Onlangs, astronomen maakten de ontdekking bekend dat een ster genaamd TRAPPIST-1 in een baan om zeven planeten ter grootte van de aarde draait. Drie van de planeten bevinden zich in de "bewoonbare zone, " het gebied rond een ster waar de meeste kans bestaat op vloeibaar water op het oppervlak van een rotsachtige planeet. Andere potentieel bewoonbare werelden zijn de afgelopen jaren ook ontdekt, waardoor veel mensen zich afvragen:hoe komen we erachter of deze planeten echt leven herbergen?

Bij Caltech, in het Exoplanet Technology Laboratory, of ET Lab, van universitair hoofddocent astronomie Dimitri Mawet, onderzoekers zijn druk bezig geweest met het ontwikkelen van een nieuwe strategie voor het scannen van exoplaneten op biosignaturen - tekenen van leven zoals zuurstofmoleculen en methaan. Deze chemicaliën - die van nature niet lang blijven hangen omdat ze zich binden met andere chemicaliën - zijn overvloedig aanwezig op aarde, grotendeels dankzij de levende wezens die ze verdrijven. Het vinden van beide chemicaliën rond een andere planeet zou een sterke indicator zijn voor de aanwezigheid van leven.

In twee nieuwe artikelen die in de Astrofysisch tijdschrift en de Astronomisch tijdschrift , Het team van Mawet demonstreert hoe deze nieuwe techniek, hoge dispersie coronagrafie genoemd, kan worden gebruikt om buitenaardse biosignaturen te zoeken met de geplande Thirty Meter Telescope (TMT), die, wanneer voltooid door de late jaren 2020, wordt de grootste optische telescoop ter wereld.

Met behulp van theoretische en laboratoriummodellen, de onderzoekers laten zien dat deze techniek biosignaturen kan detecteren op aardachtige planeten rond M-dwergsterren, die kleiner en koeler zijn dan onze zon en het meest voorkomende type ster in de melkweg. De strategie kan ook worden gebruikt op sterren zoals onze eigen zon, met toekomstige ruimtetelescopen zoals NASA's voorgestelde Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx) en Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR).

"We hebben aangetoond dat deze techniek in theorie en in het laboratorium werkt, dus onze volgende stap is om te laten zien dat het in de lucht werkt, " zegt Ji Wang, een van de hoofdauteurs van de twee nieuwe artikelen en een postdoctoraal onderzoeker in het Mawet-lab. Het team zal dit of volgend jaar de instrumentatie testen op het W.M. Keck Observatory in Hawaii.

De nieuwe techniek omvat drie hoofdcomponenten:een coronagraaf, een set optische vezels, en een spectrometer met hoge resolutie. Coronagrafen zijn apparaten die in telescopen worden gebruikt om sterlicht te blokkeren of te verwijderen, zodat planeten kunnen worden afgebeeld. Sterren overtreffen hun planeten met een paar duizend tot een paar miljard keer, waardoor de planeten moeilijk te zien zijn. Er zijn veel verschillende soorten coronagrafen in ontwikkeling; bijvoorbeeld, Mawet's groep heeft onlangs de eerste foto's geïnstalleerd en gemaakt met zijn nieuwe vortex-coronagraaf op het Keck-observatorium.

Zodra een afbeelding van een planeet is verkregen, de volgende stap is om de atmosfeer van de planeet te bestuderen met een spectrometer, een instrument dat het licht van de planeet breekt om "vingerafdrukken" van chemicaliën te onthullen, zoals zuurstof en methaan. De meeste coronagrafen werken in combinatie met spectrometers met een lage resolutie. De nieuwe techniek van Mawet omvat een spectrometer met hoge resolutie, wat meerdere voordelen heeft.

Een belangrijk voordeel is dat het helpt om het ongewenste sterrenlicht verder weg te filteren. Met spectrometers met hoge resolutie, de spectrale kenmerken van een planeet zijn gedetailleerder, waardoor het gemakkelijker wordt om het licht van de planeet te onderscheiden en te scheiden van het op de loer liggende sterrenlicht.

Wat dit betekent is dat, volgens de methode van Mawet, de coronagraaf hoeft niet zo goed te zijn in het filteren van sterrenlicht als nodig werd geacht om aardachtige werelden te karakteriseren.

"Deze nieuwe techniek vereist niet dat de coronagraaf zo hard werkt, en dat is belangrijk omdat we de huidige technologieën kunnen gebruiken die al beschikbaar zijn, " zegt Mawet, die ook onderzoekswetenschapper is bij het Jet Propulsion Laboratory (JPL), die wordt beheerd door Caltech voor NASA. "Met een spectrometer met hoge resolutie, we kunnen de gevoeligheid van ons systeem met een factor 100 tot 1 verbeteren 000 over de huidige grondgebaseerde methoden."

Een ander voordeel van het gebruik van spectrometers met hoge resolutie is de rijkdom aan gegevens. Naast het verstrekken van meer details over de moleculaire bestanddelen van de atmosfeer van een planeet, deze instrumenten zouden in staat moeten zijn om de rotatiesnelheid van een planeet te onthullen en ruwe kaarten van oppervlaktekenmerken en weerpatronen te verschaffen. "Het is een schot in de roos, maar misschien hebben we zelfs de mogelijkheid om continenten te zoeken op mogelijke aardachtige planeten, ' zegt Mawet.

In het ontwerp van het team is de coronagraaf is verbonden met de spectrometer met hoge resolutie met behulp van een set optische vezels. Verrassend genoeg, laboratoriumexperimenten toonden aan dat de vezels ook sterrenlicht filteren.

"Dit was volkomen toevallig, " zegt Garreth Ruane, co-auteur van de twee nieuwe artikelen en een postdoctoraal onderzoeker van de National Science Foundation in de groep van Mawet. "Het is de kers op de taart."

Volgende, de onderzoekers demonstreren hun techniek in het Keck Observatory. Hoewel de instrumentatie nog geen potentiële aardachtige planeten kan bestuderen - daarvoor is de grotere Thirty Meter Telescope nodig - zou het systeem nieuwe details moeten kunnen onthullen over de atmosferen van grotere gas-exoplaneten, inclusief exotische variëteiten die in niets lijken op die in ons eigen zonnestelsel.

"Deze nieuwe innovatie van het combineren van de coronagraaf met een spectrometer met hoge resolutie geeft ons een duidelijk pad om uiteindelijk naar leven buiten de aarde te zoeken."