Een nieuwe astronomische spectrograaf, gebouwd door een team van wetenschappers onder leiding van Penn State, levert de hoogste precisiemetingen tot nu toe van infraroodsignalen van nabije sterren. waardoor astronomen planeten kunnen detecteren die vloeibaar water op hun oppervlak kunnen hebben en die rond koele sterren buiten ons zonnestelsel draaien. De Habitable Zone Planet Finder (HPF) maakt nauwkeurige meting van de radiale snelheid van een ster mogelijk, gemeten aan de hand van de subtiele verandering in de kleur van de spectra van de ster terwijl deze wordt voortgetrokken door een in een baan om de aarde draaiende planeet, wat cruciale informatie is bij de ontdekking en bevestiging van nieuwe planeten.

de HPF, gevestigd bij McDonald Observatory aan de Universiteit van Texas in Austin, richt zich op planeten met een lage massa rond koele nabije M-dwergsterren in bewoonbare zones, gebieden waar vloeibaar water op het oppervlak van een planeet zou kunnen bestaan. Van M-dwergsterren is bekend dat ze rotsplaneten herbergen, maar deze sterren zijn zwak vanwege hun grootte en hun magnetische activiteit manifesteert zich als vlekken en fakkels, die problemen opleveren voor bestaande instrumenten voor zichtbaar licht. de HPF, gekoppeld aan de 10-meter Hobby Eberly Telescope, gebruikt in plaats daarvan nabij-infrarood licht - een soort onzichtbaar infrarood licht dat qua golflengte het dichtst bij het zichtbare spectrum ligt - om deze sterren te observeren op golflengten waar ze helderder en minder actief zijn.

"De HPF is gebouwd om ongelooflijk stabiel te zijn, en we hebben een kalibrator toegevoegd, een laserfrequentiekam genaamd, om de precisie te vergroten, " zei Suvrath Mahadevan, universitair hoofddocent astronomie en astrofysica aan Penn State en hoofdonderzoeker van het HPF-project. "De laserkam, die op maat werd gebouwd door het National Institute of Standards and Technology (NIST), scheidt individuele golflengten van licht in afzonderlijke lijnen, als de tanden van een kam, en wordt gebruikt als een liniaal om de nabij-infrarode energie van de sterren te kalibreren. Deze combinatie van technologieën heeft ons in staat gesteld om ongekende precisie van nabij-infrarood radiale snelheid te demonstreren met waarnemingen van Barnard's Star, een van de sterren die het dichtst bij de zon staan." Deze resultaten verschijnen in de uitgave van 20 februari van het tijdschrift optiek .

"We zijn vooral geïnteresseerd in het vinden van aardachtige planeten die in de bewoonbare zone van de dichtstbijzijnde sterren draaien, " zei Mike Endl, senior onderzoeker bij McDonald Observatory. "Deze planeten rond nabije sterren vormen onze beste kans om ze in meer detail te karakteriseren en te bestuderen. De laserfrequentiekam bij de HPF stelt ons in staat om het hoge niveau van precisie te bereiken dat nodig is om deze kleine planeten te detecteren."

"Het detecteren van nabij-infrarode golflengten brengt ook enorme technische uitdagingen met zich mee, " zei Mahadevan. Bijvoorbeeld, het instrument is zo gevoelig voor infrarood licht dat de warmte die wordt uitgestraald bij kamertemperatuur de detector verblindt, bewerkingen bij zeer lage temperaturen vereisen. De HPF is ontworpen om deze uitdagingen te overwinnen, en biedt ook een extreem hoog niveau van controle over temperatuur en druk, wat essentieel is voor een goede werking van het instrument.

"De Habitable Zone Planet Finder was en is een unieke kans om verder te gaan dan de bekende oplossingen voor het vinden van planeten die mogelijk leven zouden kunnen herbergen, " zei Fred Harty, senior wetenschapper van astronomie en astrofysica bij Penn State en de systeemingenieur van HPF. "Elke vooruitgang die we hebben geboekt bij de ontwikkeling van dit instrument heeft diepere en subtielere uitdagingen aan het licht gebracht."

Larry Ramsey, vooraanstaand geleerde en professor in astronomie en astrofysica aan Penn State, en een van de oorspronkelijke uitvinders van het Hobby Eberly Telescope-ontwerp voegde toe:"De onderzoeks- en ontwikkelingsreis voor precisie-instrumenten zoals de Hobby-Eberly-telescoop begon in de jaren tachtig in Penn State. In de komende decennia, dit leidde tot de constructie van verschillende instrumenten die ons vermogen om naar potentieel bewoonbare planeten te zoeken aanzienlijk hebben verbeterd - van het Fiber Optic Echelle Instrument en het nabij-infrarood Pathfinder-instrument-testbed tot de krachtige Habitable Zone Planet Finder, die ongelooflijke spectrale stabiliteit en de snelheidsgevoeligheid heeft wanneer gekoppeld aan de Hobby Eberly Telescope."

Mahadevan schreef het succes van HPF en zijn laserkamkalibrator toe aan het multidisciplinaire en multi-institutionele HPF-team. "We zouden deze astrofysische limieten niet hebben kunnen verleggen zonder de technische en technische limieten hier op de grond te verleggen, " hij zei, "of zonder het harde werk, inzet en creativiteit van afgestudeerde studenten, postdoctorale fellows, onderzoeksmedewerker, faculteit, en industriepartners die al bijna tien jaar aan HPF werken. Deze resultaten zullen de weg vrijmaken voor het doorbreken van barrières in het nabij-infrarood, waardoor de ontdekking van terrestrische massaplaneten in bewoonbare zones mogelijk is."

De Habitable Zone Planet Finder en het frequentiekamkalibratiesysteem zijn gebouwd met steun van de programma's Major Research Instrumentation en Advanced Technology &Instrumentation van de Amerikaanse National Science Foundation, Penn staat, en het National Institute of Standards and Technology. Voortdurende analyse van gegevens wordt ondersteund door een subsidie ​​van de Heising-Simons Foundation.