De jacht op planeten buiten ons zonnestelsel heeft de afgelopen decennia geleid tot de ontdekking van duizenden kandidaten. De meeste hiervan zijn gasreuzen die in grootte variëren van Super-Jupiters tot planeten van Neptunusformaat. Verschillende zijn echter ook bepaald als 'aardachtig' van aard, wat betekent dat ze rotsachtig zijn en zich in een baan om de respectieve bewoonbare zones van hun sterren bevinden.
Helaas is het moeilijk te bepalen hoe de omstandigheden op hun oppervlak eruit kunnen zien, aangezien astronomen deze planeten niet rechtstreeks kunnen bestuderen. Gelukkig heeft een internationaal team onder leiding van UC Santa Barbara-natuurkundige Benjamin Mazin een nieuw instrument ontwikkeld dat bekend staat als DARKNESS. Met deze supergeleidende camera, die 's werelds grootste en meest geavanceerde is, kunnen astronomen planeten rond nabije sterren detecteren.
De teamstudie met details over hun instrument, getiteld 'DARKNESS: A Microwave Kinetic Inductance Detector Integral Field Spectrograph for High-contrast Astronomy', verscheen onlangs in de Publicaties van de Astronomy Society of the Pacific. Het team werd geleid door Benjamin Mazin, de Worster Chair in Experimental Physics bij UCSB, en omvat ook leden van NASA's Jet Propulsion Laboratory, het California Institute of Technology, het Fermi National Accelerator Laboratory en meerdere universiteiten.
In wezen is het voor wetenschappers buitengewoon moeilijk om exoplaneten rechtstreeks te bestuderen vanwege de interferentie die door hun sterren wordt veroorzaakt. Zoals Mazin in een recent persbericht van UCSB uitlegde: "Het maken van een foto van een exoplaneet is buitengewoon uitdagend omdat de ster veel helderder is dan de planeet en de planeet heel dicht bij de ster staat." Als zodanig kunnen astronomen het licht dat wordt weerkaatst door de atmosfeer van een planeet vaak niet analyseren om de samenstelling ervan te bepalen.
Deze studies zouden helpen om extra beperkingen op te leggen over de vraag of een planeet al dan niet mogelijk bewoonbaar is. Op dit moment worden wetenschappers gedwongen om te bepalen of een planeet het leven zou kunnen ondersteunen op basis van zijn grootte, massa en afstand tot zijn ster. Daarnaast zijn er onderzoeken uitgevoerd die hebben vastgesteld of er al dan niet water op het oppervlak van een planeet bestaat op basis van hoe de atmosfeer waterstof aan de ruimte verliest.
De DARK-speckle nabij-infrarood energie-opgeloste supergeleidende spectrofotometer (ook bekend als DARKNESS), de eerste integraalveldspectrograaf met 10.000 pixels, tracht dit te corrigeren. In combinatie met een grote telescoop en adaptieve optiek, gebruikt het microgolfkinetische inductiedetectoren om snel het licht van een verre ster te meten en stuurt het vervolgens een signaal terug naar een rubberen spiegel die 2000 keer per seconde een nieuwe vorm kan aannemen.
MKID's stellen astronomen in staat om de energie en aankomsttijd van individuele fotonen te bepalen, wat belangrijk is om een planeet te onderscheiden van verstrooid of gebroken licht. Dit proces elimineert ook leesruis en donkere stroom - de belangrijkste bronnen van fouten in andere instrumenten - en ruimt de atmosferische vervorming op door het sterlicht te onderdrukken.
Mazin en zijn collega's verkennen al jaren MKID-technologie via het Mazin Lab, dat deel uitmaakt van de afdeling natuurkunde van UCSB. Zoals Mazin uitlegde:
“Deze technologie verlaagt de contrastvloer zodat we zwakkere planeten kunnen detecteren. We hopen de limiet voor fotonruis te naderen, wat ons een contrastverhouding van bijna 10 geeft-8, waardoor we planeten 100 miljoen keer zwakker kunnen zien dan de ster. Op die contrastniveaus kunnen we sommige planeten in gereflecteerd licht zien, wat een heel nieuw domein van planeten opent om te verkennen. Het echt opwindende is dat dit een technologie-pathfinder is voor de volgende generatie telescopen. ”
DARKNESS is nu operationeel op de 200-inch Hale-telescoop in het Palomar-observatorium bij San Diego, Californië, waar het deel uitmaakt van het PALM-3000 extreem adaptieve optische systeem en de Stellar Double Coronagraph. Het afgelopen anderhalf jaar heeft het team vier runs uitgevoerd met de DARKNESS-camera om de contrastverhouding te testen en te controleren of deze goed werkt.
In mei keert het team terug om meer gegevens over planeten in de buurt te verzamelen en hun voortgang te demonstreren. Als alles goed gaat, wordt DARKNESS de eerste van vele camera's die zijn ontworpen om planeten af te beelden rond nabije M-type (rode dwerg) sterren, waar de afgelopen jaren veel rotsachtige planeten zijn ontdekt. Het meest opvallende voorbeeld is Proxima b, dat in een baan om het dichtstbijzijnde zonnestelsel draait (Proxima Centauri, op ongeveer 4,25 lichtjaar afstand).
"We hopen dat we op een dag een instrument kunnen bouwen voor de Dertig Meter-telescoop die is gepland voor Mauna Kea op het eiland Hawaï of La Palma," zei Mazin. "Daarmee kunnen we foto's maken van planeten in de bewoonbare zones van nabije lage-massa sterren en zoeken naar leven in hun atmosfeer. Dat is het langetermijndoel en dit is een belangrijke stap in de richting daarvan. "
Naast de studie van nabijgelegen rotsachtige planeten, zullen deze technologie astronomen ook in staat stellen pulsars gedetailleerder te bestuderen en de roodverschuiving van miljarden sterrenstelsels te bepalen, waardoor nauwkeurigere metingen kunnen worden gemaakt van hoe snel het heelal uitdijt. Dit zal op zijn beurt meer gedetailleerde studies mogelijk maken over hoe ons universum in de loop van de tijd is geëvolueerd en de rol die Dark Energy speelt.
Deze en andere technologieën, zoals NASA's voorgestelde Starshade-ruimtevaartuig en Stanford's mDot-occulter, zullen de komende jaren een revolutie teweegbrengen in exoplanetenstudies. In combinatie met telescopen van de volgende generatie, zoals de James Webb Space Telescope en de Doorgaande Exoplanet Survey Satellite (TESS), dat onlangs is gelanceerd - astronomen zullen niet alleen meer kunnen ontdekken in de manier waarop exoplaneten, maar ze ook zullen kunnen karakteriseren als nooit tevoren.
