Satellit utvecklad av MIT syftar till att upptäcka tusentals närliggande exoplaneter, inklusive minst 50 jordstorlekar.

Det finns potentiellt tusentals planeter som ligger precis utanför vårt solsystem - galaktiska grannar som kan vara steniga världar eller mer tynande samlingar av gas och damm. Var finns dessa närmaste exoplaneter? Och vilken av dem skulle vi kunna söka efter ledtrådar till deras sammansättning och till och med beboelighet? Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) kommer att vara den första som söker upp dessa närliggande världar.

Den NASA-finansierade rymdfarkosten, inte mycket större än ett kylskåp, bär fyra kameror som skapades, designad, och byggd på MIT, med en storögd vision:att undersöka de närmaste, ljusaste stjärnorna på himlen för tecken på passerande planeter.

Nu, mer än ett decennium sedan MIT-forskare först föreslog uppdraget, TESS är på väg att komma igång. Farkosten är planerad att starta på en SpaceX Falcon 9-raket från Cape Canaveral Air Force Station i Florida, tidigast den 16 april, klockan 18:32 EDT.

TESS kommer att ägna två år åt att skanna nästan hela himlen – ett synfält som kan omfatta mer än 20 miljoner stjärnor. Forskare förväntar sig att tusentals av dessa stjärnor kommer att vara värd för transiterande planeter, som de hoppas kunna upptäcka genom bilder tagna med TESS:s kameror.

Mitt i denna extrasolära belöning, TESS vetenskapsteam vid MIT syftar till att mäta massorna av minst 50 små planeter vars radier är mindre än fyra gånger jordens. Många av TESSs planeter borde vara tillräckligt nära våra egna för att när de väl har identifierats av TESS, forskare kan zooma in på dem med andra teleskop, att upptäcka atmosfärer, karakterisera atmosfäriska förhållanden, och till och med leta efter tecken på beboelighet.

"TESS är ungefär som en scout, säger Natalia Guerrero, biträdande chef för TESS Objekt av intresse, en MIT-ledd insats som kommer att katalogisera objekt som fångas i TESS-data som kan vara potentiella exoplaneter.

"Vi är på denna natursköna rundtur i hela himlen, och på något sätt har vi ingen aning om vad vi kommer att se, " säger Guerrero. "Det är som att vi gör en skattkarta:Här är alla dessa coola saker. Nu, gå efter dem."

Ett frö, planteras i rymden

TESS ursprung härrörde från en ännu mindre satellit som designades och byggdes av MIT och skjuts upp i rymden av NASA den 9 oktober, 2000. The High Energy Transient Explorer 2, eller HETE-2, kretsat runt jorden i sju år, på ett uppdrag för att upptäcka och lokalisera gammastrålningsexplosioner - högenergiexplosioner som avger massiva, flyktiga utbrott av gamma- och röntgenstrålar.

För att upptäcka sådana extrema, kortlivade fenomen, forskare vid MIT, ledd av chefsutredaren George Ricker, integrerade i satelliten en uppsättning optiska kameror och röntgenkameror utrustade med CCD, eller laddningskopplade enheter, utformad för att registrera ljusstyrkor och positioner i ett elektroniskt format.

"Med tillkomsten av CCD på 1970-talet, du hade den här fantastiska enheten ... som gjorde mycket lättare för astronomer, " säger HETE-2-teammedlemmen Joel Villasenor, som nu också är instrumentvetare för TESS. "Du summerar bara alla pixlar på en CCD, som ger dig intensiteten, eller magnitud, av ljus. Så CCD:er bröt verkligen upp saker för astronomi."

År 2004 Ricker och HETE-2-teamet undrade om satellitens optiska kameror kunde plocka ut andra objekt på himlen som hade börjat attrahera astronomisamhället:exoplaneter. Ungefär vid denna tid, bara en handfull planeter utanför vårt solsystem hade upptäckts. Dessa hittades med en teknik som kallas transitmetoden, som innebär att leta efter periodiska dopp i ljuset från vissa stjärnor, som kan signalera en planet som passerar framför stjärnan.

"Vi tänkte, var fotometrin på HETE-2:s kameror tillräcklig så att vi kunde peka på en del av himlen och upptäcka en av dessa fall? Naturligtvis, det fungerade inte riktigt, "Men Villasenor minns. "Men det var typ av fröet som fick oss att tänka, vi kanske borde försöka flyga CCD:er med en kamera för att försöka upptäcka dessa saker."

En stig, rensas

Under 2006, Ricker och hans team vid MIT föreslog en liten, lågprissatellit (HETE-S) till NASA som ett uppdrag i Discovery-klass, och senare som ett privatfinansierat uppdrag för 20 miljoner dollar. Men som kostnaden för, och intresse för, en exoplanetundersökning över himlen växte fram, de bestämde sig istället för att söka NASA-finansiering, på en högre nivå på 120 miljoner dollar. 2008, de lämnade in ett förslag på ett NASA Small Explorer (SMEX) klassuppdrag med det nya namnet - TESS.

Just nu, satellitdesignen inkluderade sex CCD-kameror, och teamet föreslog att rymdfarkosten skulle flyga i en låg omloppsbana om jorden, liknande den för HETE-2. En sådan bana, de resonerade, bör hålla observationseffektiviteten relativt hög, eftersom de redan hade byggt upp datamottagande markstationer för HETE-2 som också kunde användas för TESS.

Men de insåg snart att en låg omloppsbana om jorden skulle ha en negativ inverkan på TESS:s mycket känsligare kameror. Rymdfarkostens reaktion på jordens magnetfält, till exempel, kan leda till betydande "rymdskeppsjitter, " producerar brus som döljer en exoplanets kontrollampa dopp i stjärnljus.

NASA gick förbi detta första förslag, och laget gick tillbaka till ritbordet, denna gång dyker upp med en ny plan som hängde på en helt ny omloppsbana. Med hjälp av ingenjörer från NASA:s Goddard Space Flight Center och Aerospace Corporation, teamet identifierade en aldrig tidigare använd "månresonant" bana som skulle hålla rymdfarkosten extremt stabil, samtidigt som den ger en hel himmelsvy.

När TESS når denna omloppsbana, den kommer att slunga skott mellan jorden och månen på en mycket elliptisk bana som kan hålla TESS i omloppsbana i årtionden, herdas av månens gravitationskraft.

"Månen och satelliten är i en sorts dans, " säger Villasenor. "Månen drar satelliten på ena sidan, och när TESS slutför en omloppsbana, månen är på andra sidan och drar i motsatt riktning. Den totala effekten är att månens drag utjämnas, och det är en mycket stabil konfiguration under många år. Ingen har gjort det här förut, och jag misstänker att andra program kommer att försöka använda denna omloppsbana senare."

I sin nuvarande planerade bana, TESS kommer att svänga ut mot månen i mindre än två veckor, samla data, sväng sedan tillbaka mot jorden där, på sitt närmaste tillvägagångssätt, den kommer att överföra data tillbaka till markstationer från 67, 000 miles över ytan innan du svänger ut igen. I sista hand, denna omloppsbana kommer att spara TESS en enorm mängd bränsle, eftersom den inte behöver bränna sina propellrar regelbundet för att hålla sig på sin väg.

Med denna förnyade bana, TESS-teamet lämnade in ett andra förslag 2010, denna gång som ett uppdrag i Explorerklass, som NASA godkände 2013. Det var vid den här tiden som rymdteleskopet Kepler avslutade sin ursprungliga undersökning av exoplaneter. Observatoriet, som lanserades 2009, stirrade på en specifik fläck på himlen i fyra år, att övervaka ljuset från avlägsna stjärnor efter tecken på transitplaneter.

Senast 2013, två av Keplers fyra reaktionshjul hade slitits ut, hindrar rymdfarkosten från att fortsätta sin ursprungliga undersökning. Vid denna tidpunkt, teleskopets mätningar hade möjliggjort upptäckten av nästan 1, 000 bekräftade exoplaneter. Kepler, designad för att studera avlägsna stjärnor, banade väg för TESS, ett uppdrag med en mycket bredare syn, för att skanna de stjärnor som är närmast jorden.

"Kepler gick upp, och blev denna enorma framgång, och forskare sa, "Vi kan göra den här typen av vetenskap, och det finns planeter överallt, " säger TESS-medlemmen Jennifer Burt, en MIT-Kavli postdoc. "Och jag tror att det verkligen var den vetenskapliga kryssrutan som vi behövde för NASA att säga, 'Okej, TESS är mycket vettigt nu.' Det gör det inte bara möjligt att upptäcka planeter, men att hitta planeter som vi noggrant kan karakterisera i efterhand."

Ränder på himlen

Med urvalet av NASA, TESS-teamet satte upp faciliteter på campus och i MIT:s Lincoln Laboratory för att bygga och testa rymdfarkostens kameror. Ingenjörerna designade "deep depletion" CCD:er specifikt för TESS, vilket innebär att kamerorna kan upptäcka ljus över ett brett spektrum av våglängder upp till det nära infraröda. Det här är viktigt, eftersom många av de närliggande stjärnorna som TESS kommer att övervaka är röda dvärgar – små, kalla stjärnor som avger mindre ljus än solen och i den infraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet.

Om forskare kan upptäcka periodiska nedgångar i ljuset från sådana stjärnor, detta kan signalera närvaron av planeter med betydligt snävare banor än jordens. Ändå, det finns en chans att några av dessa planeter kan vara inom "den beboeliga zonen, " eftersom de skulle cirkla mycket kallare stjärnor, jämfört med solen. Eftersom dessa stjärnor är relativt nära, forskare kan göra uppföljningsobservationer med markbaserade teleskop för att hjälpa till att identifiera om förhållandena verkligen kan vara lämpliga för liv.

TESS:s kameror är monterade på toppen av satelliten och omgivna av en skyddande kon för att skydda dem från andra former av elektromagnetisk strålning. Varje kamera har en 24 gånger 24 graders vy över himlen, tillräckligt stor för att omfatta konstellationen Orion. Satelliten kommer att påbörja sina observationer på södra halvklotet och dela upp himlen i 13 ränder, övervakar varje segment i 27 dagar innan du svänger till nästa. TESS borde kunna observera nästan hela himlen på södra halvklotet under sitt första år, innan de gick vidare till norra halvklotet under sitt andra år.

Medan TESS pekar på en remsa av himlen, dess kameror kommer att ta bilder av stjärnorna i den delen. Ricker och hans kollegor har gjort en lista på 200, 000 i närheten, ljusstarka stjärnor som de särskilt skulle vilja observera. Satellitens kameror kommer att skapa "frimärksbilder" som inkluderar pixlar runt var och en av dessa stjärnor. Dessa bilder kommer att tas varannan minut, för att maximera chansen att fånga ögonblicket som en planet korsar framför sin stjärna. Kamerorna kommer också att ta fullformatsbilder av alla stjärnor i en viss ränder på himlen, var 30:e minut.

"Med bilderna på två minuter, du kan få en filmliknande bild av vad stjärnljuset gör när planeten korsar framför sin värdstjärna, " säger Guerrero. "För de 30 minuter långa bilderna, människor är glada över att kanske se supernovor, asteroider, eller motsvarigheter till gravitationsvågor. Vi har ingen aning om vad vi kommer att se på den tidsskalan."

Är vi ensamma?

Efter att TESS lanserats, teamet förväntar sig att satelliten kommer att återupprätta kontakt inom den första veckan, under vilken den kommer att slå på alla sina instrument och kameror. Sedan, det kommer att finnas en 60-dagars driftsättningsfas, som ingenjörer vid NASA och MIT kalibrerar instrumenten och övervakar satellitens bana och prestanda. Efter det, TESS kommer att börja samla in och nedlänka bilder av himlen. Forskare vid MIT och NASA kommer att ta rådata och omvandla dem till ljuskurvor som indikerar ljusstyrkan hos en stjärna över tiden.

Därifrån, TESS Science Team, inklusive Sara Seager, klassen av 1941 professor i jorden, Atmosfärs- och planetvetenskap, och biträdande vetenskapschef för TESS, kommer att titta igenom tusentals ljuskurvor, för minst två liknande dopp i stjärnljus, indikerar att en planet kan ha passerat två gånger framför sin stjärna. Seager and her colleagues will then employ a battery of methods to determine the mass of a potential planet.

"Mass is a defining planetary characteristic, " Seager says. "If you just know that a planet is twice the size of Earth, it could be a lot of things:a rocky world with a thin atmosphere, or what we call a "mini-Neptune"—a rocky world with a giant gas envelope, where it would be a huge greenhouse blanket, and there would be no life on the surface. So mass and size together give us an average planet density, which tells us a huge amount about what the planet is."

During TESS's two-year mission, Seager and her colleagues aim to measure the masses of 50 planets with radii less than four times that of Earth—dimensions that could signal further observations for signs of habitability. Under tiden, the whole scientific community and public will get a chance to search through TESS data for their own exoplanets. Once the data are calibrated, the team will make them publicly available. Anyone will be able to download the data and draw their own interpretations, including high school students, armchair astronomers, and other research institutions.

With so many eyes on TESS'S data, Seager says there's a chance that, some day, a nearby planet discovered by TESS might be found to have signs of life.

"There's no science that will tell us life is out there right now, except that small rocky planets appear to be incredibly common, " Seager says. "They appear to be everywhere we look. So it's got to be there somewhere."

TESS is a NASA Astrophysics Explorer mission led and operated by MIT in Cambridge, Massachusetts, and managed by NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. George Ricker of MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research serves as principal investigator for the mission. Additional partners include Orbital ATK, NASA:s Ames Research Center, the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, and the Space Telescope Science Institute. More than a dozen universities, research institutes, and observatories worldwide are participants in the mission.