skiftar mot det blå. Genom upprepade observationer av förändringar i stjärnans spektrum, forskare kan beräkna planetens massa.

Bastien, vars forskning fokuserar på värdstjärnorna i planetsystem, kombinerar transitdata med studier av radiell hastighet för att lära dig mer om avlägsna solar. "Dessa solar har fläckar och blossar och alla typer av aktiviteter som antingen kan efterlikna eller maskera en exoplanetsignal, " säger hon. "Mycket av mitt arbete går ut på att lösa upp planetsignalen från stjärnsignalen, så vi kan bekräfta att det faktiskt är en planet vi ser. Penn State är redan ett kraftpaket för radiell hastighet, och jag är exalterad över två nya spektrografer som är mycket känsligare än vad vi har haft hittills och som dramatiskt kommer att förbättra våra studier."

Dessa nya världsklass, mycket känsliga spektrografer, byggd av ett Penn State-team ledd av astrofysikern Suvrath Mahadevan, håller på att förändra det radiella hastighetslandskapet. De kommer att mäta radiella hastigheter extremt exakt för att karakterisera planeter med låg massa i eller nära deras stjärnors beboeliga zoner. En spektrograf är designad för optisk studie av närliggande solliknande stjärnor, och den andra för att detektera kylare, svagare, stjärnor med lägre massa med infrarött ljus.

"Jag kan inte vänta med att använda dessa spektrografer för att utforska några idéer jag har för att hitta beboeliga exoplaneter, " Bastien says. "I want to start a planet search around some stars that haven't received much attention because they're too noisy—there are complicating factors around them that make them difficult to study. The group here is enthusiastic and collaborative and open to new ideas, so there are all sorts of possibilities."

Fabienne Bastien studies the host stars of planetary systems. It's fairly easy to find a star, but knowing whether it has planets orbiting around it is much harder. Two approaches Bastien uses are the transit method and the radial velocity method.

All planetary systems are not alike

As researchers learn more about potential habitable zones of distant solar systems, they also want to learn about how those systems might have formed and evolved. That's the research focus of astrophysicist Rebekah Dawson. "It's an exciting time because so many new planets have been discovered in other solar systems and they're very different from the planets in our solar system, " she says. "Exoplanet discoveries forced us to change our understanding of solar system and planet formation."

Till exempel, Kepler found a lot of planets with sizes between that of Earth and Neptune (about four times Earth's diameter), that are as close to their stars as Mercury is to the Sun, or even closer. "These planets are common in other planetary systems, and we have nothing like them in our solar system, " Dawson says. "So we're going back to the drawing board with some of our theories for how planets form and what happens early in planetary systems, now that we don't have just our solar system to judge these theories against."

Dawson's research on planetary systems can in turn inform and provide context for studies of individual planet formation. By understanding what might have been happening early on in a planetary system, she and her colleagues can develop theories about how planets might form in that system. Till exempel, as giant planets gravitationally interact with each other, they could be sending asteroids and comets into regions where terrestrial planets are forming, and that could influence the composition of those planets.

Among Dawson's research interests are hot Jupiters, some of the first exoplanets ever discovered. Similar in mass to our Jupiter, these giant gas planets are much closer to their sun than Jupiter is to our Sun. They complete an orbit in three to four days. "That's not where we expected to find giant gas planets in their solar systems, " Dawson says. "We're trying to understand their origin and how they could be so close to their star. One theory is that after these hot Jupiters formed, they were put into an extremely elliptical orbit that would bring them close to their star, and then tidal friction—tides raised on the Jupiter by the star—caused the orbit to shrink and become more circular.

"I sometimes think of a planetary system as an ecosystem that could support a potentially habitable planet, and we have to understand how the whole thing functions to really understand if that planet is habitable and what its formation history is, " Dawson continues. "When we started to learn about those hot Jupiters and how their orbits might have been altered, that has implications for the rest of the planetary system. If that were happening, it would probably wipe out any planets in between the hot Jupiter and the star, so that region wouldn't be a likely place to find a habitable planet"—even if it's the right distance from the star to be in the habitable zone.

Rebekah Dawson studies how planetary systems formed and evolved. Kepler has revealed that many of the planets in other systems are very different from the planets in our own solar system, and that just because a planet is in a system's habitable zone doesn't mean that it is habitable.

Vart går vi härifrån?

Fabienne Bastien recalls the sense of wonder she felt when, as a graduate student, she heard Kepler scientist Natalie Batalha speak of her own realization that the stars we see at night are more than distant suns. "Now we know that they're not just stars, they're planetary systems, " she says—each one potentially home to habitable worlds.

With everything astronomers have learned about that potential, there's still much that remains a mystery. Current methods are just beginning to characterize the atmospheres of exoplanets and determine whether a planet in the habitable zone might have a surface that is conducive or hostile to life. Recent progress gives scientists a better idea of what questions to ask and what kinds of instruments are needed to address them.

"When astronomers have just discovered a planet, we could say it's potentially habitable, but that is more a statement of our limited knowledge than of the properties of the planet, " Ford says. "We want to design a hypothesis that is testable through observations we're able to make. If we can find 100 rocky planets in the habitable zone and characterize their atmospheres to look for water and biomarkers, then we might find some really fascinating planets—but there's also the possibility that we conclude that none of them are suitable for Earth-like life."

One long-term goal for astronomers is direct detection of exoplanets, rather than having to infer their existence through transit or radial velocity studies. Dawson is now serving on a team laying the groundwork for a Large UV Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), a multi-wavelength space observatory concept being studied by NASA's Goddard Space Flight Center. LUVOIR is envisioned to be a twelve- to fifteen-meter diameter telescope that would operate about a million miles from Earth. It would allow scientists to recognize planets directly, as small bright bodies against the dark of space. Once a planet is identified, other techniques could then be used to measure its mass and examine other important features.

As researchers look to new technologies such as the new spectrographs, LUVOIR, and other future missions, they're optimistic that one day we'll know whether our solar system is a rare phenomenon or if life does indeed exist on other planets.

"If you think about it, it's amazing that Earth has both continents and oceans, as well as an atmosphere and climate that sustain life, " Ford says. "Is that significant? Is it just the right balance? Is Earth a great coincidence or does planet formation often produce similar planets?"

"Before exoplanets were discovered, I think a lot of us expected every planetary system to look like the solar system, or we thought most stars don't have planets, " Dawson adds. "But instead, what we're seeing is that most stars do have planets, and a lot of these planetary systems are very different from our solar system. Does that make the solar system unusual? Vi vet inte än. Despite our best instruments and technology, we're still only looking in our own little neighborhood of the galaxy.

"Lyckligtvis, I don't think we necessarily need to look at all the stars in the galaxy to know whether our solar system is unusual. And every time there's a new mission or a new instrument that can do something different or dramatically improve the quality of data, there's something surprising that keeps us excited."