Konstnärens återgivning av det framtida trettio meter teleskopet. Upphovsman:Caltech/IPAC-TMT
Nyligen, astronomer meddelade upptäckten att en stjärna som heter TRAPPIST-1 kretsar kring sju planeter i jordstorlek. Tre av planeterna bor i "beboeliga zonen, "regionen runt en stjärna där flytande vatten sannolikt finns på ytan av en stenig planet. Andra potentiellt beboeliga världar har också upptäckts under de senaste åren, så många undrar:Hur får vi reda på om dessa planeter verkligen är värd för livet?
På Caltech, i Exoplanet Technology Laboratory, eller ET Lab, av docent i astronomi Dimitri Mawet, forskare har haft fullt upp med att utveckla en ny strategi för att skanna exoplaneter efter biosignaturer - livstecken som syremolekyler och metan. Dessa kemikalier - som inte naturligt fastnar länge för att de binder sig till andra kemikalier - finns i överflöd på jorden till stor del tack vare de levande varelser som driver ut dem. Att hitta båda dessa kemikalier runt en annan planet skulle vara en stark indikator på livets närvaro.
I två nya tidningar som ska publiceras i Astrofysisk tidskrift och den Astronomisk tidskrift , Mawets team demonstrerar hur denna nya teknik, kallas koronagrafi med hög dispersion, kan användas för att leta efter utomjordiska biosignaturer med det planerade Thirty Meter Telescope (TMT), som, när den var klar i slutet av 2020 -talet, kommer att bli världens största optiska teleskop.
Med hjälp av teoretiska modeller och laboratoriemodeller, forskarna visar att denna teknik kan upptäcka biosignaturer på jordliknande planeter runt M-dvärgstjärnor, som är mindre och svalare än vår sol och den vanligaste typen av stjärna i galaxen. Strategin kan också användas på stjärnor som vår egen sol, med framtida rymdteleskop som NASA:s föreslagna Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx) och Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR).
"Vi har visat att denna teknik fungerar i teorin och i labbet, så vårt nästa steg är att visa att det fungerar på himlen, "säger Ji Wang, en av huvudförfattarna till de två nya artiklarna och en postdoktor i Mawet lab. Teamet kommer att testa instrumenteringen på W. M. Keck -observatoriet på Hawaii i år eller nästa år.
Diagram visar hur ny teknik som utvecklats vid Caltech kommer att fungera i framtiden för att hjälpa astronomer att leta efter molekylära biosignaturer på exoplaneter. Coronagraphs blockerar en stjärnas ljus, gör det lättare att se planeter i omloppsbana. Högupplösta spektrometrar skulle hjälpa till att ytterligare isolera en planets ljus, och kan avslöja molekyler i planetens atmosfär. Upphovsman:Caltech/IPAC-TMT
Den nya tekniken innefattar tre huvudkomponenter:en koronagraf, en uppsättning optiska fibrer, och en högupplöst spektrometer. Coronagraphs är enheter som används i teleskop för att blockera eller ta bort stjärnljus så att planeter kan avbildas. Stjärnor överträffar sina planeter med några tusen till några miljarder gånger, gör planeterna svåra att se. Många olika typer av koronagrafer är under utveckling; till exempel, Mawets grupp installerade nyligen och tog inledande bilder med sin nya virvelkoronagraf på Keck -observatoriet.
När en bild av en planet har erhållits, nästa steg är att studera planetens atmosfär med hjälp av en spektrometer, ett instrument som bryter isär planetens ljus för att avslöja "fingeravtryck" av kemikalier, som syre och metan. De flesta koronagrafer fungerar tillsammans med lågupplösta spektrometrar. Mawets nya teknik innehåller en högupplöst spektrometer, som har flera fördelar.
En stor fördel är att hjälpa till att sålla bort det oönskade stjärnljuset. Med högupplösta spektrometrar, spektralfunktionerna på en planet är mer detaljerade, gör det lättare att skilja och skilja planetens ljus från det lurande stjärnljuset.
Vad detta betyder är att i Mawets metod, coronagrafen behöver inte vara så bra på att sikta ut stjärnljus som man trodde var nödvändigt för att karakterisera jordliknande världar.
"Denna nya teknik kräver inte att coronagrafen arbetar så hårt, och det är viktigt eftersom vi kan använda nuvarande teknik som redan är tillgänglig, "säger Mawet, som också är forskare vid Jet Propulsion Laboratory (JPL), som hanteras av Caltech för NASA. "Med en högupplöst spektrometer, vi kan förbättra känsligheten hos vårt system med en faktor 100 till 1, 000 över nuvarande markbaserade metoder. "
En laboratorieinställning av instrumentering utformad för att söka efter biosignaturer på exoplaneter med hjälp av det framtida trettio meter teleskopet. Den väg som ljuset tar genom enheterna är animerad. Utrustningen är ungefär lika stor som vad som skulle installeras i ett teleskop, men skulle ordnas annorlunda. Upphovsman:Caltech/IPAC-TMT
En annan fördel med att använda högupplösta spektrometrar ligger i datamängden. Förutom att ge mer detaljer om de molekylära beståndsdelarna i en planets atmosfär, dessa instrument bör kunna avslöja en planets rotationshastighet och ge grova kartor över ytfunktioner och vädermönster. "Det är ett långt skott, men vi kanske till och med har förmågan att leta efter kontinenter på kandidatjordliknande planeter, säger Mawet.
I teamets design, koronagrafen är ansluten till högupplösta spektrometern med hjälp av en uppsättning optiska fibrer. Förvånande, laboratorieexperiment visade att fibrerna också filtrerar bort stjärnljus.
"Detta var helt serendipitöst, "säger Garreth Ruane, medförfattare till de två nya artiklarna och en National Science Foundation postdoktor i Mawets grupp. "Det är grädde på moset."
Nästa, forskarna kommer att demonstrera sin teknik vid Keck -observatoriet. Även om instrumenteringen ännu inte kan studera potentiella jordliknande planeter-som kommer att kräva det större trettio meter teleskopet-bör systemet kunna avslöja nya detaljer om atmosfären hos större gasexoplaneter, inklusive exotiska sorter som inte liknar dem i vårt eget solsystem.
"Denna nya innovation att kombinera koronagrafen med en högupplöst spektrometer ger oss en tydlig väg för att i slutändan söka efter liv bortom jorden."
