Forskere debuterer superhurtigt exoplanetkamera

I årene siden astronomerne opdagede den første exoplanet - en planet, der kredser om en stjerne uden for solsystemet - mere end 4, 000 er blevet observeret. Som regel, deres tilstedeværelse er givet væk af de små effekter, de har på deres forældrestjerner, som i høj grad overstråler dem. I halvandet årti, videnskabsmænd har forsøgt at afbilde exoplaneter direkte, men Jordens atmosfære udgør en stor hindring, når de forsøger at udnytte store jordbaserede teleskoper.

Nu, et hold af amerikanske og japanske videnskabsmænd og ingeniører, der omfatter forskere ved UC Santa Barbara, har udviklet et nyt exoplanet-jagtkamera. Indsat ved Subaru-teleskopet på Maunakea, Hawaii, enheden er verdens største superledende kamera målt i pixelantal og vil bane vejen for direkte billeddannelse af planeter uden for solen i den nærmeste fremtid. Et instrumentpapir, der vises i Publications of the Astronomy Society of the Pacific, annoncerede den nye enhed til det astronomiske samfund.

Konstrueret af forskere i laboratoriet af professor Ben Mazin, MKID Exoplanet Camera (MEC) bruger Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID'er) til at gøre det muligt for videnskabsmænd at afbilde exoplaneter og diske omkring klare stjerner direkte. Detektoren kører med raske 90 millikelvin - kun et tryk over det absolutte nulpunkt - og er det første permanent udsatte superledende kamera, der fungerer i det optiske og nær-infrarøde spektrum.

"I exoplanet direkte billeddannelse, du forsøger at forestille dig planeter, der er millioner af gange svagere end deres forældrestjerner, sagde Sarah Steiger, en doktorand i Mazin-laboratoriet, der arbejdede på MKID-pipelinen. "Det svarer til at prøve at se en ildflue ved siden af ​​et fuldt oplyst fodboldstadion fra et fly.

"Hvad mere er, hvis du gør dette fra jorden, du skal se gennem Jordens turbulente atmosfære, " fortsatte hun. Denne turbulens er det, der får stjerner til at blinke på nattehimlen, og er en evig hovedpine for astronomer, forvrængning af billeder og kaster stjernelys på dunkle exoplaneter.

"Det er en konstant kamp for at forhindre vildfarent lys fra stjernen i at overvælde planeten fuldstændigt, " sagde doktorand Neelay Fruitwala.

Moderne observatorier bruger adaptiv optik til at korrigere disse forvrængninger. Systemerne er afhængige af hurtige feedback-sløjfer og komplekse algoritmer til at bøje et teleskops spejl tusindvis af gange i sekundet på måder, der modvirker virkningerne af atmosfæren, gør det muligt for forskere at genskabe et billede, som om teleskopet var i rummet.

"Disse meget komplicerede adaptive optiksystemer lader os opdage planeter som dem i HR 8799, som er et system med fire planeter alle over Jupiters masse, der kredser i det, sagde Mazin. Men de kan også sprede lys, som skjuler svage exoplaneter. "Vi fandt ud af, at bare at bruge adaptiv optik i sig selv kun ville finde os en håndfuld planeter - nemlig dem, der stadig gløder med varmen fra deres dannelse - som bare ikke er så almindelige i vores stjernekvarter."

En anden fordel ved MKID'er ligger i deres evne til at bestemme energien af ​​hver foton, der rammer detektoren. "Dette giver os ikke kun mulighed for at bestemme en planets lysstyrke, " sagde Steiger, "men også for at få et spektrum (lysstyrken som en funktion af energi), som kan afsløre yderligere information om en exoplanets egenskaber, som dens alder, masse og potentielt atmosfærisk sammensætning."

Mere avancerede detektorer anvender en coronagraph, som blokerer noget af lyset fra værtsstjernen, så forskerne bedre kan skelne lyset, der reflekteres fra selve planeten. Dette er vigtigt for billeddannelse af nærliggende systemer, hvoraf de fleste ikke er særligt unge. Imidlertid, at få den bedste ydeevne fra sådan et setup kræver ekstremt god adaptiv optik.

"Disse instrumenter rammer ligesom en væg lige nu, " sagde Mazin. "De kan blokere lyset fra stjernen med omkring en faktor på en million, men problemet er, at de fleste planeter er mere som en milliard gange svagere end deres moderstjerne."

En fordel ved MKID'er i forhold til traditionelle kameraer er, at de er meget hurtige. Disse detektorer kan udlæse data tusindvis af gange i sekundet, hvilke hastigheder er nødvendige for at holde trit med et adaptivt optiksystem, Steiger forklarede. Dette gør det muligt for en MKID at rense et billede yderligere ved at kommunikere med observatoriets adaptive optiksystem for at fjerne noget af det spredte og diffrakterede stjernelys. Dette skubber grænserne for, hvor svag en exoplanet kan afbildes.

MKID Exoplanet Camera bør udvide rækken af ​​exoplaneter, som astronomer direkte kan afbilde til dem, der er tæt på Jorden. Disse er de vigtigste, fordi vi kan karakterisere dem mere detaljeret, sagde medforfatter Olivier Guyon, projektforskeren med ansvar for Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO) instrument.

Det ultimative mål er at søge efter bevis på liv, og MEC er et vigtigt skridt i denne rejse. "Vi vil ikke være i stand til at gøre det med Subaru, eller med et af de nuværende teleskoper, fordi de bare er lidt for små, " sagde Guyon. "Men vi forbereder os på det næste store skridt, som skal indsætte exoplanetbilledkameraer på større teleskoper såsom Thirty Meter Telescope. Når disse teleskoper kommer online, de samme teknologier, det samme kamera, de samme tricks vil give os mulighed for rent faktisk at lede efter livet."

Det sagt, der er stadig meget arbejde tilbage, mest på MEC's ​​software og algoritmer. Holdet modtog en stor bevilling fra Heising-Simons Foundation til at tackle dette problem og videreudvikle hurtig optisk korrektion i løbet af de næste par år. "Vi kaster alle tricks i bogen på det her, " sagde Mazin, "og vi udvikler også nye tricks."

Forfatterne anerkender den betydningsfulde kulturelle rolle og ærbødighed, som toppen af ​​Maunakea har i det hawaiiske samfund, og sagde, at de føler sig heldige at have muligheden for at udføre observationer fra dette bjerg.