NASA-forskare säger att de har passerat en stor milstolpe i sin strävan att mogna mer kraftfulla verktyg för att direkt upptäcka och analysera atmosfären på jätteplaneter utanför solsystemet - ett av observationsmålen för NASA:s föreslagna Wide-Field Infrared Space Telescope, även känd som WFIRST.

I tester utförda vid högkontrastavbildningstestbädden vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, eller JPL, i Pasadena, Kalifornien – en av världens mest avancerade testbäddar i sitt slag – forskare skapade vad de kallar en region med mycket djup kontrast mellan en simulerad stjärna och dess planet. De visade också förmågan att detektera och analysera planetens svaga ljus över en relativt stor del av det synliga till nära-infraröda våglängdsbandet.

Ett instrument utvecklat av forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland – prototypbildspektrografen för koronagrafiska exoplanetstudier, eller FISKAR – spelade en viktig roll i demonstrationen, visar att den kunde separera ljus från en eller flera Jupiter-stora exoplaneter genom deras våglängd (färg) och registrera data vid varje position runt en stjärna.

För att uppskatta forskarnas milstolpe, det är viktigt att förstå själva utmaningen.

Ljuset från dessa planeter är mycket svagt – svagare än deras värdstjärnor med en faktor på 100 miljoner eller mer, och från vårt perspektiv på jorden, dessa planeter verkar ganska nära sina stjärnor. Med en konventionell bildkamera, planetens ljus går förlorat i stjärnans bländning. Dock, med en coronagraph – en anordning som dämpar bländningen och skapar en mörk zon runt en stjärna – kan det svaga ljuset från en exoplanet avslöjas.

Arbetar i samverkan med coronagraph, en integralfältspektrograf, eller IFS, som FISKAR, skulle kunna separera exoplanetens ljus genom dess våglängd och registrera data, avslöjar detaljer om planetens fysiska egenskaper, inklusive atmosfärens kemiska sammansättning och struktur.

Under testet, Goddard-JPL-teamet upprätthöll en mycket djup kontrast över 18 procent av koronagrafens våglängdsband – ett rekord som bådar gott för framtida uppdrag som WFIRST, som har baserat en koronagraf och ett instrument av IFS-typ på uppdraget. (För att sätta detta i perspektiv, det mänskliga ögat kan se hela det synliga spektrumet av färger, från blått till rött, vilket motsvarar 50 procents bandpass. I jämförelse, en laserpekare har en enda färg, vilket är mycket mindre än en procent.)

"Att uppnå en så djup kontrast över ett så brett band har aldrig gjorts tidigare och var ett av våra mål. Helst, vi skulle vilja observera hela planetens spektrum – med andra ord, se alla dess färger på en gång – men det är ännu inte möjligt med nuvarande koronagrafiska teknologier. Arton procent, som visat av PISCES, är det aktuella läget, " sa Goddard-forskaren och PISCES-instrumentforskaren Michael McElwain. I jämförelse, JPL:s laboratoriekoronagraf upprätthöll samma nivå av mörkkontrast över 10 procent av de optiska våglängdsbanden före driftsättningen av bordsskivan PISCES förra året.

"Vi är inte klara än och försöker fortfarande komma till högre kontraster, men 100 miljoner-till-en över 18 procent av det optiska våglängdsbandet är en viktig och betydelsefull milstolpe, sa Maxime Rizzo, en postdoktorand som arbetar med McElwain och hans team för att utveckla FISCES. "Med det ökade bandpasset, vi kan få många färger på en gång. Detta gör det möjligt för oss att identifiera fler molekyler i atmosfären och få en stor bild."

FISKAR, som McElwain utvecklat med finansiering från Goddards Internal Research and Development-program och det prestigefyllda Nancy Grace Roman Technology Fellowship, separerar ljus lite annorlunda än mer traditionella spektrografer.

Som en enhet av IFS-typ, PISCES tar en koronagrafisk bild och samplar den med en mikrolinsuppsättning som består av mer än 5, 800 små glassegment som inte är större än bredden på tre människohår. Mikrolinsen skapar en rad "fläckar" som sedan sprids av ett prisma och slutligen återbildas på en detektor. I praktiken, varje mikrolins, eller linslet, isolerar en liten del av den koronagrafiska bilden, skapar mikrospektra för ljuset som passerar genom varje liten lins. De multipla spektra kombineras sedan till en datakub som forskare analyserar.

IFS tillhandahåller all våglängdsinformation samtidigt över hela synfältet. Med mer traditionella bildobservationer, forskare måste cykla genom de olika våglängderna, vilket tar tid och kräver en mekanism för att byta filter – krav som inte är önskvärda med ett kretsande observatorium som bara har begränsad tid att spendera på ett mål. Det optiska systemet i sig förändras över tiden på grund av termiska och dynamiska variationer, ytterligare understryker behovet av samtidiga spektrala observationer.

"Det är därför som WFIRST-planerare grundade spektrografen av IFS-typ i första hand, " sa Rizzo. "I det här fallet, PISCES erbjöd information över hela 18 procent av bandpasset, istället för de traditionella 10 procenten som hade demonstrerats på JPL utan IFS. FISKAR visade att det kunde möjliggöra mer vetenskap."

Även om teamet visade den djupa kontrasten över en större del av det synliga till nära-infraröda bandpasset, och därvid, höjt teknikens beredskapsnivå, arbete återstår, sa Avi Mandell, WFIRST IFS-projektets forskare. "Framgången har öppnat upp för alla nya idéer för att dämpa stjärnljus som vi vill testa."