Jakten på jordliknande planeter, och kanske utomjordiskt liv, blev precis mer exakt, tack vare rekordstora stjärnljusmätningar som möjliggjorts av ett National Institute of Standards and Technology (NIST) "astrokomb."

NIST:s skräddarsydda frekvenskam – som exakt mäter frekvenser, eller färger, av ljus – säkerställer precisionen av stjärnljusanalys med ett instrument som kallas en spektrograf vid Hobby-Eberly Telescope i Texas. Projektet är ett samarbete mellan NIST, University of Colorado Boulder (CU) och Pennsylvania State University, den primära partnern i teleskopet och spektrografen.

Den nya kamapparaten ger för första gången den precision som behövs för att upptäcka och karakterisera planeter som kretsar kring M dvärgstjärnor, som utgör 70 procent av stjärnorna i galaxen och det finns gott om nära jorden, forskargruppen rapporterade i Optica .

"Kammen tillät omedelbart våra Penn State-kollegor att göra mätningar som de annars inte kunde göra, "NIST-kollegan Scott Diddams sa. "Dessa förbättrade verktyg borde göra det möjligt för oss att hitta beboeliga planeter runt de mest allmänt förekommande stjärnorna i vår galax."

En stjärnas kärnugn avger vitt ljus, som modifieras av element i atmosfären som absorberar vissa smala färgband. För att söka efter planeter som kretsar kring avlägsna stjärnor, astronomer letar efter periodiska förändringar i detta karakteristiska "fingeravtryck, " det är, mycket små variationer i stjärnljusets synbara färger över tiden. Dessa svängningar i färg orsakas av att stjärnan dras fram och tillbaka av gravitationskraften från en osynlig kretsande planet. Denna uppenbara vinkling är subtil, och mätningar begränsas av de frekvensstandarder som används för att kalibrera spektrografer.

Hundratals exoplaneter har upptäckts med hjälp av analys av stjärnwobble, men en planet med en massa som liknar jordens och som kretsar på precis rätt avstånd från en stjärna – i den så kallade "Goldilocks-zonen" – är svår att upptäcka med konventionell teknik.

Data som samlats in av forskargruppen NIST-CU-Penn State visar att astrokammen kommer att göra det möjligt att upptäcka planeter med jordmassa som orsakar färgskiftningar motsvarande en stjärnsvängning på cirka 1 meter per sekund – den ungefärliga hastigheten för en person som går över en rum, och minst 10 gånger bättre än vad som tidigare uppnåtts i det infraröda området av det elektromagnetiska spektrumet. Infrarött ljus är den huvudsakliga typen som sänds ut av M dvärgstjärnor.

Under de senaste 20 åren har NIST-forskare i Boulder, Colorado, uppfann först och banade sedan väg för ytterligare framsteg inom optiska frekvenskammar. Kammen som levereras till Texas är unik genom att ha cirka 5, 000 vitt åtskilda "tänder, " eller specifika färgkalibreringspunkter. Den är skräddarsydd för läsförmågan hos Penn State's Habitable Zone Planet Finder-sprektrograf och spänner över det infraröda målet för våglängdsbandet på 800-1300 nm. Bara 60 gånger 152 kvadratcentimeter i storlek och tillverkad av relativt enkla kommersiella komponenter, kammen är också tillräckligt robust för att tåla kontinuerlig användning på en avlägsen plats.

Genom att ge skräddarsytt ljus till spektrografen, NIST-kammen fungerar som en mycket exakt linjal för att kalibrera och spåra exakta färger i en stjärnas fingeravtryck och upptäcka eventuella periodiska variationer. Kammen, tillverkad med ny elektrooptisk laserteknik, ger starka signaler vid exakt definierade målfrekvenser som kan spåras till internationella mätstandarder.

Projektet har pågått i flera år. Forskningsgruppen NIST-CU-Penn State gjorde en testkörning 2012 som visade löftet om det nya tillvägagångssättet. Den nya kammen levererades och såg "första ljuset, "som de säger inom astronomi, i februari 2018, och har körts varje natt sedan maj 2018. Den nya kammen har ett bredare ljusområde och är mer stabil än den tidigare demoversionen.

Medan idén om att använda frekvenskammar för att hjälpa till att hitta planeter har skapat stort intresse runt om i världen, den nya NIST-astrokammen är den första som är i drift vid nära-infraröda våglängder. Andra kammar som för närvarande arbetar på ett teleskop, som t.ex. High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher (HARPS) i Chile, är dedikerade till mätningar av synligt ljus.