En ny astronomisk spektrograf byggd av ett team av forskare som leds av Penn State ger de högsta precisionsmätningarna hittills av infraröda signaler från närliggande stjärnor, gör det möjligt för astronomer att upptäcka planeter som kan ha flytande vatten på sina ytor som kretsar kring kalla stjärnor utanför vårt solsystem. Habitable Zone Planet Finder (HPF) tillåter exakt mätning av en stjärnas radiella hastighet, mätt av den subtila förändringen i färgen på stjärnans spektra när den dras av en planet i bana, som är kritisk information i upptäckten och bekräftelsen av nya planeter.

HPF, ligger vid McDonald Observatory vid University of Texas i Austin, riktar sig mot lågmassaplaneter runt svala närliggande M dvärgstjärnor i beboeliga zoner, regioner där flytande vatten kan finnas på en planets yta. M dvärgstjärnor är kända för att vara värd för steniga planeter, men dessa stjärnor är svaga på grund av sin storlek och deras magnetiska aktivitet visar sig som fläckar och bloss, som ställer till problem för befintliga instrument för synligt ljus. HPF, kopplat till 10-meters Hobby Eberly-teleskopet, använder istället nära-infrarött ljus – en typ av osynligt infrarött ljus närmast det synliga spektrumet i våglängd – för att observera dessa stjärnor vid våglängder där de är ljusare och mindre aktiva.

"HPF byggdes för att vara otroligt stabil, och vi lade till en kalibrator som kallas laserfrekvenskam för att öka precisionen, " sa Suvrath Mahadevan, docent i astronomi och astrofysik vid Penn State och huvudutredare för HPF-projektet. "Laserkammen, som specialbyggdes av National Institute of Standards and Technology (NIST), separerar individuella våglängder av ljus i separata linjer, som tänderna på en kam, och används som en linjal för att kalibrera den nära-infraröda energin från stjärnorna. Denna kombination av teknologier har gjort det möjligt för oss att demonstrera oöverträffad nära-infraröd radiell hastighetsprecision med observationer av Barnards stjärna, en av de närmaste stjärnorna till solen." Dessa resultat visas i numret av den 20 februari av tidskriften Optica .

"Vi är särskilt intresserade av att hitta jordliknande planeter som kretsar runt i den beboeliga zonen av de närmaste stjärnorna, sa Mike Endl, senior forskare vid McDonald Observatory. "Dessa planeter runt närliggande stjärnor representerar vår bästa chans att karakterisera och studera dem mer i detalj. Laserfrekvenskammen vid HPF gör det möjligt för oss att nå den höga precisionsnivå som krävs för att upptäcka dessa små planeter."

"Att upptäcka nära-infraröda våglängder innebär också enorma tekniska utmaningar, sade Mahadevan. Till exempel, instrumentet är så känsligt för infrarött ljus att värme som avges vid rumstemperatur förblindar detektorn, kräver drift vid mycket kalla temperaturer. HPF utformades för att övervinna dessa utmaningar, och erbjuder också en extremt hög nivå av kontroll över temperatur och tryck – väsentligt för att instrumentet ska fungera korrekt.

"The Habitable Zone Planet Finder var och är en unik möjlighet att driva bortom de kända lösningarna för att hitta planeter som potentiellt kan hysa liv, sa Fred Hearty, senior forskare för astronomi och astrofysik vid Penn State och systemingenjör på HPF. "Varje framsteg vi har gjort i utvecklingen av detta instrument har avslöjat djupare och mer subtila utmaningar."

Larry Ramsey, framstående forskare och professor i astronomi och astrofysik vid Penn State, och en av de ursprungliga uppfinnarna av Hobby Eberly Telescope-designen tillade "Forsknings- och utvecklingsresan för precisionsinstrument som Hobby-Eberly-teleskopet började på 1980-talet i Penn State. Under de kommande decennierna, detta ledde till konstruktionen av flera instrument som avsevärt har förbättrat vår förmåga att söka efter potentiellt beboeliga planeter – från Fiber Optic Echelle Instrument och det nära-infraröda Pathfinder-instrumentet som testades till den kraftfulla Habitable Zone Planet Finder, som har otrolig spektral stabilitet och hastighetskänslighet när den är kopplad till Hobby Eberly Telescope."

Mahadevan tillskrev framgången för HPF och dess laserkamkalibrator till det multidisciplinära och multi-institutionella HPF-teamet. "Vi skulle inte ha kunnat tänja på dessa astrofysiska gränser utan att tänja på tekniska och tekniska gränser här på marken, " han sa, "eller utan det hårda arbetet, engagemang och kreativitet hos doktorander, postdoktorer, forskningsassistent, fakultet, och branschpartners som har arbetat med HPF i nästan ett decennium. Dessa resultat kommer att bana väg för att bryta barriärer i det nära-infraröda, möjliggör upptäckt av jordbaserade planeter i beboeliga zoner."

Habitable Zone Planet Finder och dess frekvenskamkalibreringssystem byggdes med stöd från US National Science Foundations program för stora forskningsinstrument och avancerad teknik och instrumentering, Penn State, och National Institute of Standards and Technology. Löpande analys av data stöds av ett anslag från Heising-Simons Foundation.