NASA:s Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) kommer att söka efter planeter utanför vårt solsystem mot mitten av vår Vintergatans galax, där de flesta stjärnorna finns. Att studera egenskaperna hos exoplanetvärldar kommer att hjälpa oss att förstå hur planetsystem i hela galaxen är och hur planeter bildas och utvecklas.

Genom att kombinera WFIRST:s resultat med resultat från NASA:s Kepler och Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) uppdrag kommer att slutföra den första planeträkningen som är känslig för ett brett spektrum av planetmassor och banor, tar oss ett steg närmare att upptäcka beboeliga jordliknande världar bortom vår egen.

Hittills, astronomer har hittat de flesta planeter när de passerar framför sin värdstjärna i händelser som kallas transiter, som tillfälligt dämpar stjärnans ljus. WFIRST-data kan också upptäcka transiter, men uppdraget kommer i första hand att se efter den motsatta effekten – små vågor av strålning som produceras av ett ljusböjningsfenomen som kallas mikrolinsning. Dessa händelser är mycket mindre vanliga än transiter eftersom de är beroende av den slumpmässiga inriktningen av två vitt åtskilda och orelaterade stjärnor som driver genom rymden.

"Mikrolinsningssignaler från små planeter är sällsynta och korta, men de är starkare än signalerna från andra metoder, sa David Bennett, som leder gravitationsgruppen för mikrolinser vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Eftersom det är en händelse på en miljon, nyckeln till att WFIRST hitta lågmassaplaneter är att söka hundratals miljoner stjärnor."

Dessutom, mikrolinsning är bättre på att hitta planeter i och bortom den beboeliga zonen - de orbitala avstånden där planeter kan ha flytande vatten på sina ytor.

Mikrolinsning 101

Denna effekt uppstår när ljus passerar nära ett massivt föremål. Allt med massa förvränger rymdtidens struktur, ungefär som bucklan ett bowlingklot gör när det ställs på en studsmatta. Ljus färdas i en rak linje, men om rum-tiden böjs – vilket händer nära något massivt, som en stjärna — ljus följer kurvan.

Varje gång två stjärnor ligger nära varandra från vår utsiktspunkt, ljus från de mer avlägsna stjärnkurvorna när det färdas genom den närmaste stjärnans skeva rumtid. Detta fenomen, en av förutsägelserna i Einsteins allmänna relativitetsteori, bekräftades berömt av den brittiske fysikern Sir Arthur Eddington under en total solförmörkelse 1919. Om inriktningen är särskilt nära, den närmaste stjärnan fungerar som en naturlig kosmisk lins, fokusera och intensifiera ljuset från bakgrundsstjärnan.

Planeter som kretsar kring förgrundsstjärnan kan också modifiera linsljuset, fungerar som sina egna små linser. Förvrängningen de skapar gör att astronomer kan mäta planetens massa och avstånd från dess värdstjärna. Så här kommer WFIRST att använda mikrolins för att upptäcka nya världar.

Bekanta och exotiska världar

"Att försöka tolka planetens befolkning idag är som att försöka tolka en bild med hälften täckt, sa Matthew Penny, en biträdande professor i fysik och astronomi vid Louisiana State University i Baton Rouge som ledde en studie för att förutsäga WFIRST:s mikrolinsundersökningskapacitet. "För att till fullo förstå hur planetsystem bildas måste vi hitta planeter med alla massor på alla avstånd. Ingen teknik kan göra detta, men WFIRST:s mikrolinsundersökning, kombinerat med resultaten från Kepler och TESS, kommer att avslöja mycket mer av bilden."

Fler än 4, 000 bekräftade exoplaneter har upptäckts hittills, men endast 86 hittades via mikrolinsning. De tekniker som vanligtvis används för att hitta andra världar är partiska mot planeter som tenderar att vara väldigt olika de i vårt solsystem. Transitmetoden, till exempel, är bäst på att hitta sub-Neptunus-liknande planeter som har banor mycket mindre än Merkurius. För ett solsystem som vårt eget, transitstudier kan missa varje planet.

WFIRST:s mikrolinsundersökning kommer att hjälpa oss att hitta analoger till varje planet i vårt solsystem utom Merkurius, vars lilla omloppsbana och låga massa kombineras för att placera den utom räckhåll för uppdraget. WFIRST kommer att hitta planeter som är jordens massa och ännu mindre – kanske till och med stora månar, som Jupiters måne Ganymedes.

WFIRST kommer att hitta planeter i andra dåligt studerade kategorier, för. Mikrolinsning är bäst lämpad för att hitta världar från sin stjärnas beboeliga zon och längre ut. Detta inkluderar isjättar, som Uranus och Neptunus i vårt solsystem, och till och med oseriösa planeter – världar som fritt strövar omkring i galaxen obundna till några stjärnor.

Medan isjättar är en minoritet i vårt solsystem, en studie från 2016 visade att de kan vara den vanligaste typen av planeter i hela galaxen. WFIRST kommer att sätta den teorin på prov och hjälpa oss att få en bättre förståelse för vilka planetegenskaper som är mest utbredda.

Dolda pärlor i den galaktiska kärnan

WFIRST kommer att utforska regioner i galaxen som ännu inte systematiskt har genomsökts efter exoplaneter på grund av de olika målen för tidigare uppdrag. Kepler, till exempel, sökte i ett område av blygsam storlek på cirka 100 kvadratgrader med 100, 000 stjärnor på typiska avstånd på runt tusen ljusår. TESS skannar hela himlen och spårar 200, 000 stjärnor, men deras typiska avstånd är cirka 100 ljusår. WFIRST kommer att söka ungefär 3 kvadratgrader, men kommer att följa 200 miljoner stjärnor på avstånd av cirka 10, 000 ljusår.

Eftersom WFIRST är ett infrarött teleskop, den kommer att se rakt igenom molnen av damm som blockerar andra teleskop från att studera planeter i den trånga centrala delen av vår galax. De flesta markbaserade mikrolinsobservationer hittills har varit i synligt ljus, vilket gör galaxens mitt i stort sett okänt exoplanetterritorium. En mikrolinsundersökning gjord sedan 2015 med hjälp av Storbritanniens infraröda teleskop (UKIRT) på Hawaii jämnar ut vägen för WFIRST:s exoplaneträkning genom att kartlägga regionen.

UKIRT-undersökningen ger de första mätningarna av hastigheten för mikrolinsningshändelser mot galaxens kärna, där stjärnorna är tätast koncentrerade. Resultaten kommer att hjälpa astronomer att välja den slutliga observationsstrategin för WFIRST:s mikrolinsarbete.

UKIRT-teamets senaste mål är att upptäcka mikrolinsningshändelser med hjälp av maskininlärning, vilket kommer att vara avgörande för WFIRST. Uppdraget kommer att producera en så stor mängd data att det blir opraktiskt att kamma igenom det enbart med ögat. Effektivisering av sökningen kräver automatiserade processer.

Ytterligare UKIRT-resultat pekar på en observationsstrategi som kommer att avslöja de mest möjliga mikrolinsningshändelserna samtidigt som man undviker de tjockaste dammmolnen som kan blockera även infrarött ljus.

"Vår nuvarande undersökning med UKIRT lägger grunden så att WFIRST kan implementera den första rymdbaserade dedikerade mikrolinsundersökningen, sa Savannah Jacklin, en astronom vid Vanderbilt University i Nashville, Tennessee som har lett flera UKIRT-studier. "Tidigare exoplanetuppdrag utökade vår kunskap om planetsystem, och WFIRST kommer att föra oss ett stort steg närmare att verkligen förstå hur planeter – särskilt de inom de beboeliga zonerna för deras värdstjärnor – bildas och utvecklas."

Från bruna dvärgar till svarta hål

Samma mikrolinsundersökning som kommer att avslöja tusentals planeter kommer också att upptäcka hundratals andra bisarra och intressanta kosmiska objekt. Forskare kommer att kunna studera fritt flytande kroppar med massor som sträcker sig från Mars till 100 gånger solens.

Den nedre delen av massområdet inkluderar planeter som kastades ut från sina värdstjärnor och som nu strövar runt i galaxen som oseriösa planeter. Nästa är bruna dvärgar, som är för massiva för att kunna karakteriseras som planeter men inte tillräckligt massiva för att antändas som stjärnor. Bruna dvärgar lyser inte synligt som stjärnor, men WFIRST kommer att kunna studera dem i infrarött ljus genom värmen som blir över från deras bildning.

Objekt i den högre änden inkluderar stjärnlik - neutronstjärnor och svarta hål - som lämnas kvar när massiva stjärnor tar ut sitt bränsle. Att studera dem och mäta deras massor kommer att hjälpa forskare att förstå mer om stjärnors dödsryckningar samtidigt som de tillhandahåller en inventering av svarta hål med stjärnmassa.

"WFIRST:s mikrolinsundersökning kommer inte bara att förbättra vår förståelse av planetsystem, sa Penny, "det kommer också att möjliggöra en mängd andra studier av variationen hos 200 miljoner stjärnor, strukturen och bildningen av den inre Vintergatan, och befolkningen av svarta hål och andra mörka, kompakta föremål som är svåra eller omöjliga att studera på något annat sätt."

FY2020 Consolidated Appropriations Act finansierar WFIRST-programmet till och med september 2020. Budgetbegäran för FY2021 föreslår att finansieringen för WFIRST-uppdraget ska avslutas och fokusera på färdigställandet av James Webb Space Telescope, nu planerad för uppskjutning i mars 2021. Administrationen är inte redo att fortsätta med ytterligare ett multi-miljarddollarteleskop förrän Webb framgångsrikt har lanserats och utplacerats.