Under åren sedan astronomer upptäckte den första exoplaneten - en planet som kretsar runt en stjärna utanför solsystemet - mer än 4, 000 har observerats. Vanligtvis, deras närvaro försvinner av de små effekter de har på sina moderstjärnor, som i hög grad överglänser dem. I ett och ett halvt decennium, forskare har försökt avbilda exoplaneter direkt, men jordens atmosfär utgör ett stort hinder när de försöker utnyttja stora markbaserade teleskop.

Nu, ett team av amerikanska och japanska forskare och ingenjörer som inkluderar forskare vid UC Santa Barbara har utvecklat en ny exoplanetjaktkamera. Utplacerad vid Subaru-teleskopet på Maunakea, Hawaii, enheten är världens största supraledande kamera i antal pixlar och kommer att bana väg för direkt avbildning av planeter utanför solen inom en snar framtid. Ett instrumentpapper som visas i Publications of the Astronomy Society of the Pacific tillkännagav den nya enheten för det astronomiska samfundet.

Konstruerad av forskare i professor Ben Mazins labb, MKID Exoplanet Camera (MEC) använder mikrovågskinetiska induktansdetektorer (MKID) för att göra det möjligt för forskare att direkt avbilda exoplaneter och skivor runt ljusa stjärnor. Detektorn körs med snabba 90 millikelvin – bara en knapptryckning över absolut noll – och är den första permanent utplacerade supraledande kameran som fungerar i det optiska och nära infraröda spektrumet.

"Vid exoplanet direkt avbildning, du försöker avbilda planeter som är miljontals gånger svagare än sina moderstjärnor, sa Sarah Steiger, en doktorand i Mazin-labbet som arbetade på MKID-pipeline. "Det motsvarar att försöka se en eldfluga bredvid en fullt upplyst fotbollsarena från ett flygplan.

"Vad mer, om du gör detta från marken, du måste titta igenom jordens turbulenta atmosfär, " fortsatte hon. Denna turbulens är det som får stjärnor att blinka på natthimlen, och är en evig huvudvärk för astronomer, förvränga bilder och kasta stjärnljus på dunkla exoplaneter.

"Det är en ständig kamp för att förhindra att ströljus från stjärnan helt överväldigar planeten, " sa doktoranden Neelay Fruitwala.

Moderna observatorier använder adaptiv optik för att korrigera dessa förvrängningar. Systemen är beroende av snabba återkopplingsslingor och komplexa algoritmer för att böja ett teleskops spegel tusentals gånger per sekund på ett sätt som motverkar atmosfärens effekter, gör det möjligt för forskare att återställa en bild som om teleskopet befann sig i rymden.

"Dessa mycket komplicerade adaptiva optiksystem låter oss upptäcka planeter som de i HR 8799, som är ett system med fyra planeter alla ovanför Jupiters massa som kretsar i det, sa Mazin. Men de kan också sprida ljus, som skymmer svaga exoplaneter. "Vi fann att bara genom att använda adaptiv optik i sig självt skulle vi bara hitta en handfull planeter - nämligen de som fortfarande lyser med värmen från sin formation - som bara inte är så vanliga i vårt stjärnområde."

En annan fördel med MKIDs ligger i deras förmåga att bestämma energin för varje foton som träffar detektorn. "Detta tillåter oss inte bara att bestämma en planets ljusstyrka, Steiger sa, "men också för att få ett spektrum (ljusstyrkan som en funktion av energi), som kan avslöja ytterligare information om en exoplanets egenskaper, som dess ålder, massa och potentiellt atmosfärisk sammansättning."

Mer avancerade detektorer använder en koronagraf, som blockerar en del av ljuset från värdstjärnan så att forskare bättre kan urskilja ljuset som reflekteras från själva planeten. Detta är viktigt för avbildning av närliggande system, varav de flesta inte är särskilt unga. Dock, att få bästa prestanda från en sådan installation kräver extremt bra adaptiv optik.

"De här instrumenten träffar liksom en vägg just nu, " sa Mazin. "De kan blockera ljuset från stjärnan med ungefär en faktor på en miljon, men problemet är att de flesta planeter är mer som en miljard gånger svagare än sin moderstjärna."

En fördel med MKID jämfört med traditionella kameror är att de är väldigt snabba. Dessa detektorer kan läsa ut data tusentals gånger per sekund, vilka är hastigheterna som krävs för att hålla jämna steg med ett adaptivt optiksystem, Steiger förklarade. Detta tillåter en MKID att ytterligare rensa upp en bild genom att kommunicera med observatoriets adaptiva optiksystem för att ta bort en del av det spridda och diffrakterade stjärnljuset. Detta tänjer på gränserna för hur svag en exoplanet kan avbildas.

MKID Exoplanet Camera bör utöka utbudet av exoplaneter som astronomer kan avbilda direkt till dem som är nära jorden. Dessa är de viktigaste eftersom vi kan karakterisera dem mer i detalj, sa medförfattaren Olivier Guyon, projektforskaren med ansvar för instrumentet Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO).

Det slutliga målet är att söka efter bevis på liv, och MEC är ett viktigt steg i denna resa. "Vi kommer inte att kunna göra det med Subaru, eller med något av de nuvarande teleskopen, eftersom de bara är lite för små, " sa Guyon. "Men vi förbereder oss för nästa stora steg, som är att placera exoplanetavbildningskameror på större teleskop som Thirty Meter Telescope. När dessa teleskop kommer online, samma teknik, samma kamera, samma knep gör att vi faktiskt kan leta efter livet."

Som sagt, det finns fortfarande mycket arbete kvar att göra, mestadels på MEC:s mjukvara och algoritmer. Teamet fick ett stort anslag från Heising-Simons Foundation för att ta itu med detta problem och vidareutveckla snabb optisk korrigering under de närmaste åren. "Vi kastar alla knep i boken på det här, "Mazin sa, "och vi utvecklar också nya trick."

Författarna erkänner den betydelsefulla kulturella roll och vördnad som toppmötet i Maunakea har inom det hawaiianska samhället och sa att de känner sig lyckliga över att ha möjligheten att göra observationer från detta berg.