För att svara på viktiga frågor om planetsystem, till exempel om vårt solsystem är ett sällsynt fenomen eller om det finns liv på andra planeter än jorden, NASA borde leda ett stort direktavbildningsuppdrag – ett avancerat rymdteleskop – som kan studera jordliknande exoplaneter som kretsar kring stjärnor som liknar solen, säger en ny kongressbeslutad rapport från National Academies of Sciences, Teknik, och medicin.
Studiet av exoplaneter – planeter utanför vårt solsystem som kretsar kring en stjärna – har sett anmärkningsvärda upptäckter under det senaste decenniet. Rapporten identifierar två övergripande mål inom detta vetenskapsområde:
Baserat på dessa mål, kommittén som författade rapporten fann att vår nuvarande kunskap om utbudet av egenskaper hos planeter utanför solsystemet är väsentligen ofullständig. En holistisk metod för att studera beboelighet i exoplaneter, använder både teori och observationer, kommer i slutändan att behöva söka efter bevis på tidigare och nuvarande liv någon annanstans i universum.
Även om kommittén insåg att utvecklingen av en direktavbildningskapacitet kommer att kräva stora finansiella investeringar och en lång tidsskala för att se resultat, ansträngningen kommer att främja utvecklingen av det vetenskapliga samfundet och teknisk kapacitet att förstå otaliga världar. För att upptäcka ett system som är analogt med vårt eget jord-solsystem, rapporten rekommenderar att man använder instrument som möjliggör direkt avbildning av en exoplanet genom att blockera ljuset som sänds ut av moderstjärnorna – till exempel en koronagraf eller stjärnskärm.
Dessutom, Markbaserad astronomi – som möjliggörs av två USA-ledda teleskop – kommer också att spela en avgörande roll för att studera planetbildning och potentiella markvärldar, säger rapporten. Det framtida Giant Magellan-teleskopet (GMT) och det föreslagna Thirty Meter Telescope (TMT) skulle möjliggöra djupgående framsteg inom avbildning och spektroskopi – absorption och emission av ljus – av hela planetsystem. De kunde också upptäcka molekylärt syre i tempererade jordplaneter i transit runt nära och små stjärnor, säger rapporten.
Kommittén påpekade att den tekniska färdplanen för att möjliggöra den fulla potentialen hos GMT och TMT i studiet av exoplaneter är i behov av investeringar, och bör utnyttja det befintliga nätverket av amerikanska centra och laboratorier. För detta ändamål, rapporten rekommenderar att National Science Foundation investerar i både teleskop och deras exoplanetinstrument för att ge det amerikanska samhället tillgång till hela himlen.
Medan uppdrag som rymdfarkoster Kepler har karakteriserat en anmärkningsvärd population av planeter relativt nära deras stjärnor, vår kunskap om världar i universums yttre delar saknas bedrövligt, sa utskottet. Rapporten säger WFIRST, det stora rymduppdraget som fick högsta prioritet i akademiernas decadalundersökning 2010, kommer att spela två extremt värdefulla roller:för det första, det kommer att tillåta en undersökning av planeter längre bort från sina stjärnor än vad som undersökts av Kepler och andra uppdrag. Andra, det kommer att möjliggöra ett stort direktavbildningsuppdrag.
Även om metoden för radiell hastighet – som mäter stjärnans förskjutning när den kretsar kring planetsystemets masscentrum – kommer att fortsätta att tillhandahålla viktig information om massa och omloppsbana, dess mätningar är för närvarande begränsade av variationer i stjärnans yta och ofullkomlig kalibrering av instrumenten, säger rapporten. Nya instrument installerade på stora teleskop, betydande tilldelningar av observationstid, och samarbete mellan observatörer såväl som teoretiker är några av kraven för framsteg. Att utveckla dessa metoder och faciliteter för att mäta massorna av tempererade jordplaneter som kretsar kring solliknande stjärnor, NASA och NSF bör etablera ett strategiskt initiativ inom Extremely Precise Radial Velocities.
Dessutom, NASA borde skapa en mekanism för att systematiskt samla in data om exoplanetatmosfärer tidigt i James Webb Space Telescope-uppdraget. Kommittén rekommenderade också att bygga vidare på modellen för NASA:s tvärvetenskapliga samarbetsinitiativ – Nexus for Exoplanet Science System – genom att stödja en tvärdivisionsforskningsinsats som bjuder in förslag till tvärvetenskaplig forskning.
Kommittén uppmanade NASA att stödja ett robust individuellt utredarprogram som inkluderar bidrag för teoretiska, laboratorium, och markbaserade teleskopiska undersökningar för att fullt ut realisera den vetenskapliga vinsten av exoplanetuppdrag. Rapporten erkänner också att diskriminering och trakasserier förekommer i den vetenskapliga arbetsstyrkan och kan påverka exoplanetforskarsamhället, utgör hinder för deltagande av människor från vissa demografiska grupper. För att maximera den vetenskapliga potentialen och möjligheter till spetskompetens, institutioner och organisationer bör vidta konkreta åtgärder för att eliminera diskriminering och trakasserier och för att proaktivt rekrytera och behålla forskare från underrepresenterade grupper.
