Een team van wetenschappers en ingenieurs onder leiding van Princeton-onderzoekers meldde onlangs de succesvolle werking van een nieuw instrument voor de Subaru-telescoop op Hawaï waarmee astronomen directe observaties kunnen maken van planeten die rond nabije sterren draaien.

Het instrument, genaamd CHARIS, is ontworpen en gebouwd door een team onder leiding van N. Jeremy Kasdin, een professor in de mechanische en ruimtevaarttechniek. Hiermee kunnen astronomen licht isoleren dat reflecteert van planeten die groter zijn dan Jupiter en vervolgens het licht analyseren om details over de grootte van de planeten te bepalen. leeftijd en atmosferische bestanddelen. De recente waarneming staat in de astronomische gemeenschap bekend als een "eerste licht, " een eerste veldtest van het instrument op de telescoop die aantoont dat het succesvol werkt.

"We hadden niet blijer kunnen zijn met de resultaten, "zei Kasdin. "CHARIS overtrof al onze verwachtingen. Ik kan ons team niet genoeg prijzen voor hun extreem harde werk en toewijding die CHARIS tot een succes hebben gemaakt. Het ligt op schema om vanaf februari 2017 beschikbaar te zijn voor wetenschappelijke waarnemingen."

CHARIS, een acroniem voor de Coronagraphic High Angular Resolution Imaging Spectrograph, maakt deel uit van een grote inspanning in de astronomie om planeten rond verre sterren te vinden en te analyseren, bekend als exoplaneten. Sinds de eerste ontdekking van een exoplaneet in 1995, onderzoekers hebben ontdekt meer dan 1, 000 van zulke planeten, een grote meerderheid afkomstig van NASA's Kepler-ruimteobservatorium. Bijna al die ontdekkingen waren gebaseerd op het gebruik van minieme veranderingen in het licht van de sterren om de aanwezigheid van planeten te identificeren; als resultaat, die waarnemingen kunnen wetenschappers niet veel vertellen over de planeten zelf.

Recentere projecten hebben aangetoond dat het in staat is om licht dat door een planeet wordt weerkaatst op te vangen en te scheiden van het licht dat rechtstreeks van de moederster schijnt. Die inspanningen stellen wetenschappers in staat om het licht te onderzoeken en de chemische samenstelling van de atmosfeer van de planeet te bepalen op dezelfde manier als scheikundigen het lichtspectrum (de golflengte of kleuren van licht) gebruiken om de samenstelling van materiaal in een laboratorium te analyseren. Het CHARIS-project maakt daar deel van uit. Momenteel, CHARIS is de enige spectrograaf die zich toelegt op exoplaneetonderzoek op een 8-meterklasse telescoop op het noordelijk halfrond.

"CHARIS is een belangrijke toevoeging aan de groeiende mogelijkheden voor beeldvorming en karakterisering van exoplaneten bij Subaru Telescope, " zei Olivier Guyon, de leider van het adaptieve optica-programma bij Subaru en een faculteitslid aan de Universiteit van Arizona. "Met CHARIS-spectra kunnen we nu veel meer doen dan alleen planeten detecteren:we kunnen hun temperaturen en atmosfeersamenstellingen meten."

Het CHARIS-project maakt deel uit van een langdurige samenwerking tussen Princeton, de Universiteit van Tokyo en de National Astronomical Observatory of Japan, die de Subaru-telescoop bedient op Mauna Kea, Hawaii. Het CHARIS-instrument werd ontworpen en gebouwd in Princeton onder leiding van Tyler Groff, een voormalig doctoraatsstudent en associate research-wetenschapper die samenwerkt met Kasdin, die nu werkt voor NASA's Goddard Space Flight Center.

"Door het spectrum van een planeet te analyseren, we kunnen echt veel over de planeet begrijpen, Groff zei. "Je kunt specifieke kenmerken zien waarmee je de massa kunt begrijpen, de temperatuur, de leeftijd van de planeet."

De spectrograaf is verzegeld in een behuizing van 500 pond van 30 inch bij 30 inch bij 12 inch en werkt bij een temperatuur van 50 graden Kelvin (-370 graden Fahrenheit). Het geheel omvat negen spiegels, vijf filters, twee prisma-assemblages en een microlens-array - een speciaal optisch apparaat met een reeks kleine lenzen die in het oppervlak zijn geëtst. Het onderzoeksteam heeft vijf jaar nodig gehad om CHARIS te voltooien.

De spectrograaf zit achter een apparaat dat een coronagraaf wordt genoemd, die het licht van de telescoop kanaliseert en interferentiepatronen gebruikt om het licht dat rechtstreeks van een ster komt te scheiden van het licht dat wordt gereflecteerd door planeten die in een baan rond de aarde draaien. Het lijkt een beetje op het uitkiezen van het licht dat wordt weerkaatst door een stipje klatergoud dat honderden kilometers verderop voor een schijnwerper zweeft. De onderzoekers zeiden dat het hoge contrast in het beeld de sleutel is tot een succesvolle observatie. De Subaru Telescope bereikt dit door een combinatie van het CHARIS-instrument en adaptieve optica, de Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics genaamd. Nemanja Jovanovic, die deel uitmaakt van Guyon's team bij Subaru, leidde de inspanningen om de twee systemen te integreren.

CHARIS heeft een relatief smal gezichtsveld. Groff zei dat het ongeveer 2 boogseconden van de lucht waarneemt. (De volle maan gezien vanaf de aarde is ongeveer 1, 800 boogseconden.) Maar het heeft de mogelijkheid om beelden te maken over een zeer brede band van golflengten van licht, waardoor een gedetailleerde analyse van alles op zijn gebied mogelijk is.

"We hebben CHARIS getest op Neptunus, maar de hele planeet past niet eens op onze detector, "Zei Groff. Echter, het gezichtsveld van de spectrograaf is zo gedetailleerd dat de onderzoekers interessante waarnemingen konden doen van wolken die over het oppervlak van de planeet drijven.

Het CHARIS-project was het werk van een groot team van onderzoekers. Kasdin en Masahiko Hayashi, van de National Astronomical Observatory van Japan, zijn de hoofdonderzoekers. Naast Grof, andere teamleden inbegrepen:Michael Galvin, Michael Carr, Craig Loomis, Norman Jarosik, Johnny Greco, Robert Lupton, Edwin Turner, James Gunn en Gillian Knapp van Princeton; Mary Anne Limbach van Limbach Optics; Nemanja Johanovic, van de Subaru-telescoop; Timothy Brandt van het Institute for Advanced Study; en Jeffrey Chilcote van de Universiteit van Toronto.

Groff zei dat er veel belangstelling is voor het project in de astronomische gemeenschap en dat de hoofdonderzoekers nu onderzoeksvoorstellen beoordelen.

"Er is veel opwinding, " zei hij. "CHARIS gaat in februari voor iedereen open voor wetenschap."