Il satellite sviluppato dal MIT mira a scoprire migliaia di esopianeti vicini, di cui almeno 50 di dimensioni terrestri.

Ci sono potenzialmente migliaia di pianeti che si trovano appena fuori dal nostro sistema solare, vicini galattici che potrebbero essere mondi rocciosi o raccolte più tenui di gas e polvere. Dove si trovano questi pianeti extrasolari più vicini? E quale di loro potremmo essere in grado di sondare per indizi sulla loro composizione e persino sull'abitabilità? Il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) sarà il primo a cercare questi mondi vicini.

Il veicolo spaziale finanziato dalla NASA, non molto più grande di un frigorifero, porta quattro fotocamere che sono state concepite, progettato, e costruito al MIT, con una visione ad occhi spalancati:per scrutare il più vicino, stelle più luminose nel cielo per segni di pianeti di passaggio.

Ora, più di un decennio da quando gli scienziati del MIT hanno proposto per la prima volta la missione, TESS sta per decollare. Il lancio del veicolo spaziale è previsto su un razzo SpaceX Falcon 9 dalla Cape Canaveral Air Force Station in Florida, non prima del 16 aprile alle 18:32 EDT.

TESS impiegherà due anni a scansionare quasi l'intero cielo, un campo visivo che può comprendere più di 20 milioni di stelle. Gli scienziati si aspettano che migliaia di queste stelle ospiteranno pianeti in transito, che sperano di rilevare attraverso le immagini scattate con le telecamere di TESS.

In mezzo a questa generosità extrasolare, il team scientifico di TESS al MIT mira a misurare le masse di almeno 50 piccoli pianeti i cui raggi sono meno di quattro volte quello della Terra. Molti dei pianeti di TESS dovrebbero essere abbastanza vicini al nostro che, una volta identificati da TESS, gli scienziati possono ingrandirli usando altri telescopi, per rilevare le atmosfere, caratterizzano le condizioni atmosferiche, e anche cercare segni di abitabilità.

"TESS è una specie di scout, "dice Natalia Guerrero, vicedirettore di TESS Objects of Interest, uno sforzo guidato dal MIT che catalogherà gli oggetti catturati nei dati TESS che potrebbero essere potenziali esopianeti.

"Siamo in questo tour panoramico di tutto il cielo, e per certi versi non abbiamo idea di cosa vedremo, "Guerrero dice. "È come se stessimo creando una mappa del tesoro:qui ci sono tutte queste cose interessanti. Ora, andategli dietro".

Un seme, piantato nello spazio

Le origini di TESS sono nate da un satellite ancora più piccolo che è stato progettato e costruito dal MIT e lanciato nello spazio dalla NASA il 9 ottobre. 2000. L'esploratore transitorio ad alta energia 2, o HETE-2, orbitò intorno alla Terra per sette anni, in missione per rilevare e localizzare lampi di raggi gamma, esplosioni ad alta energia che emettono enormi, lampi fugaci di raggi gamma e raggi X.

Per rilevare un tale estremo, fenomeni di breve durata, scienziati del MIT, guidato dall'investigatore principale George Ricker, integrato nel satellite una suite di telecamere ottiche e a raggi X dotate di CCD, o dispositivi ad accoppiamento di carica, progettato per registrare intensità e posizioni della luce in formato elettronico.

"Con l'avvento dei CCD negli anni '70, avevi questo fantastico dispositivo... che ha reso molte cose più facili per gli astronomi, " afferma Joel Villasenor, membro del team HETE-2, che ora è anche scienziato degli strumenti per TESS. "Basta sommare tutti i pixel su un CCD, che ti dà l'intensità, o grandezza, di luce. Quindi i CCD hanno davvero aperto le porte all'astronomia".

Nel 2004, Ricker e il team di HETE-2 si sono chiesti se le telecamere ottiche del satellite potessero individuare altri oggetti nel cielo che avevano iniziato ad attirare la comunità degli astronomi:gli esopianeti. Intorno a questo periodo, era stata scoperta solo una manciata di pianeti al di fuori del nostro sistema solare. Questi sono stati trovati con una tecnica nota come metodo di transito, che comporta la ricerca di cali periodici nella luce di certe stelle, che può segnalare un pianeta che passa davanti alla stella.

"Stavamo pensando, la fotometria delle fotocamere di HETE-2 era sufficiente per poter puntare su una parte del cielo e rilevare uno di questi cali? Inutile dire, non ha funzionato esattamente, "Ricorda Villasenor. "Ma questo è stato il seme che ci ha fatto pensare, forse dovremmo provare a far volare i CCD con una telecamera per cercare di rilevare queste cose."

Un sentiero, cancellato

Nel 2006, Ricker e il suo team al MIT hanno proposto un piccolo, satellite a basso costo (HETE-S) per la NASA come missione di classe Discovery, e in seguito come missione finanziata privatamente per 20 milioni di dollari. Ma come il costo di, e interesse per, è cresciuto un sondaggio su tutto il cielo degli esopianeti, decisero invece di cercare finanziamenti alla NASA, a un livello superiore di $ 120 milioni. Nel 2008, hanno presentato una proposta per una missione di classe NASA Small Explorer (SMEX) con il nuovo nome:TESS.

A quest'ora, il progetto del satellite includeva sei telecamere CCD, e il team ha proposto che il veicolo spaziale voli in un'orbita terrestre bassa, simile a quello di HETE-2. Tale orbita, hanno ragionato, dovrebbe continuare a osservare l'efficienza relativamente alta, poiché avevano già eretto stazioni di terra per la ricezione dei dati per HETE-2 che potrebbero essere utilizzate anche per TESS.

Ma presto si sono resi conto che un'orbita terrestre bassa avrebbe avuto un impatto negativo sulle telecamere molto più sensibili di TESS. La reazione della navicella al campo magnetico terrestre, Per esempio, potrebbe portare a un significativo "jitter dei veicoli spaziali, " producendo un rumore che nasconde il tuffo rivelatore di un esopianeta nella luce delle stelle.

La NASA ha aggirato questa prima proposta, e la squadra è tornata al tavolo da disegno, questa volta emergendo con un nuovo piano imperniato su un'orbita completamente nuova. Con l'aiuto degli ingegneri del Goddard Space Flight Center della NASA e dell'Aerospace Corporation, il team ha identificato un'orbita "risonante lunare" mai utilizzata prima che manterrebbe la navicella estremamente stabile, dandogli una vista a tutto cielo.

Una volta che TESS raggiunge questa orbita, si fionda tra la Terra e la luna su un percorso altamente ellittico che potrebbe mantenere TESS in orbita per decenni, guidato dall'attrazione gravitazionale della luna.

"La luna e il satellite sono in una sorta di danza, "dice Villasenor. "La luna tira da una parte il satellite, e quando TESS completa un'orbita, la luna è dall'altra parte tirando nella direzione opposta. L'effetto complessivo è che l'attrazione della luna è uniforme, ed è una configurazione molto stabile per molti anni. Nessuno l'ha mai fatto prima, e sospetto che altri programmi cercheranno di utilizzare questa orbita in seguito."

Nella sua attuale traiettoria pianificata, TESS oscillerà verso la luna per meno di due settimane, raccolta di dati, poi torna indietro verso la Terra dove, nel suo approccio più vicino, trasmetterà i dati alle stazioni di terra da 67, 000 miglia sopra la superficie prima di tornare indietro. In definitiva, questa orbita farà risparmiare a TESS un'enorme quantità di carburante, in quanto non avrà bisogno di bruciare regolarmente i suoi propulsori per continuare la sua traiettoria.

Con questa orbita rinnovata, il team TESS ha presentato una seconda proposta nel 2010, questa volta come missione di classe Explorer, che la NASA ha approvato nel 2013. Fu in questo periodo che il Kepler Space Telescope terminò la sua indagine originale per gli esopianeti. L'osservatorio, lanciato nel 2009, ha fissato un punto specifico del cielo per quattro anni, per monitorare la luce delle stelle lontane alla ricerca di segni di pianeti in transito.

Entro il 2013, due delle quattro ruote di reazione di Keplero si erano consumate, impedendo al veicolo spaziale di continuare il suo rilevamento originale. A questo punto, le misurazioni del telescopio avevano permesso di scoprire quasi 1, 000 esopianeti confermati. Keplero, progettato per studiare stelle lontane, ha aperto la strada a TESS, una missione con una visione molto più ampia, per scansionare le stelle più vicine alla Terra.

"Kepler salì, ed è stato questo enorme successo, e i ricercatori hanno detto, 'Possiamo fare questo tipo di scienza, e ci sono pianeti ovunque, ", afferma Jennifer Burt, membro di TESS, un postdoc del MIT-Kavli. "E penso che fosse davvero la casella di controllo scientifica di cui avevamo bisogno per la NASA per dire, 'Va bene, TESS ha molto senso ora.' Consentirà non solo di rilevare i pianeti, ma trovare pianeti che possiamo caratterizzare completamente dopo il fatto."

Strisce nel cielo

Con la selezione della NASA, il team di TESS ha allestito strutture nel campus e nel Lincoln Laboratory del MIT per costruire e testare le telecamere del veicolo spaziale. Gli ingegneri hanno progettato CCD "deep depletion" appositamente per TESS, il che significa che le telecamere possono rilevare la luce su un'ampia gamma di lunghezze d'onda fino al vicino infrarosso. Questo è importante, poiché molte delle stelle vicine che TESS monitorerà sono nane rosse, piccole, stelle fredde che emettono meno brillantemente del sole e nella parte infrarossa dello spettro elettromagnetico.

Se gli scienziati possono rilevare cali periodici nella luce di tali stelle, questo potrebbe segnalare la presenza di pianeti con orbite significativamente più strette di quella della Terra. Tuttavia, c'è la possibilità che alcuni di questi pianeti possano trovarsi all'interno della "zona abitabile, " come farebbero il giro di stelle molto più fresche, rispetto al sole. Poiché queste stelle sono relativamente vicine, gli scienziati possono fare osservazioni di follow-up con telescopi terrestri per aiutare a identificare se le condizioni potrebbero effettivamente essere adatte alla vita.

Le telecamere di TESS sono montate sulla parte superiore del satellite e circondate da un cono protettivo per schermarle da altre forme di radiazioni elettromagnetiche. Ogni telecamera ha una vista del cielo di 24 per 24 gradi, abbastanza grande da comprendere la costellazione di Orione. Il satellite inizierà le sue osservazioni nell'emisfero australe e dividerà il cielo in 13 strisce, monitorare ogni segmento per 27 giorni prima di passare al successivo. TESS dovrebbe essere in grado di osservare quasi l'intero cielo dell'emisfero australe nel suo primo anno, prima di passare all'emisfero settentrionale nel suo secondo anno.

Mentre TESS indica una striscia di cielo, le sue fotocamere scatteranno foto delle stelle in quella porzione. Ricker e i suoi colleghi hanno stilato una lista di 200, 000 nelle vicinanze, stelle luminose che vorrebbero particolarmente osservare. Le telecamere del satellite creeranno immagini "francobollo" che includono pixel attorno a ciascuna di queste stelle. Queste immagini verranno scattate ogni due minuti, al fine di massimizzare la possibilità di cogliere il momento in cui un pianeta attraversa davanti alla sua stella. Le fotocamere scatteranno anche immagini a pieno formato di tutte le stelle in una particolare striscia di cielo, ogni 30 minuti.

"Con le immagini di due minuti, puoi ottenere un'immagine simile a un film di ciò che sta facendo la luce delle stelle mentre il pianeta sta attraversando di fronte alla sua stella ospite, " dice Guerrero. "Per le immagini di 30 minuti, le persone sono entusiaste di vedere forse le supernove, asteroidi, o controparti delle onde gravitazionali. Non abbiamo idea di cosa vedremo in quel lasso di tempo".

Siamo soli?

Dopo il lancio di TESS, il team si aspetta che il satellite ristabilisca il contatto entro la prima settimana, durante il quale accenderà tutti i suoi strumenti e telecamere. Quindi, ci sarà una fase di commissioning di 60 giorni, mentre gli ingegneri della NASA e del MIT calibrano gli strumenti e monitorano la traiettoria e le prestazioni del satellite. Dopo di che, TESS inizierà a raccogliere e scaricare immagini del cielo. Gli scienziati del MIT e della NASA prenderanno i dati grezzi e li convertiranno in curve di luce che indicano il cambiamento di luminosità di una stella nel tempo.

Da li, il team scientifico di TESS, tra cui Sara Seager, la classe del 1941 Professore di Terra, Scienze Atmosferiche e Planetarie, e vicedirettore scientifico di TESS, guarderà attraverso migliaia di curve di luce, per almeno due cali simili alla luce delle stelle, indicando che un pianeta potrebbe essere passato due volte davanti alla sua stella. Seager e i suoi colleghi utilizzeranno quindi una serie di metodi per determinare la massa di un potenziale pianeta.

"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. Nel frattempo, 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, un giorno, 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, il Centro di Astrofisica di Harvard-Smithsonian, and the Space Telescope Science Institute. More than a dozen universities, research institutes, and observatories worldwide are participants in the mission.