Die Jagd nach Planeten jenseits unseres Sonnensystems hat in den letzten Jahrzehnten zur Entdeckung von Tausenden von Kandidaten geführt. Die meisten davon waren Gasriesen, deren Größe von Super-Jupitern bis zu Planeten in Neptun-Größe reicht. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass einige von ihnen „erdähnlich“ sind, was bedeutet, dass sie felsig sind und sich in den jeweiligen bewohnbaren Zonen ihrer Sterne befinden.
Leider ist es schwierig zu bestimmen, wie die Bedingungen auf ihren Oberflächen aussehen könnten, da Astronomen diese Planeten nicht direkt untersuchen können. Glücklicherweise hat ein internationales Team unter der Leitung des UC Santa Barbara-Physikers Benjamin Mazin ein neues Instrument namens DARKNESS entwickelt. Mit dieser supraleitenden Kamera, der größten und modernsten der Welt, können Astronomen Planeten um nahegelegene Sterne erkennen.
Die Studie des Teams, in der das Instrument mit dem Titel „DARKNESS: Ein integraler Feldspektrograph für die kontrastreiche Astronomie eines kinetischen Mikrowelleninduktivitätsdetektors“ detailliert beschrieben wird, erschien kürzlich in der Veröffentlichungen der Astronomy Society of the Pacific. Das Team wurde von Benjamin Mazin, dem Worster-Lehrstuhl für Experimentalphysik an der UCSB, geleitet und umfasst auch Mitglieder des Jet Propulsion Laboratory der NASA, des California Institute of Technology, des Fermi National Accelerator Laboratory und mehrerer Universitäten.
Im Wesentlichen ist es für Wissenschaftler aufgrund der durch ihre Sterne verursachten Interferenz äußerst schwierig, Exoplaneten direkt zu untersuchen. Wie Mazin kürzlich in einer Pressemitteilung der UCSB erklärte: "Das Fotografieren eines Exoplaneten ist äußerst schwierig, da der Stern viel heller als der Planet ist und der Planet dem Stern sehr nahe ist." Daher sind Astronomen oft nicht in der Lage, das von der Atmosphäre eines Planeten reflektierte Licht zu analysieren, um seine Zusammensetzung zu bestimmen.
Diese Studien würden dazu beitragen, zusätzliche Einschränkungen zu setzen, ob ein Planet potenziell bewohnbar ist oder nicht. Gegenwärtig sind Wissenschaftler gezwungen zu bestimmen, ob ein Planet das Leben basierend auf seiner Größe, Masse und Entfernung von seinem Stern unterstützen kann. Darüber hinaus wurden Studien durchgeführt, in denen festgestellt wurde, ob Wasser auf der Oberfläche eines Planeten vorhanden ist oder nicht, basierend darauf, wie seine Atmosphäre Wasserstoff an den Weltraum verliert.
Das DARK-speckle Nahinfrarot-energieaufgelöste supraleitende Spektralphotometer (auch bekannt als DARKNESS), der erste 10.000-Pixel-Integralfeldspektrograph, versucht dies zu korrigieren. In Verbindung mit einem großen Teleskop und einer adaptiven Optik werden mikrowellenkinetische Induktivitätsdetektoren verwendet, um das von einem entfernten Stern kommende Licht schnell zu messen. Anschließend wird ein Signal an einen Gummispiegel zurückgesendet, der sich 2.000 Mal pro Sekunde in eine neue Form bringen kann.
Mit MKIDs können Astronomen die Energie und Ankunftszeit einzelner Photonen bestimmen. Dies ist wichtig, um einen Planeten von gestreutem oder gebrochenem Licht zu unterscheiden. Dieser Prozess eliminiert auch Leserauschen und Dunkelstrom - die Hauptfehlerquellen bei anderen Instrumenten - und beseitigt die atmosphärische Verzerrung durch Unterdrückung des Sternenlichts.
Mazin und seine Kollegen erforschen seit Jahren die MKID-Technologie im Mazin Lab, das Teil des UCSB Department of Physics ist. Wie Mazin erklärte:
„Diese Technologie senkt den Kontrastboden, sodass wir schwächere Planeten erkennen können. Wir hoffen, dass wir uns der Grenze des Photonenrauschens nähern können, wodurch wir Kontrastverhältnisse nahe 10 erhalten-8So können wir Planeten sehen, die 100 Millionen Mal schwächer sind als der Stern. Bei diesen Kontraststufen können wir einige Planeten im reflektierten Licht sehen, was eine völlig neue Domäne von Planeten eröffnet, die es zu erkunden gilt. Das wirklich Aufregende ist, dass dies ein technologischer Wegbereiter für die nächste Generation von Teleskopen ist. “
DARKNESS ist jetzt mit dem 200-Zoll-Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium in der Nähe von San Diego, Kalifornien, in Betrieb, wo es Teil des extrem adaptiven Optiksystems PALM-3000 und des Stellar Double Coronagraph ist. In den letzten anderthalb Jahren hat das Team vier Läufe mit der DARKNESS-Kamera durchgeführt, um das Kontrastverhältnis zu testen und sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert.
Im Mai wird das Team zurückkehren, um weitere Daten über nahegelegene Planeten zu sammeln und deren Fortschritt zu demonstrieren. Wenn alles gut geht, wird DARKNESS die erste von vielen Kameras sein, mit denen Planeten um nahegelegene Sterne vom Typ M (Roter Zwerg) abgebildet werden können, auf denen in den letzten Jahren viele felsige Planeten entdeckt wurden. Das bemerkenswerteste Beispiel ist Proxima b, das das nächstgelegene Sternensystem umkreist (Proxima Centauri, ungefähr 4,25 Lichtjahre entfernt).
"Wir hoffen, dass wir eines Tages ein Instrument für das 30-Meter-Teleskop bauen können, das für Mauna Kea auf der Insel Hawaii oder La Palma geplant ist", sagte Mazin. "Damit können wir Planeten in den bewohnbaren Zonen der nahe gelegenen Sterne mit geringer Masse fotografieren und nach Leben in ihrer Atmosphäre suchen. Das ist das langfristige Ziel und dies ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung. "
Neben der Untersuchung nahegelegener felsiger Planeten können Astronomen mit dieser Technologie auch Pulsare genauer untersuchen und die Rotverschiebung von Milliarden von Galaxien bestimmen, um genauer zu messen, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Dies ermöglicht wiederum detailliertere Studien darüber, wie sich unser Universum im Laufe der Zeit entwickelt hat und welche Rolle die Dunkle Energie spielt.
Diese und andere Technologien, wie das von der NASA vorgeschlagene Starshade-Raumschiff und Stanfords mDot-Okkulter, werden die Exoplanetenstudien in den kommenden Jahren revolutionieren. Gepaart mit Teleskopen der nächsten Generation - wie dem James Webb Weltraumteleskop und der Transit-Exoplaneten-Vermessungssatellit (TESS), das kürzlich eingeführt wurde - Astronomen werden nicht nur mehr in der Art und Weise entdecken können, wie Exoplaneten, sondern sie auch charakterisieren können wie nie zuvor.
