NEID-spectrometer versnelt de zoektocht naar exoplaneten

Naarmate NASA zijn zoektocht naar exoplaneten — planeten buiten ons zonnestelsel — uitbreidt, breidt het ook zijn toolbox uit. De afgelopen zomer leverde een nieuw instrument genaamd NEID (uitgesproken NOO-id) zijn eerste batch data over de dichtstbijzijnde en best bestudeerde ster, onze Zon.

De NEID-spectrometer, die zal helpen nieuwe werelden te lokaliseren en te karakteriseren, observeert de hemel vanaf Kitt Peak National Observatory in Arizona. Het begon zijn zoektocht naar exoplaneten in ernst in juni 2021. Echter, NEID zal bijna evenveel data van de Zon overdag verzamelen als het 's nachts van de sterren doet. Dat komt omdat de Zon astronomen hun meest gedetailleerde blik geeft op de soorten veranderingen die op de gaststerren van exoplaneten plaatsvinden, veranderingen die de detectie en bewoning van deze vreemde werelden kunnen beïnvloeden.

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

"Wat echt kritiek is voor deze planeten is hun massa's kennen," zei Michael McElwain, een instrumentwetenschapper voor het NEID-ontwikkelteam. "Als je de grootte en de massa kent, dat biedt twee fundamentele parameters voor deze exoplaneten."

Momenteel is de transittechniek de hoofdbasis waarop wetenschappers exoplaneten ontdekken en hun relatieve grootte meten. Wetenschappers kunnen een exoplanet detecteren door te jagen op periodieke veranderingen in het licht van nabijgelegen sterren, die optreden wanneer een omkreisende planeet het gezicht van de ster van ons standpunt kruist.

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

Samen kunnen deze grootte- en massametingen gebruikt worden om een planeet's bulkdichtheid te bepalen, wat wetenschappers inzicht geeft in de planeet's algehele samenstelling. Een bijzondere dichte planeet kan bijvoorbeeld een rotsachtige samenstelling hebben. Wetenschappers zullen die informatie gebruiken om te bepalen welke planeten het beste geschikt zijn voor additioneel onderzoek door NASA's James Webb-ruimtetelescoop.

De spectrometer opereert op de WIYN 3,5-meter telescoop op Kitt Peak, en behoort tot een nieuwe klasse van radiale snelheid instrumenten die een precisie kunnen bereiken van ongeveer drie keer beter dan ooit mogelijk was. De telescoop zal naar een ster wijzen, het licht ervan verzamelen en het door een optische vezel voeren die het in de spectrograaf brengt, die gehuisvest is in een speciaal gebouwde, thermisch geïsoleerde schone ruimte op de begane grond van het observatorium.

"Een spectrograaf, op zijn meest basale niveau, splitst licht in zijn diverse kleuren, of wat we golflengtes noemen," zei Sarah Logsdon, de instrumentwetenschapper voor NEID. "Dat is echt nuttig voor ons omdat individuele atomen en moleculen verschillende emissie of absorptie hebben op heel specifieke golflengtes. Met NEID kunnen we meten hoeveel deze absorptie- en emissielijnen verschuiven ten opzichte van hun rustpositie als een planeet aan zijn ster trekt. De grootte van die verschuiving stelt astronomen in staat om de massa van de planeet ten opzichte van de massa van zijn ster te bepalen."

Een potentieel uitdaging voor NEID's waarnemingen is dat de sterren zelf kunnen veranderen. Heet plasma bobelt op uit hun interieurs, koelt af, en valt terug, terwijl het hele oppervlak trilt met seismische oscillaties. Globale en lokale magnetische velden creëren donkere, koudere sterplekken en andere zichtbare kenmerken. Al deze activiteit maakt het moeilijk om te differentiëren tussen steractiviteit en de effecten van exoplaneten.

Echter, de Zon dient als een basislijn om steractiviteit beter te begrijpen. Naast het nemen van licht van de WIYN-telescoop, zal NEID ook licht ontvangen van een zonnelescoop gemonteerd op het dak van het observatorium. Over tijd zal deze zonnedata wetenschappers helpen vergelijkbare gebeurtenissen in hun waarnemingen van verderafgelegen sterren te identificeren. Na verwerking om astronomen die het kwestie van steractiviteit onderzoeken te helpen, worden alle data van de zonnelescoop publiek gemaakt.

"De Zon wijst de weg," zei Suvrath Mahadevan, een professor astronomie en astrofysica aan Penn State University en de principal investigator van NEID. "Decennialang was de iconische en nu gedecommisioneerde McMath Pierce-telescoop op Kitt Peak de premier faciliteit voor het bestuderen van de Zon. NEID is nu de brug die exoplanetwetenschap verbindt met zonnwaarnemingen, de Zon met de sterren, en een brug die Kitt Peak's geschiedenis verbindt met zijn heden en toekomst."

Het team kondigde NEID's eerste-lichtwaarnemingen in januari 2020 aan. NEID observeerde 51 Pegasi, de eerste zon-achtige ster die ontdekt werd om een exoplanet te hosten. NEID is nu beschikbaar voor gebruik door de wetenschappelijke gemeenschap via zijn gastwaarnemingsprogramma.