NEID-spectrometer verlicht pad naar verkenning van exoplaneten

Terwijl NASA zijn zoektocht naar exoplaneten - planeten buiten ons zonnestelsel - uitbreidt, groeit ook zijn gereedschapskist. In de zomer leverde een nieuwe tool genaamd NEID (spreek uit als NOO-id) zijn eerste reeks gegevens af over de dichtstbijzijnde en best bestudeerde ster, onze zon.

De NEID-spectrometer, die zal helpen bij het lokaliseren en karakteriseren van nieuwe werelden, observeert de lucht vanaf Kitt Peak National Observatory in Arizona. Het begon zijn zoektocht naar exoplaneten serieus in juni 2021. De NEID zal echter overdag bijna net zoveel gegevens van de zon verzamelen als 's nachts van de sterren. Dat komt omdat de zon astronomen hun meest gedetailleerde kijk geeft op de soorten veranderingen die plaatsvinden op de gastheersterren van exoplaneten, veranderingen die van invloed kunnen zijn op de detectie en bewoonbaarheid van deze buitenaardse werelden.

Een team van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD ondersteunde het ontwerp, de ontwikkeling en de inbedrijfstelling van NEID. Het instrument meet de radiale snelheid:de verschuiving in de beweging van een ster veroorzaakt door de zwaartekracht van zijn planeten. Deze beweging verandert het licht van de ster enigszins. Radiale snelheden geven astronomen een meting van de massa van een planeet ten opzichte van zijn moederster.

"Wat echt van cruciaal belang is voor deze planeten, is hun massa kennen", zegt Michael McElwain, een instrumentwetenschapper voor het NEID-ontwikkelingsteam. "Als je de grootte en de massa kent, levert dat twee fundamentele parameters op voor deze exoplaneten."

Momenteel is de transittechniek de belangrijkste manier waarop wetenschappers exoplaneten ontdekken en hun relatieve afmetingen meten. Wetenschappers kunnen een exoplaneet detecteren door te jagen op periodieke veranderingen in het licht van nabije sterren, die optreden wanneer een ronddraaiende planeet het gezicht van de ster kruist vanuit ons gezichtspunt.

NASA's Kepler Space Telescope en Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) hebben al duizenden exoplaneten geïdentificeerd met behulp van de transittechniek. NEID zal voortbouwen op TESS-gegevens door de radiale snelheden van door TESS ontdekte planeten te meten.

Samen kunnen deze afmetingen en massametingen worden gebruikt om de bulkdichtheid van een planeet te bepalen, wat wetenschappers inzicht geeft in de algehele samenstelling van de planeet. Een bijzonder dichte planeet kan bijvoorbeeld een rotsachtige samenstelling hebben. Wetenschappers zullen die informatie gebruiken om te bepalen welke planeten het meest geschikt zijn voor aanvullend onderzoek door NASA's James Webb Space Telescope.

De spectrometer werkt op de WIYN 3,5-meter telescoop op Kitt Peak en behoort tot een nieuwe klasse van radiale snelheidsinstrumenten die een precisie kunnen bereiken die ongeveer drie keer beter is dan ooit tevoren. De telescoop zal naar een ster wijzen, zijn licht opvangen en het door een optische vezel voeren die het naar de spectrograaf voert, die is gehuisvest in een speciaal gebouwde, thermisch geïsoleerde cleanroom op de onderste verdieping van het observatorium.

"Een spectrograaf, op het meest basale niveau, splitst licht in zijn verschillende kleuren, of wat we golflengten noemen", zegt Sarah Logsdon, de instrumentwetenschapper voor NEID. "Dat is erg handig voor ons omdat individuele atomen en moleculen verschillende emissies of absorpties hebben bij zeer specifieke golflengten. Met NEID kunnen we meten hoeveel deze absorptie- en emissielijnen verschuiven ten opzichte van hun rustpositie als een planeet aan zijn ster trekt.” Door de grootte van die verschuiving kunnen astronomen de massa van de planeet bepalen ten opzichte van de massa van zijn ster.

Een mogelijke uitdaging voor de waarnemingen van de NEID is dat de sterren zelf kunnen veranderen. Heet plasma borrelt op uit hun binnenste, koelt af en valt terug, terwijl het hele oppervlak trilt van seismische trillingen. Globale en lokale magnetische velden creëren donkere, koelere sterrenvlekken en andere zichtbare kenmerken. Al deze activiteit maakt het moeilijk om onderscheid te maken tussen stellaire activiteit en de effecten van exoplaneten.

De zon dient echter als een basislijn om de activiteit van sterren beter te begrijpen. Naast het licht van de WIYN-telescoop, zal NEID ook licht ontvangen van een zonnetelescoop die op het dak van het observatorium is gemonteerd. Na verloop van tijd zullen deze zonnegegevens wetenschappers helpen soortgelijke gebeurtenissen te identificeren in hun waarnemingen van verder weg gelegen sterren. Nadat ze zijn verwerkt om astronomen te helpen bij het onderzoeken van de kwestie van stellaire activiteit, worden alle gegevens van de zonnetelescoop openbaar gemaakt.

"De zon wijst de weg", zegt Suvrath Mahadevan, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Penn State University en hoofdonderzoeker van NEID. “De iconische en nu ontmantelde McMath Pierce-telescoop op Kitt Peak was decennialang de belangrijkste faciliteit voor het bestuderen van de zon. NEID is nu de brug die de wetenschap van exoplaneten verbindt met zonnewaarnemingen, de zon met de sterren, en een brug die de geschiedenis van Kitt Peak verbindt met het heden en de toekomst.”

Het team kondigde in januari 2020 de eerste-lichtwaarnemingen van de NEID aan. NEID nam 51 Pegasi waar, de eerste zonachtige ster die een exoplaneet huisvestte. NEID is nu beschikbaar voor gebruik door de wetenschappelijke gemeenschap via het gastobservatieprogramma.