Mörkret som omger Hale-teleskopet bryter av med en flis av blå himmel när kupolen börjar öppna sig, skrikande med metallic, Sci-fi-liknande ljud på toppen av San Diego Countys Palomar Mountain. Det historiska observatoriet doftar av oljan som pumpas in för att stödja lagren som får detta gigantiska teleskop att flyta lite när det rör sig för att spåra stjärnorna.

Sedan februari 2018, Forskare har testat ett instrument vid Hale-teleskopet som kallas New Mexico Exoplanet Spectroscopic Survey Instrument, eller NESSI. Ett samarbete mellan NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, och New Mexico Institute of Mining and Technology, NESSI byggdes för att undersöka atmosfären på planeter som kretsar runt stjärnor bortom vår sol, eller exoplaneter, ger nya insikter om hur dessa världar ser ut.

Än så länge, NESSI har kollat ​​in två "heta Jupiters, " massiva gasjättar som kretsar nära sina stjärnor och är för brännande för att upprätthålla liv. En, kallas HD 189773b, har så extrema temperaturer och vindar att det kan regna glas i sidled där. Den andra, WASP-33b, har ett "solskydd" lager av atmosfär, med molekyler som absorberar ultraviolett och synligt ljus.

Nyligen, NESSI observerade dessa planeter korsa sina värdstjärnor, att bevisa att instrumentet skulle kunna hjälpa till att bekräfta möjliga planeter som tidigare observerats av andra teleskop. Nu är det klart för mer detaljerade studier av avlägsna kusiner till vårt solsystem. Och medan instrumentet är designat för att titta på planeter som är mycket större än jorden, NESSI:s metoder skulle kunna användas för att söka efter planeter i jordstorlek också en dag när framtida teknologier blir tillgängliga.

"NESSI är ett kraftfullt verktyg för att hjälpa oss att träffa familjen, sa Mark Swain, en astrofysiker och JPL-ledaren för NESSI. "Tjugofem år sedan, såvitt vi vet, vi trodde att vi var ensamma. Nu vet vi att - åtminstone när det gäller planeter - är vi inte, och att denna familj är omfattande och mycket mångsidig."

Varför NESSI

NESSI ser galaxen i infrarött ljus, som är osynlig för det mänskliga ögat. Den stirrar på enskilda stjärnor för att observera dämpningen av ljus när en planet passerar framför sin värdstjärna - en händelse som kallas transit. Från transiten, astronomer kan lära sig hur stor planeten är i förhållande till sin värdstjärna. När planeten passerar direkt bakom stjärnan och dyker upp igen, det kallas förmörkelse. NESSI kan leta efter signaturer av molekyler från planetens atmosfär som kan detekteras i stjärnljus före och efter förmörkelsen.

Inuti NESSI, enheter som fokuserar infrarött ljus sprider det till en regnbåge, eller spektrum, filtrerar den för särskilda våglängder som relaterar till atmosfärskemin hos avlägsna planeter.

"Vi kan välja ut de delar av spektrumet där molekylerna finns, för det är verkligen vad vi letar efter i det infraröda i dessa exoplaneter – molekylära signaturer av saker som koldioxid och vatten och metan för att berätta för oss att det är något intressant på gång på just den planeten, sa Michelle Creech-Eakman, huvudutredare för NESSI vid New Mexico Tech.

NESSI är utrustad för att följa upp upptäckter från andra observatorier som NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). TESS skannar hela himlen i synligt ljus efter planeter runt ljusa, närliggande stjärnor, men planetkandidaterna den upptäcker måste bekräftas med andra metoder. Det är för att se till att dessa signaler som TESS upptäcker faktiskt kommer från planettransiter, inte andra källor.

NESSI kan också hjälpa till att överbrygga vetenskapen mellan TESS och NASA:s rymdteleskop James Webb, planerad att lanseras 2021. Den största, det mest komplexa rymdobservatoriet som någonsin flugit, Webb kommer att studera enskilda planeter för att lära sig om deras atmosfärer och om de innehåller molekyler associerade med beboelighet. Men eftersom Webbs tid kommer att vara dyrbar, forskare vill bara rikta det mot de mest intressanta och tillgängliga målen. Till exempel, om NESSI inte ser några molekylära signaturer runt en planet, som antyder att moln blockerar dess atmosfär, vilket gör det osannolikt att vara ett bra mål för Webb.

"Detta hjälper oss att se om en planet är klar eller molnig eller disig, sa Rob Zellem, en astrofysiker och JPLs idrifttagningsledare på NESSI. "Och om det är klart, vi får se molekylerna. Och om vi då ser molekylerna, de kommer att säga, "Hallå, det är ett bra mål att titta på med James Webb eller Hubble eller något annat."

Ett fönster till galaxen

NESSI började som ett koncept 2008 när Swain besökte Creech-Eakmans astrobiologiklass på New Mexico Tech. Över kaffe, Swain berättade för sin kollega om exoplanetobservationer som han hade gjort med ett markbaserat teleskop som inte blev bra. Creech-Eakman insåg att ett annat instrument i kombination med rätt teleskop kunde uppnå Swains mål. På en servett, de två skissade på en idé för vad som skulle bli NESSI.

De designade instrumentet för Magdalena Ridge Observatory i Magdalena, New Mexico. Men när forskarna började använda det i april 2014, instrumentet fungerade inte som förväntat.

Swain föreslog att NESSI skulle flyttas till Palomars 200-tums Hale-teleskop, som är mycket större och kraftfullare – och även mer tillgänglig för teamet. Owned and operated by Caltech, which manages JPL for NASA, Palomar has designated observing nights for researchers from JPL.

Relocating NESSI—a 5-foot-tall (1.5-meter-tall) blue, cylindrical device with wires coming out of it—wasn't just a matter of placing it on a truck and driving southwest. The electrical and optical systems needed to be reworked for its new host and then tested again. NESSI also needed a way to communicate with a different telescope, so University of Arizona doctoral student Kyle Pearson developed software to operate the instrument at Palomar. By early 2018, NESSI was ready to climb the mountain.

A crane lifted NESSI more than 100 feet (30 meters) to the top of the Hale Telescope on Feb. 1, 2018. Technicians installed the instrument in a "cage" at the Hale's prime focus, which enables all of the light from the 530-ton telescope to be funneled into NESSI's detectors.

The team celebrated NESSI's glimpse of its first star on Feb. 2, 2018, but between limited telescope time and fickle weather, more than a year of testing and troubleshooting would pass (never mind the time the decades-old lift got stuck as Zellem and Swain ascended to the telescope cage).

"We track down the problems and we fix them. That's the name of the game, " Creech-Eakman said.

As the team continued making adjustments in 2019, Swain tapped a local high school student to design a baffle—a cylindrical device to help direct more light to NESSI's sensors. This piece was then 3-D-printed in JPL's machine shop.

When NESSI finally detected transiting planets on Sept. 11, 2019, the team didn't pause to pop open champagne. Researchers are now working out the measurements of HD 189773b's atmosphere. The team has also compiled a list of exoplanets they want to go after next.

"It's really rewarding, till sist, to see all of our hard work is paying off and that we're getting NESSI to work, " Zellem said. "It's been a long journey, and it's really gratifying to see this happen, especially in real time."