Zespół amerykańskich i japońskich naukowców i inżynierów, w tym badacze z UC Santa Barbara, opracował nową kamerę do polowania na planety pozasłoneczne. Urządzenie umieszczone na Teleskopie Subaru na Maunakea na Hawajach jest dziś najlepszą na świecie kamerą nadprzewodzącą pod względem liczby pikseli. To toruje drogę do bezpośredniego obrazowania planet pozasłonecznych w najbliższej przyszłości. Artykuł o tym niezwykłym instrumencie przyrządzie ukazał się właśnie w Publications of the Astronomy Society of the Pacific.
Od czasu odkrycia pierwszych egzoplanet przez Wolszczana zaobserwowano ich już ponad 4000. Zwykle ich obecność zdradza niewielki wpływ, jaki wywierają one na we gwiazdy macierzyste, które same znacznie przyćmiewają je swym blaskiem. Od ponad dekady naukowcy próbują bezpośrednio zobrazować egzoplanety, ale atmosfera ziemska stanowi tu dość poważną przeszkodę, jeśli do dyspozycji ma się tylko teleskopy naziemne.
Skonstruowana przez naukowców z laboratorium profesora Bena Mazina kamera MKID Exoplanet Camera (MEC) wykorzystuje mikrofalowe detektory kinetycznej indukcyjności (MKID), umożliwiając bezpośrednie obrazowanie egzoplanet i dysków obecnych wokół jasnych gwiazd. Detektor działa przy energii odpowiadającej 90 milikelwinów – zaledwie nieco powyżej zera absolutnego – i jest pierwszą zainstalowaną na stałe kamerą nadprzewodnikową, która pracuje w zakresie widma optycznego i bliskiej podczerwieni.
W bezpośrednim obrazowaniu egzoplanet próbujemy zobaczyć planety, które świecą milion razy słabiej od swoich gwiazd macierzystych – mówi Sarah Steiger, doktorantka z laboratorium Mazin, która pracowała nad przetwarzaniem danych przez MKID. To odpowiednik próby zobaczenia świetlika zawieszonego obok w pełni oświetlonego stadionu piłkarskiego z samolotu. Co więcej, gdy robimy to z powierzchni Ziemi, musimy dodatkowo patrzeć przez burzliwą atmosferę Ziemi – dodaje. To właśnie ruchy turbulentne powodują migotanie gwiazd na nocnym niebie i związane z tym problemy obserwacyjne astronomów, zniekształcając obrazy gwiazd i innych ciał niebieskich.
To nieustanna walka, by zapobiec całkowitemu przytłoczeniu danej planety przez rozproszone światło jej gwiazdy – podsumowuje inny autor pracy, doktorant Neelay Fruitwala.
Tylko bardzo skomplikowane układy optyki adaptacyjnej pozwalają nam odkrywać planety, takie jak te w HR 8799, który jest układem z czterema planetami o masach rzędu masy Jowisza. Ale potrafią one także rozpraszać światło, które przesłania słabe egzoplanety. Odkryto, że samo użycie optyki adaptywjnej pozwala znaleźć tylko kilka planet – tylko te, które wciąż emitują w Kosmos energię cieplną wynikającą z procesów ich formowania się. Te globy po prostu nie są zbyt powszechne w naszym gwiezdnym sąsiedztwie.
Kolejną zaletą kamery MKID jest zdolność do określania energii każdego fotonu, który uderza w jej detektor. To pozwala nie tylko określić jasność planety, ale także uzyskać jej widmo (jasność jako funkcję pasma energii), które jest w stanie ujawnić dodatkowe informacje o właściwościach egzoplanety, takich jak jej wiek, masa i skład atmosfery.
Bardziej zaawansowane detektory wykorzystują koronograf, który blokuje część światła gwiazdy macierzystej, dzięki czemu naukowcy mogą lepiej rozróżniać światło odbijające się od samej planety. Jest to ważne przy obrazowaniu pobliskich układów, z których większość nie jest szczególnie młoda. Jednak uzyskanie najlepszej wydajności przy takiej konfiguracji wymaga wyjątkowo dobrej optyki adaptywnej.
Jedną z zalet MKID w porównaniu z tradycyjnymi kamerami jest jej ogromna szybkość. Takie detektory mogą odczytywać dane tysiące razy na sekundę, co jest prędkością wymaganą do nadążania za adaptywnym układem optycznym. Pozwala to MKID na dalsze „oczyszczanie” obrazu poprzez komunikację z systemem optycznym danego obserwatorium, celem usunięcia części rozproszonego i ugiętego światła gwiazd. To przesuwa znowu dalej granice tego, jak słabo świecące planety pozasłoneczne można od teraz zobrazować.
Kamera MKID Exoplanet Camera powinna rozszerzyć zakres możliwych mas i jasności egzoplanet, które astronomowie mogą bezpośrednio zobrazować – w tym na te znajdujące się w pobliżu Ziemi. Są one najważniejsze, ponieważ możemy je scharakteryzować bardziej szczegółowo – mówi współautor projektu Olivier Guyon, naukowiec odpowiedzialny za instrument Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO).
Ostatecznym celem jest znalezienie dowodów na życie pozasłoneczne, a MEC jest ważnym krokiem w tej podróży. Nie będziemy w stanie tego zrobić za pomocą samego Teleskopu Subaru ani żadnego innego ze współczesnych teleskopów, ponieważ są po prostu za małe – dodaje Guyon. Ale przygotowujemy się do następnego dużego kroku, jakim jest rozmieszczenie kamer obrazujących egzoplanety na większych teleskopach, takich jak Teleskop Trzydziestometrowy. Kiedy te teleskopy pojawią się w sieciach obserwacyjnych, te same technologie, takie same kamery i ta sama metodologia pozwolą nam faktycznie poszukać tam życia.
Nadal też pozostaje wiele do zrobienia. To głównie prace nad oprogramowaniem i algorytmami MEC. Zespół otrzymał duży grant od Fundacji Heising-Simons na rozwiązanie tego problemu i dalsze rozwijanie szybkiej korekcji optycznej w ciągu następnych kilku lat.
Na zdjęciu: Teleskop Subaru na szczycie Maunakea na Hawajach.
Źródło: NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORY OF JAPAN (NAOJ)
Czytaj więcej:
- Oryginalna publikacja: The MKID Exoplanet Camera for Subaru SCExAO, Alexander B. Walter et al., 2020 Nov. 17, Publications of the Astronomical Society of the Pacific
- Cały artykuł
Źródło: UC Santa Barbara
Na zdjęciu: 20440 - pikselowa kamera CCD MKID. Źródło: UC Santa Barbara
