I ricercatori della NASA affermano di aver superato un'importante pietra miliare nella loro ricerca per maturare strumenti più potenti per rilevare e analizzare direttamente le atmosfere di pianeti giganti al di fuori del sistema solare, uno degli obiettivi osservativi del telescopio spaziale a infrarossi a campo ampio proposto dalla NASA, noto anche come WFIRST.

Nei test condotti presso l'High-Contrast Imaging Testbed presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, o JPL, a Pasadena, I ricercatori della California, uno dei banchi di prova più avanzati al mondo nel suo genere, hanno creato quella che chiamano una regione di contrasto molto profondo tra una stella simulata e il suo pianeta. Hanno anche dimostrato la capacità di rilevare e analizzare la debole luce del pianeta su una porzione relativamente ampia della banda di lunghezze d'onda dal visibile al vicino infrarosso.

Uno strumento sviluppato dagli scienziati del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland:lo spettrografo di imaging prototipo per gli studi coronagrafici sugli esopianeti, o PESCI:hanno giocato un ruolo importante nella dimostrazione, mostrando che potrebbe separare la luce di uno o più esopianeti delle dimensioni di Giove in base alla loro lunghezza d'onda (colore) e registrare i dati in ogni posizione intorno a una stella.

Per apprezzare la pietra miliare dei ricercatori, è importante capire la sfida stessa.

La luce di questi pianeti è estremamente debole, più debole delle stelle che li ospitano di un fattore di 100 milioni o più, e dalla nostra prospettiva sulla Terra, questi pianeti appaiono abbastanza vicini alle loro stelle. Con una fotocamera convenzionale, la luce del pianeta si perde nel bagliore della stella. Però, con un coronografo, un dispositivo che sopprime il bagliore e crea una zona scura attorno a una stella, può essere rivelata la debole luce di un esopianeta.

Lavorando di concerto con il coronografo, uno spettrografo di campo integrale, o IFS, come PESCI, sarebbe in grado di separare la luce dell'esopianeta in base alla sua lunghezza d'onda e registrare i dati, rivelando dettagli sulle proprietà fisiche del pianeta, compresa la composizione chimica e la struttura della sua atmosfera.

Durante il test, il team Goddard-JPL ha mantenuto un contrasto molto profondo oltre il 18% della banda di lunghezze d'onda del coronografo, un record che fa ben sperare per missioni future come WFIRST, che ha basato un coronografo e uno strumento di tipo IFS sulla missione. (Per mettere questo in prospettiva, l'occhio umano può vedere l'intero spettro visibile dei colori, dal blu al rosso, che corrisponde a una banda passante del 50 percento. In confronto, un puntatore laser ha un solo colore, che è molto più piccolo dell'uno per cento.)

"Raggiungere un contrasto così profondo su una banda così ampia non è mai stato fatto prima ed era uno dei nostri obiettivi. Idealmente, vorremmo osservare l'intero spettro del pianeta, in altre parole, vedere tutti i suoi colori in una volta, ma non è ancora possibile con le attuali tecnologie coronagrafiche. il diciotto per cento, come dimostrato da PESCI, è lo stato attuale dell'arte, " ha detto lo scienziato Goddard e scienziato dello strumento PISCES Michael McElwain. In confronto, Il coronografo da laboratorio del JPL ha mantenuto lo stesso livello di contrasto scuro oltre il 10% delle bande di lunghezza d'onda ottica prima della messa in servizio del PISCES da tavolo lo scorso anno.

"Non abbiamo ancora finito e stiamo ancora cercando di arrivare a contrasti più alti, ma i 100 milioni a uno oltre il 18% della banda di lunghezze d'onda ottiche è una pietra miliare importante e significativa, " disse Massimo Rizzo, uno studente post-dottorato che sta lavorando con McElwain e il suo team per far avanzare PISCES. "Con l'aumento della banda passante, possiamo ottenere molti colori contemporaneamente. Questo ci consente di identificare più molecole nelle atmosfere e ottenere un quadro generale".

PESCI, che McElwain ha sviluppato con il finanziamento del programma di ricerca e sviluppo interno di Goddard e della prestigiosa borsa di studio della tecnologia romana Nancy Grace, separa la luce in modo leggermente diverso rispetto agli spettrografi più tradizionali.

Come dispositivo di tipo IFS, PISCES prende un'immagine coronagrafica e la campiona con una matrice di microlenti composta da più di 5, 800 minuscoli segmenti di vetro non più grandi della larghezza di tre capelli umani. La micro-lente crea una serie di "macchie" che viene poi dispersa da un prisma e infine riprodotta su un rilevatore. In pratica, ogni microlente, o lenticchia, isola una piccola porzione dell'immagine coronagrafica, creando micro-spettri per la luce che passa attraverso ogni minuscola lente. Gli spettri multipli vengono quindi combinati in un cubo di dati che gli scienziati analizzano.

L'IFS fornisce simultaneamente tutte le informazioni sulla lunghezza d'onda nell'intero campo visivo. Con osservazioni di immagini più tradizionali, gli scienziati devono scorrere le diverse lunghezze d'onda, che richiede tempo e richiede un meccanismo per cambiare i filtri, requisiti non desiderabili con un osservatorio orbitante che ha solo un tempo limitato da dedicare a un obiettivo. Il sistema ottico stesso cambia nel tempo a causa delle variazioni termiche e dinamiche, sottolineando ulteriormente la necessità di osservazioni spettrali simultanee.

"Ecco perché i pianificatori di WFIRST hanno basato in primo luogo lo spettrografo di tipo IFS, — disse Rizzo. — In questo caso, PISCES offriva informazioni su ben il 18% della banda passante, invece del tradizionale 10 percento che era stato dimostrato al JPL senza un IFS. PISCES ha dimostrato che potrebbe consentire più scienza".

Anche se il team ha dimostrato il profondo contrasto su una porzione maggiore del passa-banda dal visibile al vicino infrarosso, e così facendo, ha aumentato il livello di prontezza della tecnologia, resta il lavoro, disse Avi Mandell, lo scienziato del progetto WFIRST IFS. "Il successo ha aperto nuove idee per la soppressione della luce stellare che vogliamo testare".