Fjerne exoplaneter afsløret af lys fra vaklende stjerner

Spørg de fleste mennesker, hvad de ville have brug for for at finde planeter, der kredser om fjerne stjerner, og meget få vil nævne en flaske jod.

Alligevel spiller dette element en afgørende rolle i søgen efter ekstrasolare planeter (exoplaneter) i form af anordninger kaldet "jodabsorberingsceller":forseglede glascylindre på størrelse med en suppe, der indeholder en tynd gas af jodmolekyler.

Gassens optiske egenskaber - omhyggeligt målt ved National Institute of Standards and Technology (NIST) - tjener som et unuanceret benchmark til at detektere udsving i lys fra fjerntliggende stjerner forårsaget af planeter i kredsløb. Analysen af ​​disse udsving har hidtil været ansvarlig for opdagelsen af ​​mere end 500 eksoplaneter.

Hver celle skal omhyggeligt kalibreres individuelt. "Jeg er kommet her i 15 år, gør præcis det," sagde den berømte exoplanetjæger Paul Butler fra Carnegie Institution of Washington, skaberen af ​​den oprindelige jodcelle. Han bringer sine celler til NIST til kalibrering hvert par år - senest i begyndelsen af ​​oktober, 2017 - for at få dem kontrolleret med NIST's Fourier-transform spektrometer (FTS), som måler spektrale detaljer med ekstrem høj nøjagtighed.

Instrumentet, som sidder inde i et vakuumkammer så stort som en varevogn, "er stadig verdens bedste FTS, " sagde Butler.

FTS bruges til mange applikationer, herunder støtte til en af ​​de to hovedmetoder til påvisning af exoplaneter. Den første er at se en stjerne og se, om dens lysudbytte dæmpes med jævne mellemrum, når en planet passerer foran den. Den slags justering er sjælden, og bedst set fra rumbaserede instrumenter som Kepler-teleskopet.

NIST-kalibreringer påvirker den anden metode, som er afhængig af Doppler -effekten. Det er det, der får en ambulancesiren til at stige, når den kommer mod dig, og falder, når den bevæger sig væk. Den samme effekt, der opstår i lydbølger, kan strække eller komprimere de elektromagnetiske bølger, der udgør spektret af lys, der kommer fra en stjerne, når den nærmer sig eller trækker sig tilbage fra Jorden.

Hvorfor skulle en stjerne bevæge sig sådan? Årsagen er, at det ikke er helt rigtigt at sige, at en planet kredser om en stjerne. Faktisk, begge kredser om deres fælles massecenter. (Se animation.) Jo mere massiv planeten er, jo større er stjernens bevægelse. Når stjernen bevæger sig mod Jorden, stjernens spektrum forskydes mod kortere (blåere) bølgelængder; når den bevæger sig væk, spektret strækkes mod længere (rødere) bølgelængder. Ved at måle mængden og frekvensen af ​​disse Doppler-skift, videnskabsmænd kan bestemme eksistensen af ​​en planet 100 eller flere lysår væk og beregne dens masse.

Men virkningerne er ekstremt små. For eksempel, Jordens gravitationsattraktion forårsager Solen – med en masse på 333, 000 gange større, og volumen 1,3 millioner gange større – for at bevæge sig omkring 10 centimeter (4 tommer) pr. sekund. Astronomer kan ikke måle så lille en effekt, men de kan måle stjerner, der bevæger sig med kun 1 meter (39 tommer) i sekundet. Hvis, det er, de har noget at måle det imod.

"Dopplerspektroskopi er en meget fleksibel måde at detektere planeter på, "sagde NIST -fysikeren Gillian Nave, hvem styrer FTS-driften. "Men alt er i bevægelse - stjernen, jorden, dit teleskop. Så, hvad du har brug for er noget pålideligt, fast reference. Vi skal være i stand til at måle Doppler-forskydningen af ​​stjernens lys til nogle få dele i en milliard. Du taler om en kæmpe stjerne, der bevæger sig med den hastighed, som nogen går. "

En måde at gøre det på er at sammenligne variationer i stjernens lys med et veldefineret referencespektrum, leveret af lys udsendt af specielle lamper - ofte kalibreret ved NIST - og derefter ført ind i måleinstrumentet af optisk fiber.

Den anden måde anvender jodceller. Når den placeres mellem et teleskop og en spektrograf, jodmolekylerne absorberer specifikke bølgelængder, trække dem fra stjernens indkommende lys. Det absorptionsspektrum - som kendes nøjagtigt fra kalibreringen - ændrer sig ikke, mens Doppler-skift forekommer i stjernens lys over tid. Når først kalibreret, en celle kan tjene som reference på teleskopet i årtier.

Jod er velegnet til opgaven, fordi den kun har en naturligt forekommende isotop, giver meget skarpe linjer, og absorberer bølgelængder i det synlige område fra grøn til orange, hvor stjernernes bevægelse let kan registreres. "Det er bare denne utrolige intense skov med tusindvis af linjer, " sagde Butler.

Hos NIST's FTS, lyset fra stjernen er erstattet med lys fra en højintensitets xenonlampe, producerer et hvidt lysspektrum uden skarpe linjer. Alle spektrale detaljer er resultatet af jodabsorption, ikke baggrundskilden. Kildelyset filtreres ned til området for jodlinjerne, reduktion af støj i det endelige resultat. Det går derefter gennem cellen til FTS, som kan registrere spektrallinjernes positioner til nogle få dele i en milliard. Hver celle tager cirka 30 minutter at måle. Celler karakteriseret ved NIST er blevet sendt til teleskoper på Hawaii, Chile, og Australien, med nogle af de nye celler på vej til et teleskop i Sydafrika.

"Jeg ved ikke præcist, hvor mange planeter jeg har opdaget, Butler sagde, "det er flere hundrede." Og han leder stadig efter mere på forskellige teleskoper udstyret med sine jodabsorberingsceller.

"Men, " han sagde, "disse ting fungerer ikke uden Gillians magi."