Jakten på planeter utenfor vårt solsystem har ført til oppdagelsen av tusenvis av kandidater de siste tiårene. De fleste av disse har vært gassgiganter som strekker seg i størrelse fra å være Super-Jupiters til Neptune-planeter i størrelse. Imidlertid har flere også blitt bestemt å være ”jordlignende” i naturen, noe som betyr at de er steinete og går i bane innenfor stjernenes respektive beboelsessoner.
Dessverre er det vanskelig å bestemme hvordan forholdene kan være på deres overflater, siden astronomer ikke klarer å studere disse planetene direkte. Heldigvis har et internasjonalt team ledet av UC Santa Barbara-fysiker Benjamin Mazin utviklet et nytt instrument kjent som DARKNESS. Dette superledende kameraet, som er verdens største og mest sofistikerte, lar astronomer oppdage planeter rundt stjerner i nærheten.
Teamets studie som beskriver instrumentet deres, med tittelen “DARKNESS: A Microwave Kinetic Inductance Detector Integral Field Spectrograph for High-contrast Astronomy”, dukket nylig opp i Publikasjoner fra Astronomy Society of the Pacific. Teamet ble ledet av Benjamin Mazin, Worsterstolen i eksperimentell fysikk ved UCSB, og inkluderer også medlemmer fra NASAs Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Fermi National Accelerator Laboratory og flere universiteter.
I hovedsak er det ekstremt vanskelig for forskere å studere eksoplaneter direkte på grunn av forstyrrelsen forårsaket av stjernene deres. Som Mazin forklarte i en fersk UCSB-pressemelding, "Det er ekstremt utfordrende å ta et bilde av en exoplanet fordi stjernen er mye lysere enn planeten, og planeten er veldig nær stjernen." Som sådan er astronomer ofte ikke i stand til å analysere lyset som reflekteres fra en planetens atmosfære for å bestemme sammensetningen.
Disse studiene vil bidra til å plassere ytterligere begrensninger for om en planet er potensielt beboelig eller ikke. For tiden blir forskere tvunget til å bestemme om en planet kan støtte livet basert på dens størrelse, masse og avstand fra stjernen. I tillegg er det utført studier som har avgjort om vann finnes på en planetens overflate eller ikke basert på hvordan atmosfæren mister hydrogen til verdensrommet.
Det DARK-flekken nærinfrarøde energioppløste superledende spektrofotometeret (aka. DARKNESS), den første 10.000-pikslers integrerte feltektrografen, søker å korrigere dette. I forbindelse med et stort teleskop og adaptiv optikk, bruker den Mikrobølgeovn Kinetiske induktansdetektorer for raskt å måle lyset som kommer fra en fjern stjerne, og sender deretter et signal tilbake til et gummispeil som kan formes til en ny form 2000 ganger i sekundet.
MKIDs lar astronomer bestemme energien og ankomsttiden til individuelle fotoner, noe som er viktig når det gjelder å skille en planet fra spredt eller brytet lys. Denne prosessen eliminerer også lesestøy og mørk strøm - de primære feilkildene i andre instrumenter - og renser opp den atmosfæriske forvrengningen ved å undertrykke stjernelyset.
Mazin og kollegene har undersøkt MKIDs teknologi i årevis gjennom Mazin Lab, som er en del av UCSBs avdeling for fysikk. Som Mazin forklarte:
“Denne teknologien vil senke kontrastgulvet slik at vi kan oppdage svakere planeter. Vi håper å nærme oss fotonstøygrensen, som vil gi oss kontrastforhold nær 10-8, slik at vi kan se planeter 100 millioner ganger svakere enn stjernen. På disse kontrastnivåene kan vi se noen planeter i reflektert lys, som åpner for et helt nytt domene av planeter å utforske. Det virkelig spennende er at dette er en teknologisk stifinner for neste generasjon teleskoper. ”
DARKNESS er nå operativt på det 200-tommers Hale-teleskopet ved Palomar-observatoriet nær San Diego, California, hvor det er en del av det ekstreme adaptive optiske systemet PALM-3000 og Stellar Double Coronagraph. I løpet av det siste halvannet året har teamet gjennomført fire kjøringer med DARKNESS-kameraet for å teste kontrastforholdet og sørge for at det fungerer som det skal.
I mai vil teamet komme tilbake for å samle mer data om planeter i nærheten og demonstrere deres fremgang. Hvis alt går bra, vil DARKNESS bli det første av mange kameraer designet for å avbilde planeter rundt nærliggende M-type (rød dverg) stjerner, hvor mange steinete planeter har blitt oppdaget de siste årene. Det mest bemerkelsesverdige eksemplet er Proxima b, som går i bane rundt det nærmeste stjernesystemet til vårt eget (Proxima Centauri, omtrent 4,25 lysår unna).
"Håpet vårt er at vi en dag skal kunne bygge et instrument for det tretti meter teleskopet som er planlagt for Mauna Kea på øya Hawaii eller La Palma," sa Mazin. "Med det vil vi kunne ta bilder av planeter i de beboelige sonene til nærliggende lavmassestjerner og se etter livet i atmosfærene deres. Det er det langsiktige målet, og dette er et viktig skritt mot det. "
I tillegg til studiet av steinete planeter i nærheten, vil denne teknologien også gjøre det mulig for astronomer å studere pulsarer mer detaljert og bestemme rødskiftet til milliarder av galakser, slik at mer nøyaktige målinger av hvor raskt universet ekspanderer. Dette vil igjen gi rom for mer detaljerte studier av hvordan universet vårt har utviklet seg over tid og den rollen som Dark Energy har spilt.
Disse og andre teknologier, som NASAs foreslåtte Starshade-romfartøy og Stanfords mDot-okkulter, vil revolusjonere eksoplanettstudier de kommende årene. Sammen med neste generasjons teleskoper - som f.eks James Webb romteleskop og Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), som nylig lanserte - astronomer vil ikke bare kunne oppdage mer på måten eksoplaneter, men vil være i stand til å karakterisere dem som aldri før.
