Næsten et årti undervejs, exoplanetjagtinstrument installeret på Hawaii

En top en sovende vulkan på Hawaii, et ekstremt delikat instrument – ​​designet til at hjælpe videnskabsmænd med at finde fjerne verdener – er spredt ud over gulvet i hundredvis af stykker.

"Forestil dig at prøve at samle et af de store LEGO sæt, bortset fra, at der ikke er nogen instruktionsbog; du har gjort det en gang før men så skulle man skille det hele ad og putte det i små poser, " sagde Jacob Bean, lektor i astronomi og astrofysik ved University of Chicago. "Du er også på 14, 000 fod, og når luften er så tynd, forringer det din dømmekraft og tænkning, og så her arbejder du 12-timers skift med at løfte tunge ting, men også forsøge at sammensætte et delikat instrument."

Dette var Beans opgave som leder af et UChicago-projekt om at bygge og installere et innovativt instrument, der vil scanne himlen for nye exoplaneter - verdener i andre solsystemer, der potentielt kunne være vært for liv. I løbet af de sidste otte år, Bean og hans team havde designet og bygget instrumentet, kaldet MAROON-X; denne sommer fastgjorde de det endelig til et teleskop ved Gemini Observatory på toppen af ​​Mauna Kea, Hawaii.

"Det har været ret intense seks måneder for mit team at tage dette instrument i brug, " sagde Bean, en ekspert i fjerne verdener, hvis forskning fokuserer på at opdage og undersøge potentielt beboelige planeter i andre solsystemer. "Men i de næste 10 år kommer vi til at lære ting om beboelige verdener, som vi aldrig havde kendt før. Det bliver virkelig transformerende."

For flere årtier siden, teknologiske fremskridt gjorde det muligt for videnskabsmænd at begynde at opdage de meget svage signaturer fra planeter, der kredser om andre stjerner i fjerne solsystemer. Der har været en eksplosion af opdagelser; i øjeblikket, NASA lister 4, 000 bekræftede exoplaneter og tusindvis flere kandidater.

Imidlertid, vi har stadig ingen bekræftede jordlignende exoplaneter med beboelige overfladeforhold. Det der med jordlignende planeter, Derfor tager det så lang tid at finde og karakterisere dem, er, at de er ekstremt svære at se. Fordi disse planeter kredser omkring en stjerne, der er mindst en million gange lysere end de er, at prøve at lede direkte efter dem er som at prøve at se et lyn ved siden af ​​et fyrtårn på den anden side af landet. Så videnskabsmænd er nødt til at finde indirekte måder at finde dem på baseret på de virkninger, de har på deres stjerner.

MAROON-X gør dette ved at bemærke den ekstremt lille gravitationsslæbebåd, som en exoplanet (eller to, eller fem, eller syv) udøver på sin stjerne, når den kredser om den. Denne slæbning får stjernen til at slingre bare den mindste smule i sin bane. Men det er nok bevægelse til at fange det.

Fastgjort til Gemini North-teleskopet, MAROON-X tager alt det lys, der samles af det 25-fods teleskop, og fokuserer det ned til et sted, der er bredden af ​​et menneskehår. Så adskiller det lyset i regnbuens forskellige farver og aflæser intensiteten af ​​hvert bånd. Lysets farve vil ændre sig lidt, når stjernen bevæger sig frem eller tilbage. "Det er lidt ligesom en radarpistol for stjerner, " sagde Bean.

Ved at fange denne vaklen, videnskabsmænd kan beregne massen af ​​den skjulte planet (eller planeter), der trækker på stjernen.

Den nødvendige præcision til dette, selvfølgelig, er utroligt. "Når lyset rammer vores detektor, det skift er hinsides umærkeligt for det menneskelige øje. Det er en tusindedel af en pixel. Det nærmer sig størrelsen af ​​siliciumatomerne i detektoren, " sagde Bean. "Dette er en stjerne, der er svag selv for store teleskoper. Og vi kan se, om den bevæger sig mod eller væk fra os med en hastighed, der kan sammenlignes med menneskelig ganghastighed - dvs. et par fod i sekundet."

"De ændringer, vi leder efter, er så små, at hver aften før vi observerer, vi skal kalibrere instrumentet igen, " sagde forsker Andreas Seifahrt, der byggede MAROON-X med Bean.

'Det har virkelig været et kærlighedsarbejde'

Bean og Seifahrt brugte næsten et årti på at designe og bygge MAROON-X; det er så præcist, at miljøet skal kontrolleres udsøgt. "Selv en lille ændring i temperatur eller lufttryk vil afvise aflæsningerne, så den er bygget som en russisk rededukke – den er inde i et vakuumkammer, der i sig selv er isoleret, og inde i et walk-in køleskab, der holder temperaturen stabil på en tusindedel af en grad, " sagde Bean.

Når de var tilfredse med instrumentets ydeevne, så kom det møjsommelige – og skræmmende – arbejde med at transportere det fra Chicago til Hawaii. "At bruge otte år på dette instrument og så se fra læssepladsen, mens lastbilen kører væk med det, og du vil ikke se det før to uger senere på toppen af ​​et bjerg på tværs af et hav - det er ret nervepirrende, " sagde Seifahrt.

Men kasserne med udstyret kom sikkert til Hawaii, hvor Bean, Seifahrt, og postdocs Julian Stürmer og David Kasper fik samlet deres LEGO sæt. Den 23. september MAROON-X tog sine officielle første-lys-aflæsninger.

Instrumentet vil arbejde sammen med NASAs Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) for at få et fuldstændigt billede af kandidat exoplaneter. TESS leder efter dæmpningen af ​​lyset, når en planet krydser foran en stjerne, så forskerne kan finde ud af, hvor stor den er. Ved at kombinere det med MAROON-X's massedata, du kan beregne en exoplanets tæthed - hvilket fortæller dig, hvis du ser på en stenet planet, som Jorden, eller en gasformig, ligesom Jupiter.

MAROON-X vil også være i stand til at detektere signaturer fra planetens atmosfære, såsom dens sammensætning og tykkelse.

"Langsigtet, vi håber at være i stand til at lede efter biosignaturer - ting, der kun ville eksistere, hvis livet satte dem der, " sagde Bean. "F.eks. i jordens atmosfære, vi har kun ilt, fordi det blev sat der af planter. Det er et puslespil med mange forskellige brikker."

Når de indsamler nye data, Bean forventer at arbejde med UChicago-kolleger, herunder planetariske kompositionseksperter Leslie Rogers, Dorian Abbott og Edwin Kite, og crack exoplanet jæger Daniel Fabrycky, at gøre aflæsningerne til forudsigelser om de fjerne exoplaneter. Snart, også, NASAs James Webb-rumteleskop vil blive opsendt som efterfølgeren til Hubble, at bringe endnu flere billedbehandlingsmuligheder til rådighed for spørgsmålet.

Ud over Bean, Seifahrt, Stürmer, og Kasper, flere generationer af UChicago bachelorstuderende, kandidatstuderende og postdoc-forskere arbejdede på MAROON-X. "Det har virkelig været et kærlighedsarbejde for mit team, " sagde Bean, "og nu er det endelig virkeligt. Det er en meget spændende tid."

Seifahrt var enig:"At klare dette med et så lille team og et begrænset budget er virkelig en præstation. Når vi ser tilbage, det var noget af en sindssyg ting at gøre - men vi tror, ​​det virkelig bliver et banebrydende instrument."