Du kanske minns öppningsscenen av "Harry Potter och de vises sten" som utspelade sig på Liguster Drive. En skäggig man drog en mystisk enhet, kallas en deluminator, från hans mörka dräkt och en efter en flög lamporna från gatlyktorna in i den.

Under det senaste decenniet eller mer, Mugglare runt om i världen – inklusive jag – har varit upptagna med att designa och fullända en liknande enhet som kallas coronagraph. Det blockerar ljus från stjärnor så att forskare kan ta bilder av planeter som kretsar runt dem - exoplaneterna.

För mer än 500 år sedan postulerade den italienske munken Giordano Bruno att stjärnor på natthimlen var som vår sol med planeter som kretsar kring dem, varav några sannolikt hyste liv. Från och med 1990-talet, Med hjälp av markbaserade och satellitobservationer har astronomer samlat bevis på att det finns tusentals extrasolära planeter eller exoplaneter. Upptäckten av exoplaneter gav Nobelpriset i fysik 2019.

Nästa stora milstolpe inom exoplanetär forskning är att avbilda och karakterisera Jupiter-stora exoplaneter i synligt ljus eftersom det är mycket svårare att avbilda planeter i jordstorlek. Dock, avbildning av exo-Jupiters skulle visa att astronomer har alla nödvändiga verktyg för att avbilda och karakterisera planeter i jordstorlek i de beboeliga zonerna av närliggande stjärnor, där livet kan finnas. Rymduppdrag som kan avbilda exo-jordar i deras beboeliga zoner, såsom Habitable Exoplanet Observatory eller HabEx och Large UV/Optical/IR Surveyor eller LUVOIR, designas för närvarande av forskare och ingenjörer runt om i världen och är minst ett decennium borta från deras flygning.

Som förberedelse för dessa flaggskeppsuppdrag, det är avgörande att nyckelteknologier och mjukvaruverktyg utvecklas och valideras. En koronagraf är avgörande för alla dessa avbildningsinsatser.

Jag är professor i fysik och leder en forskargrupp som har designat många experiment som har flugit på NASA-uppdrag. Under det senaste decenniet eller så, vårt team har utvecklat teknologier som behövs för att direkt avbilda och karakterisera exoplaneter runt närliggande stjärnor och testa dem ombord på raketer och ballonger innan de kan väljas ut för flygning på stora rymduppdrag.

Avbilda exoplaneter i synligt ljus

Även om vi vet om existensen av över 4, 000 exoplaneter, de flesta upptäcktes med indirekta metoder som att dämpa ljuset från förälderstjärnan när en planet passerar framför och blockerar en del av dess ljus – precis som den senaste tidens transitering av Merkurius. Detta är tekniken som används av Kepler och Transiting Exoplanet Survey Satellite eller TESS-uppdrag. 2019 års Nobelpristagare använde en annan indirekt metod, som bygger på mätning av minut och periodisk rörelse av stjärnor orsakade av planeter som kretsar runt dem. Men ett fotografi av en exoplanet, med egenskaper som liknar de i vårt solsystem, har ännu inte tagits.

Att avbilda exoplaneter är svårt. Till exempel, till och med en enorm planet som Jupiter är en miljard gånger mörkare än solen. Och när den ses på långt håll, Jorden är 10 gånger svagare än Jupiter. Men svårigheten att avbilda exoplaneter beror inte på att de är svaga – stora teleskop inklusive rymdteleskopet Hubble har avbildat mycket svagare föremål.

Utmaningen med att avbilda exoplaneter har att göra med att ta en bild av ett mycket svagt föremål som är nära ett mycket ljusare. Eftersom stjärnorna och deras planeter är långt borta, när de fotograferas visas de som en ljus fläck på himlen, precis som strålkastarna på en bil ser ut som ett starkt ljus på avstånd. Så, utmaningen med att avbilda även den närmaste exoplaneten liknar en person i Kalifornien som tar en bild av en fluga 10 fot bort från det starka ljuset från en fyr i Massachusetts.

Min forskargrupp flög nyligen ett ballongexperiment på hög höjd som heter Planetary Imaging Concept Testbed Using a Recoverable Experiment—Coronagraph (PICTURE-C) som testade koronagrafens förmåga att arbeta i rymden för att avbilda exoplaneter och deras miljöer.

Nyckelkomponenter i PICTURE-C-instrumentet

PICTURE-C:s koronagraf skapar konstgjorda förmörkelser för att dämpa eller eliminera stjärnljus utan att dämpa planeterna som stjärnorna lyser upp. Den är designad för att fånga ett svagt asteroidbälte som objekt mycket nära den centrala stjärnan.

Medan en koronagraf är nödvändig för direkt avbildning av exoplaneter, våra 6, 000 pund-enheten inkluderar också deformerbara speglar för att korrigera formen på teleskopspeglarna som blir förvrängda på grund av förändringar i gravitationen, temperaturfluktuationer och andra tillverkningsfel.

Till sist, hela enheten måste hållas stadigt i rymden under relativt långa tidsperioder. En speciellt NASA-designad gondol som heter Wallops Arc Second Pointer (WASP) bar PICTURE-C och fick oss en bit på vägen. Ett internt bildstabiliseringssystem designat av mina kollegor gav den "stadiga handen" som var nödvändig.

Jungfruflyget av PICTURE-C

Efter många tester för att visa att alla system var redo för flygning lanserade vårt team PICTURE-C på morgonen den 29 september, 2019 från Ft. Sumner, New Mexico.

Efter den 20 timmar långa testflygningen bekräftade att alla system fungerade bra, BILD-C återvände till jorden med sin fallskärm för att landa mjukt. Experimentet har återvunnits och återförts till vårt laboratorium. PICTURE-C var inte tänkt att faktiskt upptäcka några exoplaneter på sin första testkörning. Men den kommer att flyga igen på en annan ballong när den kommer att fotografera flera stjärnor för att utforska om någon av dem har asteroidbälten. Dessa skulle vara lättare att se, och om vi har tur, den kommer att ta en bild av en planet i storleken Jupiter i september 2020.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.