NASA-onderzoekers zeggen dat ze een belangrijke mijlpaal hebben bereikt in hun zoektocht naar krachtigere hulpmiddelen voor het direct detecteren en analyseren van de atmosferen van gigantische planeten buiten het zonnestelsel - een van de observatiedoelen van NASA's voorgestelde Wide-Field Infrared Space Telescope, ook wel WFIRST genoemd.

In tests uitgevoerd op het High-Contrast Imaging Testbed in het Jet Propulsion Laboratory van NASA, of JPL, in Pasadena, Californië - een van 's werelds meest geavanceerde testbanken in zijn soort - creëerden wat zij een gebied noemen met een zeer diep contrast tussen een gesimuleerde ster en zijn planeet. Ze toonden ook het vermogen aan om het zwakke licht van de planeet te detecteren en te analyseren over een relatief groot deel van de zichtbare tot nabij-infrarode golflengteband.

Een instrument ontwikkeld door wetenschappers van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland - de prototype-beeldvormingsspectrograaf voor coronagrafische exoplaneetstudies, of VIS – speelde een belangrijke rol in de demonstratie, waaruit blijkt dat het licht van een of meer exoplaneten ter grootte van Jupiter kan scheiden op basis van hun golflengte (kleur) en de gegevens op elke positie rond een ster kan vastleggen.

Om de mijlpaal van de onderzoekers te waarderen, het is belangrijk om de uitdaging zelf te begrijpen.

Het licht van deze planeten is buitengewoon zwak - een factor 100 miljoen of meer zwakker dan hun gastheersterren, en vanuit ons perspectief op aarde, deze planeten verschijnen vrij dicht bij hun sterren. Met een conventionele beeldcamera, het licht van de planeet gaat verloren in de schittering van de ster. Echter, met een coronagraaf - een apparaat dat de schittering onderdrukt en een donkere zone rond een ster creëert - kan het zwakke licht van een exoplaneet worden onthuld.

Samenwerken met de coronagraaf, een integrale veldspectrograaf, of IFS, zoals VISSEN, in staat zou zijn het licht van de exoplaneet te scheiden op basis van de golflengte en de gegevens te registreren, onthullende details over de fysieke eigenschappen van de planeet, inclusief de chemische samenstelling en structuur van de atmosfeer.

Tijdens de test, het Goddard-JPL-team handhaafde een zeer diep contrast over 18 procent van de golflengteband van de coronagraaf - een record dat veel goeds belooft voor toekomstige missies zoals WFIRST, die een coronagraaf en een IFS-type instrument op de missie heeft gezet. (Om dit in perspectief te plaatsen, het menselijk oog kan het volledige zichtbare spectrum van kleuren zien, van blauw naar rood, wat overeenkomt met een bandpass van 50 procent. In vergelijking, een laserpointer heeft één enkele kleur, wat veel kleiner is dan één procent.)

"Het bereiken van zo'n diep contrast over zo'n brede band is nog nooit eerder gedaan en was een van onze doelen. Idealiter zou we willen het hele spectrum van de planeet observeren - met andere woorden, zie al zijn kleuren tegelijk, maar dat is nog niet mogelijk met de huidige coronagrafische technologieën. achttien procent, zoals aangetoond door VISSEN, is de huidige stand van de techniek, " zei Goddard-wetenschapper en PISCES Instrument Scientist Michael McElwain. Ter vergelijking:JPL's laboratoriumcoronagraaf behield hetzelfde niveau van donkercontrast over 10 procent van de optische golflengtebanden vóór de ingebruikname van het tafelblad PISCES vorig jaar.

"We zijn nog niet klaar en proberen nog steeds hogere contrasten te krijgen, maar de 100 miljoen-op-één meer dan 18 procent van de optische golflengteband is een belangrijke en significante mijlpaal, " zei Maxime Rizzo, een postdoctorale student die met McElwain en zijn team samenwerkt om PISCES vooruit te helpen. "Met de verhoogde bandpass, we kunnen veel kleuren tegelijk krijgen. Dit stelt ons in staat om meer moleculen in de atmosfeer te identificeren en een groter beeld te krijgen."

VISSEN, die McElwain heeft ontwikkeld met financiering van Goddard's Internal Research and Development-programma en de prestigieuze Nancy Grace Roman Technology Fellowship, scheidt licht een beetje anders dan meer traditionele spectrografen.

Als een IFS-type apparaat, PISCES neemt een coronagrafisch beeld en bemonstert het met een microlens-array bestaande uit meer dan 5, 800 minuscule glassegmenten niet groter dan de breedte van drie mensenhaar. De microlens creëert een reeks "vlekken" die vervolgens worden verspreid door een prisma en uiteindelijk opnieuw worden afgebeeld op een detector. In praktijk, elke microlens, of lensje, isoleert een klein deel van het coronagrafische beeld, het creëren van microspectra voor het licht dat door elk klein lensje gaat. De meerdere spectra worden vervolgens gecombineerd tot een datakubus die wetenschappers analyseren.

De IFS levert alle golflengte-informatie gelijktijdig over het gehele gezichtsveld. Met meer traditionele beeldvormende waarnemingen, wetenschappers moeten door de verschillende golflengten fietsen, dat kost tijd en vereist een mechanisme om de filters te vervangen - vereisten die niet wenselijk zijn met een rond de aarde draaiend observatorium dat slechts beperkte tijd heeft om aan een doel te besteden. Het optische systeem zelf verandert in de loop van de tijd als gevolg van thermische en dynamische variaties, wat de noodzaak van gelijktijdige spectrale waarnemingen verder onderstreept.

"Dat is de reden waarom WFIRST-planners de IFS-type spectrograaf in de eerste plaats baseerden, ' zei Rizzo. 'In dit geval, PISCES bood informatie over een volledige 18 procent van de bandpass, in plaats van de traditionele 10 procent die bij JPL was gedemonstreerd zonder IFS. VISSEN toonde aan dat het meer wetenschap mogelijk zou maken."

Hoewel het team het diepe contrast over een groter deel van de zichtbare tot bijna-infrarode bandpass liet zien, en daarbij, verhoogde het gereedheidsniveau van de technologie, werk blijft, zei Avi Mandell, de WFIRST IFS-projectwetenschapper. "Het succes heeft geleid tot alle nieuwe ideeën voor het onderdrukken van sterrenlicht die we willen testen."