CHEOPS har nått sin nästa milstolpe:Efter omfattande tester i jordens omloppsbana, av vilka uppdragsteamet tvingades utföra hemifrån på grund av coronakrisen, rymdteleskopet har förklarats redo för vetenskap. CHEOPS står för "karakteriserande ExOPlanet Satellite, "och har till syfte att undersöka kända exoplaneter för att fastställa, bland annat, om de har förhållanden som är gästvänliga till livet.

CHEOPS är ett gemensamt uppdrag av Europeiska rymdorganisationen (ESA) och Schweiz, under ledning av universitetet i Bern i samarbete med universitetet i Genève (UNIGE). Efter nästan tre månader av omfattande tester, med en del av det mitt i låsningen för att innehålla coronaviruset, på onsdag, 25 mars, 2020, ESA förklarade rymdteleskopet CHEOPS redo för vetenskap. Med denna prestation, ESA har lämnat över ansvaret att driva CHEOPS till uppdragskonsortiet, som består av forskare och ingenjörer från cirka 30 institutioner i 11 europeiska länder.

Framgångsrikt slutförande av CHEOPS-testfasen trots coronakrisen

Det framgångsrika slutförandet av testfasen ägde rum i mycket utmanande tider, med i princip hela uppdragsteamet måste arbeta hemifrån mot slutet av fasen. "Slutförandet av testfasen var endast möjligt med fullt engagemang från alla deltagare, och eftersom uppdraget har ett operativt kontrollsystem som till stor del är automatiserat, tillåter att kommandon skickas och data tas emot hemifrån, " förklarar Willy Benz, Professor i astrofysik vid universitetet i Bern och huvudutredare för CHEOPS-uppdraget.

Ett team av forskare, ingenjörer och tekniker satte CHEOPS genom en period av omfattande tester och kalibrering från början av januari till slutet av mars. "Vi blev glada när vi insåg att alla system fungerade som förväntat eller till och med bättre än förväntat, " förklarar CHEOPS instrumentforskare Andrea Fortier från universitetet i Bern, som ledde konsortiets beställningsteam.

Uppfyller höga krav på mätnoggrannhet

Teamet började med att fokusera på utvärderingen av rymdteleskopets fotometriska prestanda. CHEOPS har konceptualiserats som en enhet med exceptionell precision som kan upptäcka exoplaneter lika stora som planeten Jorden. "Det mest kritiska testet var i den exakta mätningen av ljusstyrkan hos en stjärna med en varians på 0,002 % (20 delar per miljon), " förklarar Willy Benz. Denna precision krävs för att tydligt känna igen nedtoningen som orsakas av att en planet i storleken jorden passerar framför en solliknande stjärna (en händelse som kallas "transit, " som kan ta flera timmar. CHEOPS krävdes också för att visa sin förmåga att bibehålla denna grad av precision i upp till två dagar.

CHEOPS överträffar kraven

För att verifiera detta, teamet fokuserade på en stjärna känd som HD 88111. Stjärnan ligger i stjärnbilden Hydra, cirka 175 ljusår från jorden, och det är inte känt att det är värd för planeter. CHEOPS tog en bild av stjärnan var 30:e sekund under 47 timmar i följd (se figur 1). Varje bild analyserades noggrant, initialt med ett specialiserat automatiskt mjukvarupaket, och därefter av teammedlemmarna, för att i varje bild bestämma stjärnans ljusstyrka så exakt som möjligt. Teamet hade förväntat sig att stjärnans ljusstyrka skulle förändras under observationsperioden på grund av en mängd olika effekter, som andra stjärnor i synfältet, satellitens lilla jitterrörelse, eller påverkan av kosmisk strålning på detektorn.

Resultaten av de 5, 640 bilder tagna av CHEOPS under 47 timmar visas i figur 2 som en "ljuskurva". Kurvan visar förändringen över tid i ljusstyrkemätningarna från alla bilder, visar en rot-medelkvadratspridning på 0,0015 % (15 delar per miljon). "Ljuskurvan som mättes av CHEOPS var behagligt platt. Rymdteleskopet överträffar lätt kravet på att kunna mäta ljusstyrka med en precision på 0,002 % (20 delar per miljon), " förklarar Christopher Broeg, Uppdragschef för CHEOPS-uppdraget vid universitetet i Bern.

En exoplanet som skulle flyta

Teamet observerade andra stjärnor, inklusive några kända för att vara värdplaneter (dessa kallas exoplaneter). CHEOPS fokuserade på planetsystemet HD 93396 som är i Sextans konstellation, cirka 320 ljusår från jorden. Detta system består av en gigantisk exoplanet som heter KELT-11b, som upptäcktes 2016 för att kretsa runt denna stjärna på 4,7 dagar. Stjärnan är nästan tre gånger så stor som solen.

Teamet valde just detta system eftersom stjärnan är så stor att planeten tar lång tid att passera framför den:faktiskt, nästan åtta timmar. "Detta gav CHEOPS möjligheten att visa sin förmåga att fånga långa transithändelser som annars var svåra att observera från marken, eftersom den "astronomiska" delen av natten för markbaserad astronomi vanligtvis tar mindre än åtta timmar, " förklarar Didier Queloz, professor vid astronomiavdelningen vid naturvetenskapliga fakulteten vid universitetet i Genève och talesman för CHEOPS Science Team. Den första transitljuskurvan för CHEOPS visas i figur 3, där nedgången på grund av planeten inträffar ungefär nio timmar efter observationens början.

Transiteringen av KELT-11b mätt med CHEOPS gjorde det möjligt att bestämma storleken på exoplaneten. Den har en diameter på 181, 600 km, som CHEOPS kan mäta med en noggrannhet på 4'290 km. Jordens diameter, i jämförelse, är bara cirka 12, 700 km, medan Jupiters – den största planeten i vårt solsystem – är 139, 900 km. Exoplaneten KELT-11b är därför större än Jupiter, men dess massa är fem gånger lägre, vilket betyder att den har en extremt låg densitet:"Den skulle flyta på vatten i en tillräckligt stor pool, säger David Ehrenreich, CHEOPS Missionsforskare från universitetet i Genève. Den begränsade tätheten tillskrivs planetens närhet till dess stjärna. Figur 4 visar en ritning av det första transitplanetsystemet som framgångsrikt observerats av CHEOPS.

Benz förklarar att mätningarna av CHEOPS är fem gånger mer exakta än de från jorden. "Det ger oss en försmak för vad vi kan uppnå med CHEOPS under de kommande månaderna och åren, " fortsätter Benz.

CHEOPS – på jakt efter potentiella beboeliga planeter

CHEOPS-uppdraget (characterising ExOPlanet Satellite) är det första av de nyskapade "S-klassuppdragen" av ESA (småklassuppdrag med en ESA-budget på mindre än 50 miljoner), och är tillägnad att karakterisera exoplaneternas transiter. CHEOPS mäter förändringarna i ljusstyrkan hos en stjärna när en planet passerar framför den stjärnan. Detta uppmätta värde gör att planetens storlek kan härledas, och att dess densitet ska bestämmas på grundval av befintliga data. Detta ger viktig information om dessa planeter, t.ex. om de övervägande är steniga, består av gaser, eller om de har djupa hav. Detta, i tur och ordning, är ett viktigt steg för att avgöra om en planet har förhållanden som är gästvänliga för liv.

CHEOPS utvecklades som en del av ett partnerskap mellan Europeiska rymdorganisationen (ESA) och Schweiz. Under ledning av universitetet i Bern och ESA, ett konsortium av mer än hundra forskare och ingenjörer från elva europeiska stater var involverade i konstruktionen av satelliten under fem år.

CHEOPS började sin resa ut i rymden i onsdags, 18 december, 2019 ombord på en Soyuz Fregat-raket från den europeiska rymdhamnen i Kourou, Franska Guyana. Sedan dess, den har kretsat runt jorden i en polär bana i ungefär en och en halv timme på en höjd av 700 kilometer efter terminatorn.