Vraag de meeste mensen wat ze nodig hebben om planeten in een baan om verre sterren te vinden, en zeer weinigen zullen een fles jodium noemen.

Toch speelt dat element een cruciale rol bij het zoeken naar planeten buiten het zonnestelsel (exoplaneten) in de vorm van apparaten die 'jodiumabsorptiecellen' worden genoemd:verzegelde glazen cilinders ter grootte van een soepblik met daarin een dun gas van jodiummoleculen.

De optische eigenschappen van het gas - nauwkeurig gemeten door het National Institute of Standards and Technology (NIST) - dienen als een onveranderlijke maatstaf om fluctuaties in het licht van verre sterren te detecteren die worden veroorzaakt door planeten in een baan om de aarde. Het analyseren van die fluctuaties was tot dusver verantwoordelijk voor de ontdekking van meer dan 500 exoplaneten.

Elke cel moet afzonderlijk zorgvuldig worden gekalibreerd. "Ik kom hier al 15 jaar, precies dat doen", zei de gevierde exoplaneetjager Paul Butler van de Carnegie Institution of Washington, schepper van de oorspronkelijke jodiumcel. Hij brengt zijn cellen om de paar jaar naar NIST voor kalibratie - meest recentelijk begin oktober, 2017 – om ze te laten controleren met NIST's Fourier-transform spectrometer (FTS), die spectrale details met een extreem hoge nauwkeurigheid meet.

Het instrument, die in een vacuümkamer zit zo groot als een bestelwagen, "is nog steeds 's werelds beste FTS, ' zei Butler.

De FTS wordt voor veel toepassingen gebruikt, inclusief ondersteuning voor een van de twee belangrijkste methoden voor het detecteren van exoplaneten. De eerste is om naar een ster te kijken en te zien of de lichtopbrengst periodiek dimt wanneer een planeet ervoor passeert. Dat soort afstemming is zeldzaam, en het beste te zien vanaf instrumenten in de ruimte, zoals de Kepler-telescoop.

NIST-kalibraties hebben invloed op de andere methode, die berust op het Doppler-effect. Dat is wat de toon van een ambulancesirene doet stijgen als het op je afkomt, en vallen als het weg beweegt. Hetzelfde effect dat optreedt bij geluidsgolven kan de elektromagnetische golven uitrekken of samendrukken die deel uitmaken van het lichtspectrum dat van een ster komt wanneer deze de aarde nadert of verwijdert.

Waarom zou een ster zo bewegen? De reden is dat het niet helemaal waar is om te zeggen dat een planeet om een ​​ster draait. In feite, beide draaien rond hun gemeenschappelijk zwaartepunt. (Zie animatie.) Hoe massiever de planeet, hoe groter de beweging van de ster. Wanneer de ster naar de aarde beweegt, het spectrum van de ster wordt verschoven naar kortere (blauwere) golflengten; als het weggaat, het spectrum wordt uitgerekt naar langere (rodere) golflengten. Door de hoeveelheid en frequentie van die Doppler-verschuivingen te meten, wetenschappers kunnen het bestaan ​​van een planeet op 100 of meer lichtjaren afstand bepalen en de massa ervan berekenen.

Maar de effecten zijn extreem klein. Bijvoorbeeld, De aantrekkingskracht van de aarde zorgt ervoor dat de zon - met een massa van 333, 000 keer groter, en volume 1,3 miljoen keer groter - om ongeveer 10 centimeter (4 inch) per seconde te verplaatsen. Astronomen kunnen zo'n klein effect niet meten, maar ze kunnen sterren meten die met slechts 1 meter (39 inch) per seconde bewegen. Indien, dat is, ze hebben iets om het tegen te meten.

"Doppler-spectroscopie is een zeer flexibele manier om planeten te detecteren, " zei NIST-natuurkundige Gillian Nave, die de FTS-operatie beheert. "Maar alles beweegt - de ster, de aarde, uw telescoop. Dus, wat je nodig hebt is een betrouwbare, vaste referentie. We moeten de Doppler-verschuiving van het licht van de ster kunnen meten tot enkele deeltjes op een miljard. Je hebt het over een enorme ster die beweegt met de snelheid van iemand die loopt."

Een manier om dat te doen is om variaties in het licht van de ster te vergelijken met een goed gedefinieerd referentiespectrum, geleverd door licht dat wordt uitgestraald door speciale lampen - vaak gekalibreerd bij NIST - en vervolgens door optische vezels naar het meetinstrument geleid.

De andere manier maakt gebruik van jodiumcellen. Wanneer geplaatst tussen een telescoop en een spectrograaf, de jodiummoleculen absorberen specifieke golflengten, ze aftrekken van het invallende licht van de ster. Dat absorptiespectrum - dat precies bekend is uit de kalibratie ―, verandert niet terwijl Dopplerverschuivingen in het licht van de ster in de loop van de tijd optreden. Eenmaal gekalibreerd, een cel kan tientallen jaren als referentie dienen op de telescoop.

Jodium is zeer geschikt voor deze taak omdat het slechts één van nature voorkomende isotoop heeft, geeft zeer scherpe lijnen, en absorbeert golflengten in het zichtbare bereik van groen tot oranje waar stellaire beweging gemakkelijk detecteerbaar is. "Het is gewoon dit ongelooflijke intense bos van duizenden lijnen, ' zei Butler.

Bij de FTS van NIST, het licht van de ster wordt vervangen door licht van een xenonlamp met hoge intensiteit, het produceren van een wit-licht spectrum zonder scherpe lijnen. Alle spectrale details zijn het resultaat van jodiumabsorptie, niet de achtergrondbron. Het bronlicht wordt gefilterd tot in het gebied van de jodiumlijnen, het verminderen van ruis in het eindresultaat. Het gaat dan door de cel naar de FTS, die de posities van de spectraallijnen tot op enkele miljarden kan registreren. Elke cel duurt ongeveer 30 minuten om te meten. Cellen die door NIST worden gekenmerkt, zijn naar telescopen op Hawaï gestuurd, Chili, en Australië, met een aantal van de nieuwe cellen die naar een telescoop in Zuid-Afrika gaan.

"Ik weet niet precies hoeveel planeten ik heb ontdekt, "Buller zei, "het zijn er enkele honderden." En hij zoekt nog steeds naar meer bij verschillende telescopen die zijn uitgerust met zijn jodiumabsorptiecellen.

"Maar, " hij zei, 'Deze dingen werken niet zonder de magie van Gillian.'