Ett team av vetenskapsmän och ingenjörer ledda av Princeton-forskare rapporterade nyligen om den framgångsrika driften av ett nytt instrument för Subaru-teleskopet på Hawaii som gör det möjligt för astronomer att göra direkta observationer av planeter som kretsar kring närliggande stjärnor.

Instrumentet, dubbad CHARIS, designades och byggdes av ett team ledd av N. Jeremy Kasdin, professor i maskin- och rymdteknik. Det tillåter astronomer att isolera ljus som reflekteras från planeter större än Jupiter och sedan analysera ljuset för att bestämma detaljer om planeternas storlek, ålder och atmosfäriska beståndsdelar. Den senaste observationen är känd i det astronomiska samfundet som ett "första ljus, " ett första fälttest av instrumentet på teleskopet som visar att det fungerar framgångsrikt.

"Vi kunde inte ha varit mer nöjda med resultatet, ", sa Kasdin. "CHARIS överträffade alla våra förväntningar. Jag kan inte berömma vårt team nog för deras extremt hårda arbete och engagemang som gjorde CHARIS till en framgång. Den är på väg att vara tillgänglig för vetenskapliga observationer med start i februari 2017."

CHARIS, en akronym för Coronagraphic High Angular Resolution Imaging Spectrograph, är en del av en stor ansträngning inom astronomi för att hitta och analysera planeter som kretsar kring avlägsna stjärnor, kända som exoplaneter. Sedan den första upptäckten av en exoplanet 1995, forskare har upptäckt över 1, 000 sådana planeter, en stor majoritet kommer från NASA:s Kepler-rymdobservatorium. Nästan alla dessa upptäckter förlitade sig på att använda små förändringar i stjärnljus för att identifiera förekomsten av planeter; som ett resultat, dessa observationer kan inte berätta mycket för forskare om planeterna själva.

Nyare projekt har visat förmågan att fånga ljus som reflekteras från en planet och separera det från ljuset som lyser direkt från dess moderstjärna. Dessa ansträngningar gör det möjligt för forskare att undersöka ljuset och bestämma den kemiska sammansättningen av planetens atmosfär på samma sätt som kemister använder ljusets spektrum (våglängden eller ljusets färger) för att analysera materialsammansättningen i ett labb. CHARIS-projektet är en del av det arbetet. För närvarande, CHARIS är den enda spektrografen tillägnad exoplanetforskning på ett 8-meters teleskop på norra halvklotet.

"CHARIS är ett viktigt tillägg till den växande exoplanetavbildnings- och karakteriseringsförmågan hos Subaru Telescope, sa Olivier Guyon, ledare för det adaptiva optikprogrammet vid Subaru och en fakultetsmedlem vid University of Arizona. "Med CHARIS-spektra kan vi nu göra mycket mer än att bara upptäcka planeter:vi kan mäta deras temperaturer och atmosfärssammansättningar."

CHARIS-projektet är en del av ett långsiktigt samarbete mellan Princeton, University of Tokyo och National Astronomical Observatory of Japan, som driver Subaru-teleskopet vid Mauna Kea, Hawaii. CHARIS-instrumentet designades och byggdes i Princeton under ledning av Tyler Groff, en tidigare doktorand och biträdande forskare som arbetar med Kasdin, som nu arbetar för NASA:s Goddard Space Flight Center.

"Genom att analysera spektrumet av en planet, vi kan verkligen förstå mycket om planeten, ", sa Groff. "Du kan se specifika egenskaper som gör att du kan förstå massan, temperaturen, planetens ålder."

Spektrografen är förseglad i ett 500-pund fodral som mäter 30 tum gånger 30 tum gånger 12 tum och fungerar vid en temperatur på 50 grader Kelvin (-370 grader Fahrenheit). Monteringen innehåller nio speglar, fem filter, två prismaenheter och en mikrolinsarray – en speciell optisk anordning med en rad små linser etsade in i dess yta. Forskargruppen tog fem år att färdigställa CHARIS.

Spektrografen sitter bakom en enhet som kallas coronagraph, som kanaliserar ljus från teleskopet och använder interferensmönster för att dela upp ljuset som kommer direkt från en stjärna från ljuset som reflekteras från planeter som kretsar runt. Det är lite som att plocka fram ljuset som reflekteras från en fläck av glitter som svävar framför en strålkastare hundratals kilometer bort. Forskarna sa att den höga kontrasten i bilden är nyckeln till en framgångsrik observation. Subaru-teleskopet uppnår detta genom en kombination av CHARIS-instrumentet och adaptiv optik som kallas Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics. Nemanja Jovanovic, som är en del av Guyons team på Subaru, ledde ansträngningarna att integrera de två systemen.

CHARIS har ett relativt smalt synfält. Groff sa att den observerar cirka 2 bågsekunder av himlen. (Fullmånen sett från jorden är cirka 1, 800 bågsekunder.) Men den har förmågan att ta bilder över ett mycket brett band av ljusvåglängder, möjliggör detaljerad analys av allt inom sitt område.

"Vi testade CHARIS på Neptune, men hela planeten passar inte ens på vår detektor, sade Groff. Men, spektrografens synfält är så detaljerat att forskarna kunde göra intressanta observationer av moln som flyter över planetens yta.

CHARIS-projektet var ett stort team av forskare. Kasdin och Masahiko Hayashi, från National Astronomical Observatory of Japan, är huvudutredarna. Förutom Groff, andra teammedlemmar inkluderade:Michael Galvin, Michael Carr, Craig Loomis, Norman Jarosik, Johnny Greco, Robert Lupton, Edwin Turner, James Gunn och Gillian Knapp från Princeton; Mary Anne Limbach från Limbach Optics; Nemanja Johanovic, av Subaru-teleskopet; Timothy Brandt från Institutet för avancerade studier; och Jeffrey Chilcote vid University of Toronto.

Groff sa att det har funnits ett stort intresse för projektet i det astronomiska samfundet och de främsta utredarna granskar nu forskningsförslag.

"Det är mycket spänning, " sa han. "CHARIS kommer att öppna för vetenskap i februari för alla."