Chiedi alla maggior parte delle persone di cosa avrebbero bisogno per trovare pianeti in orbita attorno a stelle lontane, e pochissimi elencheranno una bottiglia di iodio.

Eppure quell'elemento gioca un ruolo fondamentale nella ricerca di pianeti extrasolari (esopianeti) sotto forma di dispositivi chiamati "celle di assorbimento dello iodio":cilindri di vetro sigillati delle dimensioni di una lattina di zuppa contenente un sottile gas di molecole di iodio.

Le proprietà ottiche del gas, misurate meticolosamente presso il National Institute of Standards and Technology (NIST), fungono da punto di riferimento invariabile per rilevare le fluttuazioni della luce delle stelle remote causate dai pianeti in orbita. L'analisi di tali fluttuazioni è stata finora responsabile della scoperta di oltre 500 esopianeti.

Ogni cella deve essere accuratamente calibrata individualmente. "Vengo qui da 15 anni, facendo esattamente questo", ha detto il celebre cacciatore di esopianeti Paul Butler della Carnegie Institution di Washington, creatore della cellula di iodio originale. Porta le sue cellule al NIST per la calibrazione ogni due anni, l'ultima volta all'inizio di ottobre, 2017—per farli controllare con lo spettrometro a trasformata di Fourier (FTS) del NIST, che misura i dettagli spettrali con una precisione estremamente elevata.

Lo strumento, che si trova all'interno di una camera a vuoto grande come un furgone delle consegne, "è ancora il miglior FTS del mondo, " ha detto Butler.

L'FTS è utilizzato per molte applicazioni, incluso il supporto per uno dei due metodi principali per rilevare gli esopianeti. Il primo è osservare una stella e vedere se la sua emissione di luce si attenua periodicamente ogni volta che un pianeta le passa davanti. Questo tipo di allineamento è raro, e meglio visibile da strumenti spaziali come il telescopio Kepler.

Le calibrazioni NIST influiscono sull'altro metodo, che si basa sull'effetto Doppler. Questo è ciò che fa alzare il tono della sirena di un'ambulanza quando viene verso di te, e cadere mentre si allontana. Lo stesso effetto che si verifica nelle onde sonore può allungare o comprimere le onde elettromagnetiche che compongono lo spettro della luce proveniente da una stella quando si avvicina o si allontana dalla Terra.

Perché una stella dovrebbe muoversi così? Il motivo è che non è del tutto vero dire che un pianeta orbita intorno a una stella. Infatti, entrambi ruotano attorno al loro comune centro di massa. (Vedi animazione.) Più il pianeta è massiccio, maggiore è il movimento della stella. Quando la stella si muove verso la Terra, lo spettro della stella è spostato verso lunghezze d'onda più corte (più blu); quando si allontana, lo spettro è allungato verso lunghezze d'onda più lunghe (più rosse). Misurando la quantità e la frequenza di quegli spostamenti Doppler, gli scienziati possono determinare l'esistenza di un pianeta distante 100 o più anni luce e calcolarne la massa.

Ma gli effetti sono estremamente ridotti. Per esempio, L'attrazione gravitazionale della Terra provoca il Sole - con una massa 333, 000 volte maggiore, e volume 1,3 milioni di volte più grande - per spostarsi di circa 10 centimetri (4 pollici) al secondo. Gli astronomi non possono misurare un effetto così piccolo, ma possono misurare le stelle che si muovono a solo 1 metro (39 pollici) al secondo. Se, questo è, hanno qualcosa con cui misurarlo.

"La spettroscopia Doppler è un modo molto flessibile di rilevare i pianeti, " ha detto il fisico del NIST Gillian Nave, chi gestisce l'operazione FTS. "Ma tutto si muove la stella, la terra, il tuo telescopio Così, quello di cui hai bisogno è qualcosa di affidabile, riferimento fisso. Dobbiamo essere in grado di misurare lo spostamento Doppler della luce della stella a poche parti su un miliardo. Stai parlando di una grande stella che si muove alla velocità di qualcuno che cammina".

Un modo per farlo è confrontare le variazioni della luce della stella con uno spettro di riferimento ben definito, fornita dalla luce emessa da lampade speciali – spesso calibrate al NIST – e poi instradata nello strumento di misura tramite fibra ottica.

L'altro modo impiega cellule di iodio. Quando posto tra un telescopio e uno spettrografo, le molecole di iodio assorbono lunghezze d'onda specifiche, sottraendoli alla luce in arrivo dalla stella. Lo spettro di assorbimento, che è noto esattamente dalla calibrazione ―, non cambia mentre gli spostamenti Doppler si verificano nella luce della stella nel tempo. Una volta calibrato, una cella può fungere da riferimento sul telescopio per decenni.

Lo iodio è adatto allo scopo perché ha un solo isotopo naturale, dà linee molto nitide, e assorbe lunghezze d'onda nella gamma visibile dal verde all'arancione dove il movimento stellare è facilmente rilevabile. "È solo questa incredibile foresta intensa di migliaia di linee, " ha detto Butler.

All'FTS del NIST, la luce della stella viene sostituita con la luce di una lampada allo xeno ad alta intensità, producendo uno spettro di luce bianca senza linee nette. Tutti i dettagli spettrali derivano dall'assorbimento di iodio, non la fonte in background. La luce della sorgente viene filtrata fino alla regione delle righe di iodio, riducendo il rumore nel risultato finale. Quindi passa attraverso la cella all'FTS, che può registrare le posizioni delle righe spettrali a poche parti su un miliardo. Ogni cella impiega circa 30 minuti per essere misurata. Le cellule caratterizzate dal NIST sono state inviate ai telescopi alle Hawaii, Chile, e Australia, con alcune delle nuove cellule destinate a un telescopio in Sud Africa.

"Non so esattamente quanti pianeti ho scoperto, "Il maggiordomo ha detto, "sono diverse centinaia." E sta ancora cercando di più in vari telescopi dotati delle sue celle di assorbimento dello iodio.

"Ma, " Egli ha detto, "queste cose non funzionano senza la magia di Gillian."