Un team di astronomi guidato da ricercatori della Penn State ha sviluppato diffusori a forma di fascio, piccoli pezzi di vetro inciso che possono essere montati sui telescopi, che aumentano la qualità delle osservazioni fotometriche da terra. Il team di ricerca ha testato i diffusori sul telescopio ARC 3.5m all'Apache Point Observatory nel New Mexico (a sinistra), il telescopio Hale di 5 m presso l'Osservatorio di Palomar (al centro), e il telescopio da 0,6 m al Davey Lab Observatory a Penn State (a destra). Credito:Gudmundur Stefansson; al centro:Osservatorio Caltech/Palomar.
Una nuova, il collegamento a basso costo ai telescopi consente una precisione precedentemente irraggiungibile nelle osservazioni terrestri di esopianeti, pianeti oltre il nostro sistema solare. Con il nuovo allegato, i telescopi a terra possono produrre misurazioni dell'intensità della luce che rivaleggiano con le osservazioni fotometriche di più alta qualità dallo spazio. Astronomi di Penn State, in stretta collaborazione con i laboratori di nanofabbricazione di RPC Photonics a Rochester, New York, ha creato diffusori "beam-shaping" personalizzati, dispositivi micro-ottici accuratamente strutturati che diffondono la luce in entrata attraverso un'immagine, in grado di ridurre al minimo le distorsioni dall'atmosfera terrestre che possono ridurre la precisione delle osservazioni da terra. Un documento che descrive l'efficacia dei diffusori appare online il 5 ottobre, 2017, nel Giornale Astrofisico .
"Questa tecnologia poco costosa offre un'elevata precisione fotometrica nelle osservazioni degli esopianeti mentre transitano, si incrociano di fronte, alle stelle luminose su cui orbitano, " disse Gudmundur Stefansson, studente laureato alla Penn State, Fellow di Scienze della Terra e dello Spazio della NASA, e autore principale dell'articolo. "Questa tecnologia è particolarmente rilevante considerando l'imminente lancio del Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA all'inizio del 2018. Spetta alle strutture a terra seguire in modo rapido e affidabile i pianeti candidati identificati da TESS".
I diffusori sono piccoli pezzi di vetro che possono essere facilmente adattati per essere montati su una varietà di telescopi. A causa del loro basso costo e adattabilità, Stefansson ritiene che la fotometria assistita da diffusore consentirà agli astronomi di sfruttare al meglio le informazioni di TESS, confermando nuovi candidati pianeta da terra.
"I diffusori sagomati sono realizzati utilizzando un preciso processo di nanofabbricazione, " disse Suvrath Mahadevan, professore associato di astronomia e astrofisica alla Penn State e autore dell'articolo, "dove un modello di superficie accuratamente progettato è scritto con precisione su un polimero plastico su una superficie di vetro o direttamente inciso sul vetro stesso. Il modello è costituito da precise strutture in microscala, progettato per modellare l'ingresso di luce variabile dalle stelle in una forma di uscita predefinita ampia e stabile distribuita su molti pixel sulla fotocamera del telescopio".
A sinistra:la luce di un puntatore laser viene modellata in un'uscita ampia e stabile utilizzando un diffusore che modella il raggio. Un modello accuratamente progettato viene modellato con precisione in polimeri plastici o direttamente in un substrato di vetro, creando microstrutture sulla superficie del diffusore (inserto). A destra:il diffusore installato presso il telescopio ARC da 3,5 m presso l'Osservatorio di Apache Point. Credito:RPC Photonics; a destra:Gudmundur Stefansson
Il team di ricerca ha testato la nuova tecnologia del diffusore "on-sky" sul telescopio Hale al Palomar Observatory in California, il telescopio da 0,6 m del Davey Lab Observatory a Penn State, e il telescopio ARC da 3,5 m presso l'Osservatorio di Apache Point nel New Mexico. In tutti i casi, le immagini prodotte con un diffusore erano costantemente più stabili di quelle che utilizzavano metodi convenzionali:mantenevano una dimensione relativamente coerente, forma, e intensità, che è parte integrante del raggiungimento di misurazioni altamente precise. L'utilizzo di un telescopio focalizzato senza un diffusore ha prodotto immagini che fluttuano in dimensioni e intensità. Un metodo comune di "defocalizzazione" del telescopio, portando deliberatamente l'immagine fuori fuoco per diffondere la luce, produceva una maggiore precisione fotometrica rispetto alle osservazioni focalizzate, ma creava comunque immagini che fluttuavano in dimensioni e intensità.
"Le osservazioni diffuse sono di gran lunga le più stabili", disse Ming Zhao, scienziato dei dati al New York Times ed ex ricercatore associato alla Penn State che ha guidato lo sforzo del diffusore al telescopio Hale di 5 m a Palomar.
Modellando l'emissione di luce, il diffusore consente agli astronomi di superare il rumore creato dall'atmosfera terrestre. "Le immagini stabili e uniformi fornite dai diffusori sono essenziali per ridurre al minimo gli effetti negativi dell'atmosfera turbolenta sulle nostre misurazioni, e nel massimizzare la nostra precisione, " disse Zhao.
"Questa tecnologia funziona su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, dall'ottica, visibile dall'uomo, al vicino infrarosso, "ha detto Jason Wright, professore associato di astronomia e astrofisica alla Penn State e autore dell'articolo. "Come tale, i diffusori possono essere utilizzati per una vasta gamma di scienza degli esopianeti. Possiamo usarli per misurare con precisione i tempi in cui i mondi esoplanetari transitano per le loro stelle, che ci aiuterà a misurare le loro masse e composizioni, e persino trovare nuovi pianeti nei loro sistemi; e possiamo usarli per studiare le strutture di temperatura delle atmosfere dei pianeti giganti".
Il team di ricerca sta già avviando collaborazioni per implementare questa tecnologia su altri telescopi in tutto il mondo. "Il nostro obiettivo è dotare la più ampia comunità di esopianeti di strumenti di precisione a basso costo per fornire misurazioni precise per aiutare le osservazioni future nella scienza degli esopianeti, ", ha detto Stefansson.
