NESSI fremstår som et nyt værktøj til exoplanetatmosfærer

Mørket omkring Hale-teleskopet bryder med en flig af blå himmel, da kuplen begynder at åbne sig, skrigende med metallisk, Sci-fi-lignende lyde på toppen af ​​San Diego Countys Palomar Mountain. Det historiske observatorium lugter af olien, der pumpes ind for at understøtte lejerne, der får dette gigantiske teleskop til at svæve en smule, mens det bevæger sig for at spore stjernerne.

Siden februar 2018, Forskere har testet et instrument ved Hale-teleskopet kaldet New Mexico Exoplanet Spectroscopic Survey Instrument, eller NESSI. Et samarbejde mellem NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, og New Mexico Institute of Mining and Technology, NESSI blev bygget til at undersøge atmosfæren på planeter, der kredser om stjerner ud over vores sol, eller exoplaneter, giver ny indsigt i, hvordan disse verdener er.

Indtil nu, NESSI har tjekket to "varme Jupitere, "massive gasgiganter, der kredser tæt på deres stjerner og er for glohede til at opretholde liv. Én, kaldet HD 189773b, har så ekstreme temperaturer og vinde, at det kan regne glas sidelæns der. Den anden, WASP-33b, har et "solcreme" lag af atmosfære, med molekyler, der absorberer ultraviolet og synligt lys.

For nylig, NESSI observerede disse planeter krydse deres værtsstjerner, at bevise, at instrumentet ville være i stand til at bekræfte mulige planeter, der tidligere er observeret af andre teleskoper. Nu er det klar til mere detaljerede undersøgelser af fjerne fætre til vores solsystem. Og mens instrumentet er designet til at se på planeter, der er meget større end Jorden, NESSI's metoder kunne også bruges til at søge efter planeter på størrelse med Jorden en dag, når fremtidige teknologier bliver tilgængelige.

"NESSI er et stærkt værktøj til at hjælpe os med at møde familien, " sagde Mark Swain, en astrofysiker og JPL-lederen for NESSI. "Femogtyve år siden, efter vores bedste viden, vi troede, vi var alene. Nu ved vi, at - i det mindste med hensyn til planeter - vi ikke er, og at denne familie er omfattende og meget forskelligartet."

Hvorfor NESSI

NESSI ser galaksen i infrarødt lys, som er usynlig for det menneskelige øje. Den stirrer på individuelle stjerner for at observere lysdæmpningen, når en planet passerer foran sin værtsstjerne - en begivenhed, der kaldes en transit. Fra transit, astronomer kan lære, hvor stor planeten er i forhold til dens værtsstjerne. Når planeten passerer direkte bag stjernen og dukker op igen, det kaldes en formørkelse. NESSI kan lede efter signaturer af molekyler fra planetens atmosfære, der kan spores i stjernelys før og efter formørkelsen.

Inde i NESSI, enheder, der fokuserer infrarødt lys, spreder det til en regnbue, eller spektrum, filtrerer det for bestemte bølgelængder, der relaterer til den atmosfæriske kemi på fjerne planeter.

"Vi kan udvælge de dele af spektret, hvor molekylerne er, fordi det er virkelig det, vi leder efter i det infrarøde i disse exoplaneter – molekylære signaturer af ting som kuldioxid og vand og metan for at fortælle os, at der er noget interessant på vej på netop den planet, " sagde Michelle Creech-Eakman, hovedefterforsker for NESSI ved New Mexico Tech.

NESSI er udstyret til at følge op på opdagelser fra andre observatorier såsom NASAs Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). TESS scanner hele himlen i synligt lys for planeter omkring lyse, nærliggende stjerner, men de planetkandidater, den opdager, skal bekræftes gennem andre metoder. Det er for at sikre, at disse signaler TESS detekterer rent faktisk kommer fra planetpassager, ikke andre kilder.

NESSI kan også hjælpe med at bygge bro mellem TESS og NASAs James Webb Space Telescope, planlagt til lancering i 2021. Den største, det mest komplekse rumobservatorium, der nogensinde har fløjet, Webb vil studere individuelle planeter for at lære om deres atmosfærer, og om de indeholder molekyler forbundet med beboelighed. Men da Webbs tid vil være dyrebar, videnskabsmænd ønsker kun at pege på de mest interessante og tilgængelige mål. For eksempel, hvis NESSI ikke ser nogen molekylære signaturer omkring en planet, hvilket antyder, at skyer blokerer dens atmosfære, hvilket gør det usandsynligt, at det bliver et godt mål for Webb.

"Dette hjælper os med at se, om en planet er klar eller overskyet eller diset, " sagde Rob Zellem, en astrofysiker og JPL commissioning lead på NESSI. "Og hvis det er klart, vi vil se molekylerne. Og hvis vi så ser molekylerne, de vil sige, "Hej, det er et fantastisk mål at se på med James Webb eller Hubble eller noget andet."

Et vindue til galaksen

NESSI begyndte som et koncept i 2008, da Swain besøgte Creech-Eakmans astrobiologiklasse på New Mexico Tech. Over kaffen, Swain fortalte sin kollega om exoplanetobservationer, han havde lavet med et jordbaseret teleskop, som ikke viste sig godt. Creech-Eakman indså, at et andet instrument kombineret med det rigtige teleskop kunne nå Swains mål. På en serviet, de to skitserede en idé til, hvad der skulle blive NESSI.

De designede instrumentet til Magdalena Ridge Observatory i Magdalena, Ny mexico. Men da forskerne begyndte at bruge det i april 2014, instrumentet virkede ikke som forventet.

Swain foreslog at flytte NESSI til Palomars 200-tommer Hale-teleskop, som er meget større og mere kraftfuld – og også mere tilgængelig for teamet. Owned and operated by Caltech, which manages JPL for NASA, Palomar has designated observing nights for researchers from JPL.

Relocating NESSI—a 5-foot-tall (1.5-meter-tall) blue, cylindrical device with wires coming out of it—wasn't just a matter of placing it on a truck and driving southwest. The electrical and optical systems needed to be reworked for its new host and then tested again. NESSI also needed a way to communicate with a different telescope, so University of Arizona doctoral student Kyle Pearson developed software to operate the instrument at Palomar. By early 2018, NESSI was ready to climb the mountain.

A crane lifted NESSI more than 100 feet (30 meters) to the top of the Hale Telescope on Feb. 1, 2018. Technicians installed the instrument in a "cage" at the Hale's prime focus, which enables all of the light from the 530-ton telescope to be funneled into NESSI's detectors.

The team celebrated NESSI's glimpse of its first star on Feb. 2, 2018, but between limited telescope time and fickle weather, more than a year of testing and troubleshooting would pass (never mind the time the decades-old lift got stuck as Zellem and Swain ascended to the telescope cage).

"We track down the problems and we fix them. That's the name of the game, " Creech-Eakman said.

As the team continued making adjustments in 2019, Swain tapped a local high school student to design a baffle—a cylindrical device to help direct more light to NESSI's sensors. This piece was then 3-D-printed in JPL's machine shop.

When NESSI finally detected transiting planets on Sept. 11, 2019, the team didn't pause to pop open champagne. Researchers are now working out the measurements of HD 189773b's atmosphere. The team has also compiled a list of exoplanets they want to go after next.

"It's really rewarding, finally, to see all of our hard work is paying off and that we're getting NESSI to work, " Zellem said. "It's been a long journey, and it's really gratifying to see this happen, especially in real time."