La caccia ai pianeti oltre il nostro Sistema solare ha portato alla scoperta di migliaia di candidati negli ultimi decenni. La maggior parte di questi sono giganti gassosi di dimensioni variabili da Super-Giove a pianeti di dimensioni Nettuno. Tuttavia, molti sono anche stati determinati a essere "simili alla Terra" in natura, nel senso che sono rocciosi e orbitano all'interno delle rispettive zone abitabili delle loro stelle.
Sfortunatamente, determinare quali potrebbero essere le condizioni sulla loro superficie è difficile, poiché gli astronomi non sono in grado di studiare direttamente questi pianeti. Fortunatamente, un team internazionale guidato dal fisico dell'UC Santa Barbara Benjamin Mazin ha sviluppato un nuovo strumento noto come DARKNESS. Questa videocamera superconduttiva, la più grande e sofisticata del mondo, consentirà agli astronomi di rilevare i pianeti attorno alle stelle vicine.
Lo studio del team che descrive in dettaglio il loro strumento, intitolato "DARKNESS: un rilevatore di induttanza cinetica a microonde, spettrografo di campo integrale per l'astronomia ad alto contrasto", è apparso recentemente nella Pubblicazioni della Società di astronomia del Pacifico. Il team era guidato da Benjamin Mazin, la Worster Chair in Experimental Physics presso UCSB, e comprendeva anche membri del Jet Propulsion Laboratory della NASA, del California Institute of Technology, del Fermi National Accelerator Laboratory e di diverse università.
In sostanza, è estremamente difficile per gli scienziati studiare direttamente gli esopianeti a causa dell'interferenza causata dalle loro stelle. Come ha spiegato Mazin in un recente comunicato stampa dell'UCSB, "Fotografare un esopianeta è estremamente impegnativo perché la stella è molto più luminosa del pianeta e il pianeta è molto vicino alla stella". Pertanto, gli astronomi spesso non sono in grado di analizzare la luce riflessa dall'atmosfera di un pianeta per determinarne la composizione.
Questi studi aiuterebbero a porre ulteriori vincoli sull'opportunità o meno di abitare un pianeta. Al momento, gli scienziati sono costretti a determinare se un pianeta potrebbe sostenere la vita in base alle sue dimensioni, massa e distanza dalla sua stella. Inoltre, sono stati condotti studi che hanno determinato l'esistenza o meno di acqua sulla superficie di un pianeta in base al modo in cui la sua atmosfera perde idrogeno nello spazio.
Lo spettrofotometro superconduttore risolto da energia vicino all'infrarosso DARK-macchiolina (alias DARKNESS), il primo spettrografo a campo integrale da 10.000 pixel, cerca di correggere questo. Insieme a un grande telescopio e un'ottica adattiva, utilizza i rivelatori di induttanza cinetica a microonde per misurare rapidamente la luce proveniente da una stella lontana, quindi invia un segnale a uno specchio di gomma che può formare una nuova forma 2.000 volte al secondo.
I MKID consentono agli astronomi di determinare l'energia e il tempo di arrivo dei singoli fotoni, il che è importante quando si tratta di distinguere un pianeta dalla luce diffusa o rifratta. Questo processo elimina anche il rumore di lettura e la corrente oscura - le principali fonti di errore in altri strumenti - e pulisce la distorsione atmosferica sopprimendo la luce delle stelle.
Mazin e i suoi colleghi hanno esplorato la tecnologia MKID per anni attraverso il Mazin Lab, che fa parte del Dipartimento di Fisica dell'UCSB. Come ha spiegato Mazin:
“Questa tecnologia abbasserà il piano di contrasto in modo da poter rilevare pianeti più deboli. Speriamo di avvicinarci al limite di rumore del fotone, che ci darà rapporti di contrasto vicini a 10-8, permettendoci di vedere i pianeti 100 milioni di volte più deboli della stella. A quei livelli di contrasto, possiamo vedere alcuni pianeti nella luce riflessa, che apre un intero nuovo dominio di pianeti da esplorare. La cosa davvero eccitante è che questo è un pathfinder tecnologico per la prossima generazione di telescopi. ”
DARKNESS è ora operativo sul telescopio Hale da 200 pollici presso l'Osservatorio Palomar vicino a San Diego, in California, dove fa parte del sistema di ottica adattiva estrema PALM-3000 e dello Stellar Double Coronagraph. Durante l'ultimo anno e mezzo, il team ha condotto quattro prove con la videocamera DARKNESS per testare il suo rapporto di contrasto e assicurarsi che funzioni correttamente.
A maggio, il team tornerà per raccogliere più dati sui pianeti vicini e dimostrare i loro progressi. Se tutto andrà bene, DARKNESS diventerà la prima di molte telecamere progettate per l'immagine dei pianeti attorno alle stelle di tipo M (nano rosso) vicine, dove negli ultimi anni sono stati scoperti molti pianeti rocciosi. L'esempio più notevole è Proxima b, che orbita attorno al nostro sistema stellare più vicino al nostro (Proxima Centauri, a circa 4,25 anni luce di distanza).
"La nostra speranza è che un giorno saremo in grado di costruire uno strumento per il telescopio da trenta metri progettato per Mauna Kea sull'isola delle Hawaii o La Palma", ha detto Mazin. "Con ciò, saremo in grado di scattare foto di pianeti nelle zone abitabili delle vicine stelle a bassa massa e cercare la vita nelle loro atmosfere. Questo è l'obiettivo a lungo termine e questo è un passo importante verso quello. "
Oltre allo studio dei pianeti rocciosi vicini, questa tecnologia consentirà anche agli astronomi di studiare le pulsar in modo più dettagliato e determinare lo spostamento verso il rosso di miliardi di galassie, consentendo misurazioni più accurate della velocità di espansione dell'Universo. Ciò, a sua volta, consentirà studi più dettagliati su come il nostro Universo si è evoluto nel tempo e sul ruolo svolto da Dark Energy.
Queste e altre tecnologie, come il veicolo spaziale Starshade proposto dalla NASA e l'occulto mDot di Stanford, rivoluzioneranno gli studi sugli esopianeti nei prossimi anni. Abbinato a telescopi di prossima generazione - come il James Webb Space Telescope e il Satellite in transito per l'esopianeta (TESS), lanciato di recente: gli astronomi non solo potranno scoprire di più nel modo in cui gli esopianeti, ma potranno caratterizzarli come mai prima d'ora.
