De duisternis rond de Hale-telescoop breekt met een stukje blauwe lucht als de koepel begint te openen, krijsend met metaal, sci-fi-achtige geluiden bovenop de Palomar Mountain in San Diego County. De historische sterrenwacht ruikt naar de olie die wordt ingepompt om de lagers te ondersteunen die ervoor zorgen dat deze gigantische telescoop een klein beetje zweeft terwijl hij beweegt om de sterren te volgen.

Sinds februari 2018, wetenschappers hebben een instrument getest bij de Hale Telescope, het New Mexico Exoplanet Spectroscopic Survey Instrument genaamd, of NESSI. Een samenwerking tussen NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, en het New Mexico Institute of Mining and Technology, NESSI werd gebouwd om de atmosferen te onderzoeken van planeten die rond sterren voorbij onze zon draaien, of exoplaneten, nieuwe inzichten geven in hoe deze werelden eruit zien.

Tot dusver, NESSI heeft twee "hete Jupiters, " massieve gasreuzen die dicht bij hun sterren cirkelen en te verzengend zijn om leven in stand te houden. genaamd HD 189773b, heeft zulke extreme temperaturen en wind dat het daar zijdelings glas kan regenen. De andere, WASP-33b, heeft een "zonnebrand" atmosfeerlaag, met moleculen die ultraviolet en zichtbaar licht absorberen.

Onlangs, NESSI zag deze planeten hun gaststerren kruisen, bewijzen dat het instrument zou kunnen helpen bij het bevestigen van mogelijke planeten die eerder door andere telescopen zijn waargenomen. Nu is het klaar voor meer gedetailleerde studies van verre neven van ons zonnestelsel. En hoewel het instrument is ontworpen om naar planeten te kijken die veel groter zijn dan de aarde, De methoden van NESSI kunnen ook worden gebruikt om op een dag naar planeten ter grootte van de aarde te zoeken zodra toekomstige technologieën beschikbaar komen.

"NESSI is een krachtig hulpmiddel om ons te helpen de familie te ontmoeten, " zei Mark Swain, een astrofysicus en de JPL-lead voor NESSI. "Vijfentwintig jaar geleden, naar ons beste weten, we dachten dat we alleen waren. Nu weten we dat - althans in termen van planeten - we niet zijn, en dat deze familie uitgebreid en zeer divers is."

Waarom NESSI

NESSI bekijkt de melkweg in infrarood licht, die voor het menselijk oog onzichtbaar is. Het staart naar individuele sterren om het dimmen van het licht waar te nemen als een planeet voor zijn moederster passeert - een gebeurtenis die een transit wordt genoemd. Van de doorvoer, astronomen kunnen leren hoe groot de planeet is ten opzichte van zijn moederster. Wanneer de planeet direct achter de ster passeert en weer tevoorschijn komt, het heet een eclips. NESSI kan zoeken naar handtekeningen van moleculen uit de atmosfeer van de planeet die voor en na de zonsverduistering detecteerbaar zijn in sterrenlicht.

Binnen NESSI, apparaten die infrarood licht focussen, verspreiden het in een regenboog, of spectrum, filteren op bepaalde golflengten die betrekking hebben op de atmosferische chemie van verre planeten.

"We kunnen de delen van het spectrum uitkiezen waar de moleculen zijn, want dat is echt waar we naar zoeken in het infrarood van deze exoplaneten - moleculaire handtekeningen van dingen als koolstofdioxide en water en methaan om ons te vertellen dat er iets interessants aan de hand is op die specifieke planeet, " zei Michelle Creech-Eakman, hoofdonderzoeker voor NESSI bij New Mexico Tech.

NESSI is uitgerust om de ontdekkingen van andere observatoria op te volgen, zoals de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) van NASA. TESS scant de hele hemel in zichtbaar licht op planeten rond heldere, nabije sterren, maar de planeetkandidaten die het ontdekt, moeten via andere methoden worden bevestigd. Dat is om ervoor te zorgen dat deze signalen die TESS detecteert daadwerkelijk afkomstig zijn van planeetovergangen, geen andere bronnen.

NESSI kan ook helpen bij het overbruggen van de wetenschap tussen TESS en NASA's James Webb Space Telescope, gepland voor lancering in 2021. De grootste, meest complexe ruimteobservatorium ooit om te vliegen, Webb zal individuele planeten bestuderen om meer te weten te komen over hun atmosfeer en of ze moleculen bevatten die verband houden met bewoonbaarheid. Maar aangezien Webb's tijd kostbaar zal zijn, wetenschappers willen het alleen op de meest interessante en toegankelijke doelen richten. Bijvoorbeeld, als NESSI geen moleculaire handtekeningen rond een planeet ziet, dat impliceert dat wolken de atmosfeer blokkeren, waardoor het onwaarschijnlijk is dat het een goed doelwit is voor Webb.

"Dit helpt ons te zien of een planeet helder, bewolkt of wazig is, " zei Rob Zellem, een astrofysicus en de JPL inbedrijfstellingsleider op NESSI. "En als het duidelijk is, we zullen de moleculen zien. En als we dan de moleculen zien, ze zullen zeggen, "Hallo, het is een geweldig doelwit om naar te kijken met James Webb of Hubble of iets anders.'"

Een venster naar de Melkweg

NESSI begon als een concept in 2008 toen Swain de astrobiologieles van Creech-Eakman bij New Mexico Tech bezocht. bij de koffie, Swain vertelde zijn collega over waarnemingen van exoplaneten die hij had gedaan met een telescoop op de grond die niet goed uitpakten. Creech-Eakman realiseerde zich dat een ander instrument in combinatie met de juiste telescoop Swains doelen kon bereiken. Op een servet, de twee schetsten een idee voor wat NESSI zou worden.

Ze ontwierpen het instrument voor het Magdalena Ridge Observatorium in Magdalena, New Mexico. Maar toen de onderzoekers het in april 2014 begonnen te gebruiken, het instrument werkte niet zoals verwacht.

Swain suggested moving NESSI to Palomar's 200-inch Hale Telescope, which is much larger and more powerful—and also more accessible for the team. Owned and operated by Caltech, which manages JPL for NASA, Palomar has designated observing nights for researchers from JPL.

Relocating NESSI—a 5-foot-tall (1.5-meter-tall) blue, cylindrical device with wires coming out of it—wasn't just a matter of placing it on a truck and driving southwest. The electrical and optical systems needed to be reworked for its new host and then tested again. NESSI also needed a way to communicate with a different telescope, so University of Arizona doctoral student Kyle Pearson developed software to operate the instrument at Palomar. By early 2018, NESSI was ready to climb the mountain.

A crane lifted NESSI more than 100 feet (30 meters) to the top of the Hale Telescope on Feb. 1, 2018. Technicians installed the instrument in a "cage" at the Hale's prime focus, which enables all of the light from the 530-ton telescope to be funneled into NESSI's detectors.

The team celebrated NESSI's glimpse of its first star on Feb. 2, 2018, but between limited telescope time and fickle weather, more than a year of testing and troubleshooting would pass (never mind the time the decades-old lift got stuck as Zellem and Swain ascended to the telescope cage).

"We track down the problems and we fix them. That's the name of the game, " Creech-Eakman said.

As the team continued making adjustments in 2019, Swain tapped a local high school student to design a baffle—a cylindrical device to help direct more light to NESSI's sensors. This piece was then 3-D-printed in JPL's machine shop.

When NESSI finally detected transiting planets on Sept. 11, 2019, the team didn't pause to pop open champagne. Researchers are now working out the measurements of HD 189773b's atmosphere. The team has also compiled a list of exoplanets they want to go after next.

"It's really rewarding, Tenslotte, to see all of our hard work is paying off and that we're getting NESSI to work, " Zellem said. "It's been a long journey, and it's really gratifying to see this happen, especially in real time."