Polowanie na planety poza Układem Słonecznym doprowadziło do odkrycia tysięcy kandydatów w ciągu ostatnich kilku dekad. Większość z nich to gazowi olbrzymy, których rozmiary wahają się od super-Jowisza po planety wielkości Neptuna. Jednak kilka z nich zostało określonych jako „ziemskich” z natury, co oznacza, że są skaliste i krążą wokół odpowiednich stref mieszkalnych swoich gwiazd.
Niestety określenie warunków na ich powierzchniach jest trudne, ponieważ astronomowie nie są w stanie bezpośrednio badać tych planet. Na szczęście międzynarodowy zespół kierowany przez fizyka z UC Santa Barbara Benjamina Mazina opracował nowy instrument o nazwie DARKNESS. Ta nadprzewodząca kamera, która jest największą i najbardziej zaawansowaną na świecie, pozwoli astronomom wykryć planety wokół pobliskich gwiazd.
Badanie zespołu, które szczegółowo opisuje ich przyrząd, zatytułowane „CIEMNOŚĆ: Mikrofalowy spektrometr indukcyjny z wbudowanym spektrografem do astronomii o wysokim kontraście”, niedawno ukazało się w Publikacje Astronomy Society of the Pacific. Zespół był kierowany przez Benjamina Mazina, Worstera w dziedzinie fizyki eksperymentalnej na UCSB, a także członków z NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Fermi National Accelerator Laboratory i wielu uniwersytetów.
Zasadniczo naukowcom niezwykle trudno jest badać egzoplanety bezpośrednio z powodu interferencji powodowanej przez ich gwiazdy. Jak wyjaśnił Mazin w niedawnym komunikacie prasowym UCSB: „Wykonanie zdjęcia egzoplanety jest niezwykle trudne, ponieważ gwiazda jest znacznie jaśniejsza od planety, a planeta jest bardzo blisko gwiazdy”. W związku z tym astronomowie często nie są w stanie analizować światła odbijanego od atmosfery planety, aby określić jej skład.
Badania te pomogłyby nałożyć dodatkowe ograniczenia na to, czy planeta jest potencjalnie zamieszkana. Obecnie naukowcy są zmuszeni ustalić, czy planeta może utrzymać życie na podstawie jej wielkości, masy i odległości od gwiazdy. Ponadto przeprowadzono badania, które ustaliły, czy woda istnieje na powierzchni planety w oparciu o to, jak jej atmosfera traci wodór w przestrzeń kosmiczną.
Próbuje to naprawić spektrofotometr nadprzewodnikowy z detekcją bliskiej podczerwieni w bliskiej podczerwieni (znany również jako DARKNESS), będący pierwszym spektrografem pola integralnego o rozdzielczości 10 000 pikseli. W połączeniu z dużym teleskopem i adaptacyjną optyką wykorzystuje mikrofalowe detektory indukcyjności kinetycznej do szybkiego pomiaru światła pochodzącego z odległej gwiazdy, a następnie wysyła sygnał z powrotem do gumowego lustra, które może formować się w nowy kształt 2000 razy na sekundę.
MKID pozwalają astronomom określić energię i czas przybycia poszczególnych fotonów, co jest ważne, jeśli chodzi o odróżnienie planety od światła rozproszonego lub załamanego. Proces ten eliminuje również szum odczytu i ciemny prąd - główne źródła błędów w innych instrumentach - i usuwa zniekształcenia atmosferyczne poprzez tłumienie światła gwiazd.
Mazin i jego koledzy od lat badają technologię MKID za pośrednictwem Mazin Lab, które jest częścią Wydziału Fizyki UCSB. Jak wyjaśnił Mazin:
„Ta technologia obniży kontrast podłogi, abyśmy mogli wykryć słabsze planety. Mamy nadzieję zbliżyć się do granicy szumu fotonu, która da nam współczynniki kontrastu zbliżone do 10-8, co pozwala nam zobaczyć planety 100 milionów razy słabsze od gwiazdy. Przy tych poziomach kontrastu możemy zobaczyć niektóre planety w świetle odbitym, co otwiera zupełnie nową domenę planet do eksploracji. Naprawdę ekscytujące jest to, że jest to ścieżka technologiczna dla następnej generacji teleskopów. ”
DARKNESS działa teraz na 200-calowym teleskopie Hale'a w Obserwatorium Palomar w pobliżu San Diego w Kalifornii, gdzie jest częścią ekstremalnego adaptacyjnego układu optycznego PALM-3000 i podwójnego korona gwiezdnego Stellar. W ciągu ostatniego półtora roku zespół przeprowadził cztery serie z kamerą DARKNESS, aby przetestować współczynnik kontrastu i upewnić się, że działa poprawnie.
W maju zespół powróci, aby zebrać więcej danych na temat pobliskich planet i zademonstrować swoje postępy. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, CIEMNOŚĆ stanie się pierwszą z wielu kamer zaprojektowanych do obrazowania planet wokół pobliskich gwiazd typu M (czerwonego karła), w których w ostatnich latach odkryto wiele planet skalistych. Najbardziej znanym przykładem jest Proxima b, która krąży wokół najbliższego naszego układu gwiezdnego (Proxima Centauri, w odległości około 4,25 lat świetlnych).
„Mamy nadzieję, że pewnego dnia będziemy w stanie zbudować instrument dla trzydziestometrowego teleskopu planowanego dla Mauna Kea na Hawajach lub na La Palmie” - powiedział Mazin. „Dzięki temu będziemy mogli robić zdjęcia planet w strefach mieszkalnych pobliskich gwiazd o niskiej masie i szukać życia w ich atmosferze. To cel długoterminowy i jest to ważny krok w tym kierunku ”.
Oprócz badań pobliskich planet skalistych, technologia ta pozwoli astronomom badać pulsary bardziej szczegółowo i określić przesunięcie ku czerwieni miliardów galaktyk, umożliwiając dokładniejsze pomiary prędkości rozszerzania się Wszechświata. To z kolei pozwoli na bardziej szczegółowe badania ewolucji Wszechświata w czasie i roli Ciemnej Energii.
Te i inne technologie, takie jak proponowany przez NASA statek kosmiczny Starshade i okulter mDot Stanforda, zrewolucjonizują badania egzoplanet w nadchodzących latach. W połączeniu z teleskopami nowej generacji - takimi jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i Tranzytowa satelita do badań Exoplanet (TESS), który niedawno wystartował - astronomowie nie tylko będą mogli odkryć więcej w sposób egzoplanet, ale będą mogli scharakteryzować je jak nigdy wcześniej.
