Nyt astronomisk instrument på jagt efter exoplaneter

På det højeste punkt af Quinlan-bjergene, med udsigt over Sonoran-ørkenen, som strækker sig over det sydlige Arizona, NEID (udtales som "væske") indsamlede for nylig sine første observationer, kendt i daglig tale af astronomer som "første lys, " ved Kitt Peak National Observatory.

Installeret ved det 3,5 meter lange Wisconsin-Indiana-Yale-NOAO (WIYN) teleskop, NEID kan måle ændringer i bevægelsen af ​​nærliggende stjerner med høj præcision. Dette avancerede instrument, som tager sit navn fra Tohono O'odham-ordet, der betyder "at se, "er nu på jagt efter exoplaneter, dem, der kredser om stjerner uden for solsystemet, og vil være i stand til at opdage, måle, og karakterisere nye planeter mere præcist end nogensinde før.

En måde, hvorpå astronomer kan finde nye exoplaneter, er ved at bruge "wobble"-metoden. To objekter i kredsløb, som jorden og solen, bevæge sig rundt om et fælles massecenter. Astronomer kan lede efter dette periodiske skift i en stjernes hastighed, når den bevæger sig, som en måde at finde ud af, om stjernen har nogen planeter, der kredser omkring sig.

Den primære udfordring med at bygge NEID, som har flere gange mere præcision end noget eksisterende instrument i sin klasse, involveret raffinering og optimering af dets mange komponenter. At gøre dette, Astronom Cullen Blake gik sammen med forskere ved Penn State og indsendte et forslag til NASA og National Science Foundation om at designe og bygge NEID.

Temperaturkontrol på en aggressiv tidslinje

Som en af ​​NEIDs instrumentforskere, Blake siger, at en af ​​de store test, de stod over for, var at skabe et instrument med meget fine niveauer af temperaturkontrol. De optiske enheder inde i NEID, et stort metalkar på størrelse med en bil, skal holdes ved en konstant temperatur på 300 Kelvin (omkring 80 F eller 26 C) og stabil inden for en tusindedel af en grad. "Hvis temperaturen inde i instrumentet ændres, det vil maskere sig som det signal, du leder efter, " forklarer Blake. "Det skal du virkelig kontrollere."

Efter at have anskaffet den største kommercielt tilgængelige ladekoblede enhed, den digitale detektor, der optager en fjern stjernes lys, Penn-forskere i Blakes laboratorium, herunder tidligere postdocs Dan Li og Sam Halverson og ph.d. studerende Mark Giovinazzi, designet og bygget beslaget, der huser detektoren for at få optimal temperaturkontrol. Efter at have samlet enheden og monteret ved hjælp af renrumsfaciliteter på Singh Centers Quattrone Nanofabrication Facility, forskerne udførte et års test for at sikre, at detektoren opfyldte specifikationerne, før de tog den til State College og samlede detektoren i NEID. Det blev derefter taget til Kitt Observatory til installation.

NEIDs førstelysobservationer var rettet mod stjernen 51 Pegasi, den første sollignende stjerne, som i 1995 viste sig at være vært for en exoplanet. Dette markerer en vigtig første milepæl for instrumentet og er "den første verifikation af, at NEID måler stjernelys som forventet og er på vej til fuld funktionalitet, " siger Jason Wright, NEID-projektforsker ved Penn State University.

Fra indledende design til installation, NEID blev færdig på fire år, kort tid til at integrere de mange forskellige komponenter i, hvad der typisk er en tiår lang bestræbelse. Årsagen til den aggressive tidsplan var NASA's Transitioning Exoplanet Survey Satellite (TESS), en rumbaseret mission, der også er på jagt efter exoplaneter. TESS udgav for nylig nye lister over kandidat exoplaneter, der kan observeres fra den nordlige halvkugle, som forskere nu kan drage fordel af og studere videre ved hjælp af NEID.

Exoplaneter i horisonten

Astronomisamfundet var begejstret for først at lære om NEID's første lys på det 235. American Astronomical Society-møde i sidste uge. Mens instrumentteknikerne og operatørerne stadig arbejder med NEID's knæk, Blake siger, at de foretager regelmæssige observationer og er overbevist om, at NEID vil være fuldt operationel inden for de næste par måneder. Blake tilføjer også, at det at have fuldtidsansatte på stedet vil betyde mindre tid, der kræves af forskere til at foretage observationer og instrumentfejlfinding. "Det vil være en af ​​de ting, der virkelig hjælper med at øge den videnskabelige effekt - at have professionelle observatører der hele tiden, som får den bedste videnskab, de kan få, " siger Blake.

Som et nyt instrument, der er "et årti forud for, hvad det amerikanske samfund havde adgang til før, " Blake håber, at NEID vil finde et langsigtet hjem på Kitt Peak, hvor den vil være tilgængelig for hele det amerikanske astronomisamfund. Meget af observatoriets tid i den nærmeste fremtid vil være dedikeret til jagten på exoplaneter, som Blake siger, kan i høj grad øge chancerne for både at finde nye planeter og udføre detaljerede og effektive videnskabelige undersøgelser om dem.

"En ting, vi er kommet for at lære, er, at du kan bygge det smarteste instrument, du ønsker, men en ting, der er uvurderlig, er at have så mange nætter på teleskopet, som du kan, " siger Blake. "Stjernerne selv gør alle mulige ting, der komplicerer denne måling, vi forsøger at foretage, og en måde at angribe på er at have så mange observationer tæt på tiden som muligt."

På grund af dets avancerede muligheder, NEID vil udmærke sig ved at finde planeter på størrelse med Jorden inden for en stjernes beboelige zone - ikke for tæt på stjernen til at være for varm, og ikke for langt fra solen til at være for kold – og vil være ekstremt god til at finde nye planeter, der kredser om meget mindre stjerner. Og med den nylige annoncering af den første jord-store planet fundet inden for en stjernes beboelige zone, og flere exoplanetfund sandsynligvis, når TESS fortsætter med at studere himlen, NEID vil spille en aktiv rolle i at følge op på sådanne fund i fremtiden.

Med alle de utallige muligheder, som NEID bringer til feltet, det vil helt sikkert holde Blake og andre astronomer beskæftiget på exoplanetjagten i de kommende år. "Jeg ser frem til at få store sæt data i produktionskvalitet, studere planetsystemer, der er interessante, og komme ned i ukrudtet om, hvad vi kan drille ud af dataene, for at se, hvor lavt vi kan gå i form af planetmasser, der ville være sporbare, " siger Blake. "Det er spændende at gå fra bygge- og hardwarefasen til at lave videnskab. Det bliver godt at se, hvad vi lærer."