In de jaren sinds astronomen de eerste exoplaneet ontdekten - een planeet die om een ​​ster buiten het zonnestelsel draait - meer dan 4, 000 zijn waargenomen. Gebruikelijk, hun aanwezigheid wordt verraden door de lichte effecten die ze hebben op hun moedersterren, die hen ruimschoots overtreffen. Anderhalf decennium lang wetenschappers hebben geprobeerd om exoplaneten rechtstreeks in beeld te brengen, maar de atmosfeer van de aarde vormt een grote belemmering wanneer ze proberen gebruik te maken van grote telescopen op de grond.

Nutsvoorzieningen, een team van Amerikaanse en Japanse wetenschappers en ingenieurs, waaronder onderzoekers van UC Santa Barbara, heeft een nieuwe camera voor het jagen op exoplaneten ontwikkeld. Ingezet bij de Subaru-telescoop op Maunakea, Hawaii, het apparaat is 's werelds grootste supergeleidende camera qua aantal pixels en zal de weg vrijmaken voor directe beeldvorming van planeten buiten het zonnestelsel in de nabije toekomst. Een instrumentdocument dat verscheen in Publications of the Astronomy Society of the Pacific kondigde het nieuwe apparaat aan aan de astronomische gemeenschap.

Gebouwd door onderzoekers in het laboratorium van professor Ben Mazin, de MKID Exoplanet Camera (MEC) gebruikt Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID's) om wetenschappers in staat te stellen exoplaneten en schijven rond heldere sterren rechtstreeks in beeld te brengen. De detector loopt met een snelheid van 90 millikelvin - net iets meer dan het absolute nulpunt - en is de eerste permanent ingezette supergeleidende camera die werkt in het optische en nabij-infraroodspectrum.

"Bij directe beeldvorming van exoplaneten, je probeert planeten in beeld te brengen die miljoenen keren zwakker zijn dan hun moedersterren, " zei Sarah Steiger, een promovendus in het Mazin-lab die aan de MKID-pijpleiding werkte. "Het is hetzelfde als proberen vanuit een vliegtuig een vuurvlieg te zien naast een volledig verlicht voetbalstadion.

"Bovendien, als je dit vanaf de grond doet, je moet door de turbulente atmosfeer van de aarde kijken, " ging ze verder. Deze turbulentie zorgt ervoor dat sterren aan de nachtelijke hemel fonkelen, en is een eeuwige hoofdpijn voor astronomen, beelden vervormen en sterrenlicht werpen op schemerige exoplaneten.

"Het is een constante strijd om te voorkomen dat strooilicht van de ster de planeet volledig overweldigt, ", zegt promovendus Neelay Fruitwala.

Moderne observatoria gebruiken adaptieve optica om deze vervormingen te corrigeren. De systemen vertrouwen op snelle feedbacklussen en complexe algoritmen om de spiegel van een telescoop duizenden keren per seconde te buigen op manieren die de effecten van de atmosfeer tegengaan, waardoor wetenschappers een beeld konden herstellen alsof de telescoop zich in de ruimte bevond.

"Deze zeer gecompliceerde adaptieve optische systemen laten ons planeten ontdekken zoals die in HR 8799, dat is een systeem met vier planeten die allemaal boven de massa van Jupiter draaien, " zei Mazin. Maar ze kunnen ook licht verstrooien, die vage exoplaneten verduistert. "We ontdekten dat alleen al het gebruik van adaptieve optica ons slechts een handvol planeten zou opleveren - namelijk die welke nog steeds gloeien met de hitte van hun formatie - die gewoon niet zo gebruikelijk zijn in onze stellaire buurt."

Een ander voordeel van MKID's ligt in hun vermogen om de energie te bepalen van elk foton dat de detector raakt. "Hierdoor kunnen we niet alleen de helderheid van een planeet bepalen, "Steiger zei, "maar ook om een ​​spectrum te krijgen (de helderheid als functie van energie), die aanvullende informatie over de eigenschappen van een exoplaneet kan onthullen, zoals zijn leeftijd, massa en potentieel atmosferische samenstelling."

Meer geavanceerde detectoren gebruiken een coronagraaf, die een deel van het licht van de gastster blokkeert, zodat wetenschappers het licht dat van de planeet zelf weerkaatst beter kunnen onderscheiden. Dit is belangrijk voor het in beeld brengen van nabijgelegen systemen, waarvan de meeste niet bijzonder jong zijn. Echter, het verkrijgen van de beste prestaties van een dergelijke opstelling vereist extreem goede adaptieve optica.

"Deze instrumenten raken op dit moment een soort muur, "Zei Mazin. "Ze kunnen het licht van de ster met ongeveer een factor een miljoen blokkeren, maar het probleem is dat de meeste planeten meer als een miljard keer zwakker zijn dan hun moederster."

Een voordeel van MKID's ten opzichte van traditionele camera's is dat ze erg snel zijn. Deze detectoren kunnen duizenden keren per seconde data uitlezen, wat zijn de snelheden die nodig zijn om een ​​adaptief optisch systeem bij te houden, Steiger uitgelegd. Hierdoor kan een MKID een afbeelding verder opschonen door te communiceren met het adaptieve optische systeem van het observatorium om een ​​deel van het verstrooide en verstrooide sterlicht te verwijderen. Dit verlegt de grenzen van hoe zwak een exoplaneet kan worden afgebeeld.

De MKID Exoplanet Camera moet het bereik van exoplaneten dat astronomen direct kunnen fotograferen uitbreiden naar die nabij de aarde. Dit zijn de belangrijkste omdat we ze gedetailleerder kunnen karakteriseren, zei co-auteur Olivier Guyon, de projectwetenschapper die verantwoordelijk is voor het Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO) -instrument.

Het uiteindelijke doel is om te zoeken naar bewijs van leven, en het MEC is een belangrijke stap in deze reis. "Dat gaan we met Subaru niet redden, of met een van de huidige telescopen, omdat ze net iets te klein zijn, " zei Guyon. "Maar we bereiden ons voor op de volgende grote stap, dat is om beeldcamera's van exoplaneten in te zetten op grotere telescopen zoals de Thirty Meter Telescope. Als die telescopen online komen, dezelfde technologieën, dezelfde camera, dezelfde trucs zullen ons in staat stellen om daadwerkelijk naar het leven te zoeken."

Dat gezegd hebbende, er is nog veel werk aan de winkel, meestal op de software en algoritmen van de MEC. Het team ontving een grote subsidie ​​van de Heising-Simons Foundation om dit probleem aan te pakken en de komende jaren snelle optische correctie verder te ontwikkelen. "We gooien elke truc in het boek op dit, "Mazin zei, "en we ontwikkelen ook nieuwe trucs."

De auteurs erkennen de belangrijke culturele rol en eerbied die de top van Maunakea heeft binnen de Hawaiiaanse gemeenschap en zeiden dat ze zich gelukkig voelen dat ze de mogelijkheid hebben om observaties vanaf deze berg uit te voeren.