Охота на планеты за пределами нашей Солнечной системы привела к открытию тысяч кандидатов за последние несколько десятилетий. Большинство из них были газовыми гигантами размером от Супер-Юпитера до планет размером с Нептун. Однако некоторые из них также были определены как «земные» по своей природе, что означает, что они скалистые и находятся на орбите в соответствующих обитаемых зонах своих звезд.
К сожалению, определить, какие условия могут быть на их поверхности, сложно, поскольку астрономы не могут непосредственно изучать эти планеты. К счастью, международная команда во главе с физиком Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Бенджамином Мазиным разработала новый инструмент, известный как DARKNESS. Эта сверхпроводящая камера, которая является самой большой и самой сложной в мире, позволит астрономам обнаруживать планеты вокруг соседних звезд.
Исследование группы, в котором подробно описывается их инструмент под названием «ТЕМНО: Микроволновый кинетический детектор индуктивности, Полевой спектрограф для высококонтрастной астрономии», недавно появилось в Публикации Астрономического общества Тихого океана. Команду возглавлял Бенджамин Мазин, заведующий кафедрой экспериментальной физики в Уорсбере, а также члены Лаборатории реактивного движения НАСА, Калифорнийского технологического института, Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми и нескольких университетов.
По сути, ученым чрезвычайно трудно изучать экзопланеты напрямую из-за помех, вызываемых их звездами. Как объяснял Мазин в недавнем пресс-релизе UCSB: «Сфотографировать экзопланету чрезвычайно сложно, потому что звезда намного ярче планеты, а планета находится очень близко к ней». Таким образом, астрономы часто не могут анализировать свет, отражаемый от атмосферы планеты, чтобы определить ее состав.
Эти исследования помогут наложить дополнительные ограничения на то, является ли планета потенциально пригодной для обитания. В настоящее время ученые вынуждены определять, может ли планета поддерживать жизнь, основываясь на ее размере, массе и расстоянии от звезды. Кроме того, были проведены исследования, которые определили, существует ли вода на поверхности планеты, основываясь на том, как ее атмосфера теряет водород в космосе.
Спарк-спектрометр с ближним инфракрасным излучением и разрешением энергии (DARKNESS), первый спектрограф с интегральным полем в 10 000 пикселей, пытается это исправить. В сочетании с большим телескопом и адаптивной оптикой он использует микроволновые детекторы кинетической индуктивности для быстрого измерения света, исходящего от далекой звезды, а затем отправляет сигнал обратно в резиновое зеркало, которое может принимать новую форму 2000 раз в секунду.
MKID позволяют астрономам определять энергию и время прибытия отдельных фотонов, что важно, когда речь идет о различении планеты от рассеянного или преломленного света. Этот процесс также устраняет шум считывания и темновой ток - основные источники ошибок в других приборах - и устраняет атмосферные искажения, подавляя свет звезд.
Мазин и его коллеги в течение многих лет изучали технологию MKID через лабораторию Мазин, которая является частью физического факультета UCSB. Как объяснил Мазин:
«Эта технология понизит контрастный пол, чтобы мы могли обнаружить более слабые планеты. Мы надеемся приблизиться к пределу фотонных шумов, который даст нам коэффициенты контрастности, близкие к 10-8, что позволяет нам видеть планеты в 100 миллионов раз слабее звезды. На этих уровнях контрастности мы можем видеть некоторые планеты в отраженном свете, который открывает совершенно новую область планет для исследования. Поистине захватывающим является то, что это технологический следопыт для телескопов следующего поколения ».
В настоящее время DARKNESS работает на 200-дюймовом телескопе Хейла в обсерватории Паломар недалеко от Сан-Диего, штат Калифорния, где он является частью системы экстремальной адаптивной оптики PALM-3000 и звездного двойного коронографа. В течение последних полутора лет команда провела четыре съемки с камерой DARKNESS, чтобы проверить ее контрастность и убедиться, что она работает правильно.
В мае команда вернется, чтобы собрать больше данных о соседних планетах и продемонстрировать их прогресс. Если все пойдет хорошо, DARKNESS станет первой из многих камер, предназначенных для изображения планет вокруг близлежащих звезд M-типа (красный карлик), где в последние годы было обнаружено много каменистых планет. Наиболее ярким примером является Проксима b, которая вращается вокруг ближайшей к нам звездной системы (Проксима Центавра, на расстоянии около 4,25 световых лет).
«Мы надеемся, что однажды мы сможем построить инструмент для тридцатиметрового телескопа, запланированного для Мауна-Кеа на острове Гавайи или Ла-Пальма», - сказал Мазин. «Благодаря этому мы сможем сфотографировать планеты в обитаемых зонах близлежащих звезд с низкой массой и искать жизнь в их атмосфере. Это долгосрочная цель, и это важный шаг к этому ».
В дополнение к изучению близлежащих каменистых планет эта технология также позволит астрономам более подробно изучать пульсары и определять красное смещение миллиардов галактик, что позволяет более точно измерять скорость расширения Вселенной. Это, в свою очередь, позволит более детально изучить, как наша Вселенная развивалась с течением времени и какую роль играла Темная энергия.
Эти и другие технологии, такие как предложенный НАСА космический корабль Starshade и Стэнфордский оккультер mDot, произведут революцию в исследованиях экзопланет в ближайшие годы. В паре с телескопами следующего поколения - такими как Космический телескоп Джеймса Вебба и Транзитный спутник Exoplanet Survey (TESS), который недавно был запущен - астрономы не только смогут узнать больше об экзопланетах, но и смогут охарактеризовать их, как никогда раньше.
