Jakten på planeter bortom vårt solsystem har lett till upptäckten av tusentals kandidater under de senaste decennierna. De flesta av dessa har varit gasjättar som sträcker sig i storlek från att vara Super-Jupiters till Neptune-planeter. Flera har emellertid också fastställts att vara "jordliknande" i naturen, vilket innebär att de är steniga och bana i sina stjärnor respektive bebyggda zoner.
Tyvärr är det svårt att bestämma hur förhållandena kan vara på deras ytor, eftersom astronomer inte kan studera dessa planeter direkt. Lyckligtvis har ett internationellt team under ledning av UC Santa Barbara-fysiker Benjamin Mazin utvecklat ett nytt instrument som kallas DARKNESS. Denna superledande kamera, som är världens största och mest sofistikerade, gör att astronomer kan upptäcka planeter runt närliggande stjärnor.
Teamets studie som beskriver deras instrument, med titeln "DARKNESS: A Microwave Kinetic Inductance Detector Integral Field Spectrograph for High-Contrast Astronomy", dykte nyligen upp i Publikationer av Astronomy Society of the Pacific. Teamet leddes av Benjamin Mazin, Worster-stolen i experimentell fysik vid UCSB, och inkluderar också medlemmar från NASA: s Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Fermi National Accelerator Laboratory och flera universitet.
I huvudsak är det oerhört svårt för forskare att studera exoplaneter direkt på grund av störningarna från deras stjärnor. Som Mazin förklarade i ett nyligen pressmeddelande från UCSB: "Att ta en bild av en exoplanet är oerhört utmanande eftersom stjärnan är mycket ljusare än planeten, och planeten är mycket nära stjärnan." Som sådan kan astronomer ofta inte analysera ljuset som reflekteras från en planetens atmosfär för att bestämma dess sammansättning.
Dessa studier skulle hjälpa till att sätta ytterligare begränsningar för huruvida en planet är potentiellt beboelig eller inte. För närvarande tvingas forskare att avgöra om en planet kan stödja liv baserat på dess storlek, massa och avstånd från sin stjärna. Dessutom har studier genomförts som har fastställt om det finns vatten på en planets yta baserat på hur dess atmosfär tappar väte till rymden.
Den DARK-speckle Nära-infraröda energilösade superledande spektrofotometern (alias DARKNESS), den första 10.000 pixlar integrerade fältspektrografen, försöker korrigera detta. Tillsammans med ett stort teleskop och adaptiv optik använder den mikrovågsugn kinetiska induktansdetektorer för att snabbt mäta ljuset som kommer från en avlägsen stjärna och sedan skickar en signal tillbaka till en gummispegel som kan formas till en ny form 2000 gånger i sekundet.
MKID: er möjliggör för astronomer att bestämma energin och ankomsttiden för enskilda fotoner, vilket är viktigt när det gäller att särskilja en planet från spritt eller brytat ljus. Denna process eliminerar också läsbrus och mörk ström - de primära felkällorna i andra instrument - och rensar upp den atmosfäriska snedvridningen genom att undertrycka stjärnljuset.
Mazin och hans kollegor har utforskat MKIDs teknik i flera år genom Mazin Lab, som är en del av UCSB: s avdelning för fysik. Som Mazin förklarade:
”Denna teknik kommer att sänka kontrastgolvet så att vi kan upptäcka svagare planeter. Vi hoppas att närma oss fotonbrusgränsen, vilket kommer att ge oss kontrastförhållanden nära 10-8, så att vi kan se planeter 100 miljoner gånger svagare än stjärnan. På dessa kontrastnivåer kan vi se några planeter i reflekterat ljus, som öppnar upp en helt ny domän av planeter att utforska. Det riktigt spännande är att det här är en teknikvägsökare för nästa generation teleskop. ”
DARKNESS är nu i drift på 200-tums Hale-teleskopet vid Palomar Observatory nära San Diego, Kalifornien, där det är en del av PALM-3000 extremt adaptivt optiksystem och Stellar Double Coronagraph. Under det senaste halvannet året har teamet genomfört fyra körningar med DARKNESS-kameran för att testa dess kontrastförhållande och se till att det fungerar korrekt.
I maj kommer teamet att återvända för att samla in mer information om planeter i närheten och visa deras framsteg. Om allt går bra kommer DARKNESS att bli den första av många kameror designade för att avbilda planeter runt närliggande M-typ (röd dvärg) stjärnor, där många steniga planeter har upptäckts under de senaste åren. Det mest anmärkningsvärda exemplet är Proxima b, som kretsar runt det närmaste stjärnsystemet till vårt eget (Proxima Centauri, ungefär 4,25 ljusår bort).
"Vårt hopp är att vi en dag kommer att kunna bygga ett instrument för det trettio meter teleskopet som planeras för Mauna Kea på ön Hawaii eller La Palma," sade Mazin. ”Med det kommer vi att kunna ta bilder av planeter i de beboeliga zonerna i närliggande lågmassastjärnor och leta efter livet i deras atmosfärer. Det är det långsiktiga målet och detta är ett viktigt steg mot det. "
Förutom studien av närliggande steniga planeter, kommer denna teknik också att göra det möjligt för astronomer att studera pulsars mer detaljerat och bestämma den röda skiftningen av miljarder galaxer, vilket möjliggör mer exakta mätningar av hur snabbt universum expanderar. Detta i sin tur kommer att möjliggöra mer detaljerade studier av hur vårt universum har utvecklats över tid och den roll som Dark Energy har spelat.
Dessa och andra tekniker, såsom NASA: s föreslagna Starshade-rymdskepp och Stanfords mDot-ockulter, kommer att revolutionera exoplanetstudier under de kommande åren. Par ihop med nästa generations teleskop - till exempel James Webb rymdteleskop och den Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), som nyligen lanserade - astronomer kommer inte bara att kunna upptäcka mer på sättet exoplaneter, utan kommer att kunna karakterisera dem som aldrig tidigare.
