Jakten på planeter ud over vores solsystem har ført til opdagelsen af tusinder af kandidater i de sidste par årtier. De fleste af disse har været gasgiganter, der strækker sig i størrelse fra at være Super-Jupiters til Neptune-planeter i størrelse. Flere er imidlertid også blevet bestemt til at være ”jordlignende” i naturen, hvilket betyder, at de er stenede og kredsløb i deres stjerners respektive beboelseszoner.
Desværre er det vanskeligt at bestemme, hvordan forholdene kan være på deres overflader, da astronomer ikke er i stand til at studere disse planeter direkte. Heldigvis har et internationalt hold ledet af UC Santa Barbara-fysiker Benjamin Mazin udviklet et nyt instrument kendt som DARKNESS. Dette superledende kamera, som er verdens største og mest sofistikerede, giver astronomer mulighed for at registrere planeter omkring stjerner i nærheden.
Holdets undersøgelse, der beskriver deres instrument med titlen ”MØRKELSE: En mikrobølge-kinetisk induktansdetektor integreret feltspektrograf for højkontrast Astronomi”, dukkede for nylig op i Publikationer fra Astronomy Society of the Pacific. Holdet blev ledet af Benjamin Mazin, Worsterstolen i eksperimentel fysik ved UCSB, og inkluderer også medlemmer fra NASAs Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Fermi National Accelerator Laboratory og flere universiteter.
I det væsentlige er det ekstremt vanskeligt for forskere at studere eksoplaneter direkte på grund af interferensen forårsaget af deres stjerner. Som Mazin forklarede i en nylig UCSB-pressemeddelelse, "At tage et billede af en exoplanet er ekstremt udfordrende, fordi stjernen er meget lysere end planeten, og planeten er meget tæt på stjernen." Som sådan er astronomer ofte ikke i stand til at analysere det lys, der reflekteres fra en planetens atmosfære for at bestemme dens sammensætning.
Disse undersøgelser ville hjælpe med at placere yderligere begrænsninger for, hvorvidt en planet er potentielt beboelig eller ej. I øjeblikket er forskere tvunget til at bestemme, om en planet kan støtte liv baseret på dens størrelse, masse og afstand fra sin stjerne. Derudover er der foretaget undersøgelser, der har bestemt, om der findes vand på en planet overflade eller ej, baseret på hvordan dens atmosfære mister brint til rummet.
Det DARK-speckle nær-infrarøde energiopløste superledende spektrofotometer (alias DARKNESS), det første 10.000-pixel integrerede felt-spektrograf, søger at rette dette. I forbindelse med et stort teleskop og adaptiv optik bruger det mikrobølge kinetiske induktansdetektorer til hurtigt at måle lyset fra en fjern stjerne og sender derefter et signal tilbage til et gummispejl, der kan formes til en ny form 2.000 gange i sekundet.
MKID'er tillader astronomer at bestemme energien og ankomsttiden for individuelle fotoner, hvilket er vigtigt, når det kommer til at skelne en planet fra spredt eller brydet lys. Denne proces eliminerer også læsestøj og mørk strøm - de primære fejlkilder i andre instrumenter - og renser den atmosfæriske forvrængning ved at undertrykke stjernelyset.
Mazin og hans kolleger har i mange år undersøgt MKIDs teknologi gennem Mazin Lab, som er en del af UCSBs afdeling for fysik. Som Mazin forklarede:
”Denne teknologi vil sænke kontrastgulvet, så vi kan registrere svagere planeter. Vi håber at nærme os fotonstøjgrænsen, hvilket vil give os kontrastforhold tæt på 10-8, så vi kan se planeter 100 millioner gange svagere end stjernen. På disse kontrastniveauer kan vi se nogle planeter i reflekteret lys, som åbner et helt nyt domæne af planeter at udforske. Den virkelig spændende ting er, at dette er en teknologi-stifinder til den næste generation af teleskoper. ”
DARKNESS fungerer nu på det 200 tommer Hale-teleskop ved Palomar-observatoriet nær San Diego, Californien, hvor det er en del af PALM-3000 ekstreme adaptive optiksystem og Stellar Double Coronagraph. I løbet af det sidste halvandet år har holdet gennemført fire kørsler med DARKNESS-kameraet for at teste dets kontrastforhold og sikre sig, at det fungerer korrekt.
I maj vender teamet tilbage for at indsamle flere data om de nærliggende planeter og demonstrere deres fremskridt. Hvis alt går godt, vil DARKNESS blive den første af mange kameraer, der er designet til at afbilde planeter omkring nærliggende M-type (rød dværg) stjerner, hvor mange stenede planeter er blevet opdaget i de senere år. Det mest bemærkelsesværdige eksempel er Proxima b, der kredser om det nærmeste stjernesystem til vores eget (Proxima Centauri, ca. 4,25 lysår væk).
”Vores håb er, at vi en dag kan bygge et instrument til det tretti meter-teleskop, der er planlagt til Mauna Kea på øen Hawaii eller La Palma,” sagde Mazin. ”Med det vil vi være i stand til at tage billeder af planeter i beboelige zoner i nærliggende lavmassestjerner og se efter liv i deres atmosfærer. Det er det langsigtede mål, og dette er et vigtigt skridt i retning af det. ”
Ud over undersøgelsen af nærliggende stenede planeter vil denne teknologi også give astronomer mulighed for at studere pulsarer mere detaljeret og bestemme rødskiftet på milliarder af galakser, hvilket giver mulighed for mere nøjagtige målinger af, hvor hurtigt universet ekspanderer. Dette vil igen give mulighed for mere detaljerede undersøgelser af, hvordan vores univers har udviklet sig over tid og den rolle, som Dark Energy har spillet.
Disse og andre teknologier, såsom NASAs foreslåede Starshade-rumfartøj og Stanfords mDot-okkulter, vil revolutionere eksoplanetundersøgelser i de kommende år. Parret med næste generations teleskoper - som f.eks James Webb-rumteleskop og Transit Exoplanet Survey Satellite (TESS), der for nylig blev lanceret - astronomer vil ikke kun være i stand til at opdage mere på måde eksoplaneter, men vil være i stand til at karakterisere dem som aldrig før.
