Jordbundet instrument analyserer lys fra planeter, der kredser om fjerne stjerner

Et hold af forskere og ingeniører ledet af Princeton-forskere rapporterede for nylig om den vellykkede drift af et nyt instrument til Subaru-teleskopet på Hawaii, som vil give astronomer mulighed for at foretage direkte observationer af planeter, der kredser omkring stjerner.

Instrumentet, døbt CHARIS, blev designet og bygget af et team ledet af N. Jeremy Kasdin, professor i maskin- og rumfartsteknik. Det giver astronomer mulighed for at isolere lys, der reflekteres fra planeter, der er større end Jupiter, og derefter analysere lyset for at bestemme detaljer om planeternes størrelse, alder og atmosfæriske bestanddele. Den seneste observation er kendt i det astronomiske samfund som et "første lys, "en første felttest af instrumentet på teleskopet, der viser, at det fungerer med succes.

"Vi kunne ikke have været mere tilfredse med resultaterne, " sagde Kasdin. "CHARIS overgik alle vores forventninger. Jeg kan ikke rose vores team nok for deres ekstremt hårde arbejde og dedikation, der gjorde CHARIS til en succes. Det er på vej til at være tilgængeligt for videnskabelige observationer fra februar 2017."

CHARIS, et akronym for Coronagraphic High Angular Resolution Imaging Spectrograph, er en del af en større indsats inden for astronomi for at finde og analysere planeter, der kredser om fjerne stjerner, kendt som exoplaneter. Siden den første opdagelse af en exoplanet i 1995, forskere har opdaget over 1, 000 sådanne planeter, et stort flertal kommer fra NASAs Kepler-rumobservatorium. Næsten alle disse opdagelser var afhængige af at bruge små ændringer i stjernernes lys til at identificere tilstedeværelsen af ​​planeter; som resultat, disse observationer kan ikke fortælle videnskabsmænd meget om planeterne selv.

Nyere projekter har demonstreret evnen til at fange lys reflekteret fra en planet og adskille det fra lyset, der skinner direkte fra dens moderstjerne. Disse bestræbelser gør det muligt for forskere at undersøge lyset og bestemme den kemiske sammensætning af planetens atmosfære på samme måde, som kemikere bruger lysspektret (lysets bølgelængde eller farver) til at analysere sammensætningen af ​​materiale i et laboratorium. CHARIS-projektet er en del af den indsats. I øjeblikket, CHARIS er den eneste spektrograf dedikeret til exoplanetforskning på et 8 meter klasseteleskop på den nordlige halvkugle.

"CHARIS er en vigtig tilføjelse til de voksende exoplanetbilleddannelses- og karakteriseringsevner hos Subaru Telescope, sagde Olivier Guyon, lederen af ​​det adaptive optikprogram hos Subaru og et fakultetsmedlem ved University of Arizona. "Med CHARIS-spektre kan vi nu gøre meget mere end blot at opdage planeter:Vi kan måle deres temperaturer og atmosfæresammensætning."

CHARIS-projektet er en del af et langsigtet samarbejde mellem Princeton, Tokyos Universitet og Japans National Astronomical Observatory, som driver Subaru-teleskopet ved Mauna Kea, Hawaii. CHARIS instrumentet blev designet og bygget i Princeton under ledelse af Tyler Groff, en tidligere ph.d.-studerende og associeret forsker, der arbejder med Kasdin, som nu arbejder for NASAs Goddard Space Flight Center.

"Ved at analysere spektret af en planet, vi kan virkelig forstå meget om planeten, " sagde Groff. "Du kan se specifikke funktioner, der kan give dig mulighed for at forstå massen, temperaturen, planetens alder."

Spektrografen er forseglet i en 500 pund kasse, der måler 30 tommer gange 30 tommer gange 12 tommer og fungerer ved en temperatur på 50 grader Kelvin (-370 grader Fahrenheit). Samlingen omfatter ni spejle, fem filtre, to prismesamlinger og et mikrolinsearray - en speciel optisk enhed med en række bittesmå linser ætset ind i overfladen. Forskerholdet tog fem år at færdiggøre CHARIS.

Spektrografen sidder bag en enhed kaldet en coronagraph, som kanaliserer lys fra teleskopet og bruger interferensmønstre til at opdele lyset, der kommer direkte fra en stjerne, fra lyset, der reflekteres fra kredsende planeter. Det er lidt som at udvælge lyset, der reflekterer fra en plet af tinsel, der svæver foran et spotlys flere hundrede kilometer væk. Forskerne sagde, at den høje kontrast i billedet er nøglen til en vellykket observation. Subaru-teleskopet opnår dette gennem en kombination af CHARIS-instrumentet og adaptiv optik kaldet Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics. Nemanja Jovanovic, som er en del af Guyons team hos Subaru, ledet bestræbelserne på at integrere de to systemer.

CHARIS har et relativt snævert synsfelt. Groff sagde, at den observerer omkring 2 buesekunder af himlen. (Fuldmånen set fra Jorden er omkring 1, 800 buesekunder.) Men den har evnen til at tage billeder på tværs af et meget bredt bånd af bølgelængder af lys, giver mulighed for detaljeret analyse af alt inden for sit felt.

"Vi testede CHARIS på Neptun, men hele planeten passer ikke engang på vores detektor, " sagde Groff. Men spektrografens synsfelt er så detaljeret, at forskerne var i stand til at lave interessante observationer af skyer, der svæver hen over planetens overflade.

CHARIS-projektet var arbejdet af et stort team af forskere. Kasdin og Masahiko Hayashi, af Japans National Astronomical Observatory, er de vigtigste efterforskere. Ud over Groff, andre teammedlemmer inkluderede:Michael Galvin, Michael Carr, Craig Loomis, Norman Jarosik, Johnny Greco, Robert Lupton, Edwin Turner, James Gunn og Gillian Knapp fra Princeton; Mary Anne Limbach fra Limbach Optics; Nemanja Johanovic, af Subaru-teleskopet; Timothy Brandt fra Institute for Advanced Study; og Jeffrey Chilcote fra University of Toronto.

Groff sagde, at der har været stor interesse for projektet i det astronomiske samfund, og de vigtigste efterforskere gennemgår nu forskningsforslag.

"Der er meget spænding, " sagde han. "CHARIS vil åbne for videnskab i februar for alle."