En virkelighedsdeluminator til at spotte exoplaneter ved reflekteret stjernelys

Måske husker du åbningsscenen af ​​"Harry Potter and the Sorcerer's Stone", der fandt sted på Privet Drive. En skægget mand trak en mystisk enhed, kaldet en deluminator, fra hans mørke kappe og en efter en fløj lysene fra gadelygterne ind i den.

I det sidste årti eller mere, Mugglere rundt om i verden – inklusive mig – har haft travlt med at designe og perfektionere en lignende enhed kaldet en coronagraph. Det blokerer lys fra stjerner, så videnskabsmænd kan tage billeder af planeter, der kredser om dem - exoplaneterne.

For mere end 500 år siden postulerede den italienske munk Giordano Bruno, at stjerner på nattehimlen var som vores sol med planeter, der kredsede om dem, hvoraf nogle sandsynligvis rummede liv. Fra 1990'erne, ved hjælp af jordbaserede og satellitobservationer har astronomer indsamlet beviser for eksistensen af ​​tusindvis af ekstra-solplaneter eller exoplaneter. Opdagelsen af ​​exoplaneter gav 2019 Nobelprisen i fysik.

Den næste store milepæl i exoplanetarisk forskning er at afbilde og karakterisere exoplaneter på størrelse med Jupiter i synligt lys, fordi det er meget vanskeligere at afbilde planeter på størrelse med Jorden. Imidlertid, billeddannelse af exo-Jupiters ville vise, at astronomerer har alle nødvendige værktøjer til at afbilde og karakterisere planeter på størrelse med Jorden i de beboelige zoner af nærliggende stjerner, hvor liv kan eksistere. Rummissioner, der er i stand til at afbilde exo-jorden i deres beboelige zoner, såsom Habitable Exoplanet Observatory eller HabEx og Large UV/Optical/IR Surveyor eller LUVOIR, er i øjeblikket ved at blive designet af videnskabsmænd og ingeniører over hele kloden og er mindst et årti væk fra deres flyvning.

Som forberedelse til disse flagskibsmissioner, det er afgørende, at nøgleteknologier og softwareværktøjer udvikles og valideres. En koronagraf er afgørende for alle disse billedbehandlingsindsatser.

Jeg er professor i fysik og leder en forskergruppe, der har designet mange eksperimenter, der har fløjet på NASA-missioner. I det sidste årti eller deromkring, vores team har udviklet teknologier, der er nødvendige for direkte at afbilde og karakterisere exoplaneter omkring nærliggende stjerner og teste dem ombord på raketter og balloner, før de kan udvælges til flyvning på store rummissioner.

Billeddannelse af exoplaneter i synligt lys

Selvom vi ved om eksistensen af ​​over 4, 000 exoplaneter, de fleste blev detekteret ved hjælp af indirekte metoder såsom at dæmpe lyset fra moderstjernen, når en planet passerer foran og blokerer noget af dens lys - ligesom Merkurs nylige transit. Dette er den teknik, der anvendes af Kepler og Transiting Exoplanet Survey Satellite eller TESS-missioner. 2019 Nobelprisvinderne brugte en anden indirekte metode, der er afhængig af måling af minut og periodisk bevægelse af stjerner forårsaget af planeter, der kredser om dem. Men et fotografi af en exoplanet, med egenskaber svarende til dem i vores solsystem, er endnu ikke taget.

Det er svært at forestille sig exoplaneter. For eksempel, selv en enorm planet som Jupiter er en milliard gange svagere end Solen. Og når det ses langvejs fra, Jorden er 10 gange svagere end Jupiter. Men vanskeligheden ved at afbilde exoplaneter er ikke, fordi de er svage - store teleskoper inklusive Hubble-rumteleskopet har afbildet meget svagere objekter.

Udfordringen med at afbilde exoplaneter har at gøre med at tage et billede af et meget svagt objekt, der er tæt på en meget lysere. Da stjernerne og deres planeter er langt væk, når de er fotograferet, fremstår de som ét lyspunkt på himlen, ligesom forlygterne på en bil ser ud som ét skarpt lys på afstand. Så, udfordringen med at afbilde selv den nærmeste exoplanet er beslægtet med en person i Californien, der tager et billede af en flue 10 fod væk fra det skarpe lys fra et fyrtårn i Massachusetts.

Min forskergruppe fløj for nylig et balloneksperiment i høj højde ved navn Planetary Imaging Concept Testbed Using a Recoverable Experiment-Coronagraph (PICTURE-C), der testede coronagraphens evne til at arbejde i rummet for at afbilde exoplaneter og deres miljøer.

Nøglekomponenter i PICTURE-C instrument

PICTURE-C's koronagraf skaber kunstige formørkelser for at dæmpe eller eliminere stjernelys uden at dæmpe de planeter, som stjernerne oplyser. Den er designet til at fange et svagt asteroidebælte som objekter meget tæt på den centrale stjerne.

Mens en koronagraf er nødvendig for direkte billeddannelse af exoplaneter, vores 6, 000 pund enhed inkluderer også deformerbare spejle for at korrigere formen af ​​teleskopspejlene, der bliver forvrænget på grund af ændringer i tyngdekraften, temperaturudsving og andre produktionsfejl.

Endelig, hele enheden skal holdes stabilt i rummet i relativt lange perioder. En specielt NASA-designet gondol kaldet Wallops Arc Second Pointer (WASP) bar PICTURE-C og fik os på vej. Et internt billedstabiliseringssystem designet af mine kolleger gav den nødvendige "stabile hånd".

Jomfruflyvningen af ​​BILLEDE-C

Efter mange tests for at demonstrere, at alle systemer var klar til flyvning, lancerede vores team PICTURE-C om morgenen den 29. september, 2019 fra Ft. Sumner, Ny mexico.

Efter den 20-timers testflyvning bekræftede, at alle systemer fungerede godt, BILLEDE-C vendte tilbage til Jorden ved hjælp af sin faldskærm for at lande blødt. Forsøget er blevet gendannet og returneret til vores laboratorium. PICTURE-C skulle faktisk ikke opdage nogen exoplaneter på sin første testkørsel. Men den vil flyve igen på en anden ballon, når den vil fotografere flere stjerner for at undersøge, om nogen af ​​dem har asteroidebælter. Disse ville være nemmere at se, og hvis vi er heldige, den vil tage et billede af en planet på størrelse med Jupiter i september 2020.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.