Un nuovo spettrografo astronomico costruito da un team di scienziati guidato dalla Penn State fornisce le misurazioni di massima precisione fino ad oggi dei segnali infrarossi provenienti dalle stelle vicine, permettendo agli astronomi di rilevare pianeti in grado di avere acqua liquida sulla loro superficie che orbitano attorno a stelle fredde al di fuori del nostro sistema solare. L'Habitable Zone Planet Finder (HPF) consente una misurazione precisa della velocità radiale di una stella, misurata dal sottile cambiamento nel colore degli spettri della stella mentre viene trascinata da un pianeta in orbita, che è un'informazione fondamentale per la scoperta e la conferma di nuovi pianeti.

L'HPF, situato presso l'Osservatorio McDonald dell'Università del Texas ad Austin, prende di mira pianeti di piccola massa intorno a stelle nane M vicine e fredde nelle zone abitabili, regioni in cui potrebbe esistere acqua liquida sulla superficie di un pianeta. Le stelle nane M sono note per ospitare pianeti rocciosi, ma queste stelle sono deboli a causa delle loro dimensioni e la loro attività magnetica si manifesta come macchie e bagliori, che pongono problemi agli strumenti a luce visibile esistenti. L'HPF, accoppiato al telescopio Hobby Eberly da 10 metri, utilizza invece la luce del vicino infrarosso, un tipo di luce infrarossa invisibile più vicina in lunghezza d'onda allo spettro visibile, per osservare queste stelle a lunghezze d'onda in cui sono più luminose e meno attive.

"L'HPF è stato costruito per essere incredibilmente stabile, e abbiamo aggiunto un calibratore chiamato pettine di frequenza laser per aumentare la precisione, " disse Suvrath Mahadevan, professore associato di astronomia e astrofisica presso la Penn State e Principal Investigator del progetto HPF. "Il pettine laser, che è stato costruito su misura dal National Institute of Standards and Technology (NIST), separa le singole lunghezze d'onda della luce in linee separate, come i denti di un pettine, ed è usato come un righello per calibrare l'energia del vicino infrarosso dalle stelle. Questa combinazione di tecnologie ci ha permesso di dimostrare una precisione senza precedenti della velocità radiale nel vicino infrarosso con osservazioni della stella di Barnard, una delle stelle più vicine al Sole." Questi risultati appaiono nel numero del 20 febbraio della rivista ottica .

"Siamo particolarmente interessati a trovare pianeti simili alla Terra che orbitano nella zona abitabile delle stelle più vicine, " ha detto Mike Endl, ricercatore senior presso l'Osservatorio McDonald. "Questi pianeti intorno alle stelle vicine rappresentano la nostra migliore possibilità di caratterizzarli e studiarli in modo più dettagliato. Il pettine di frequenza laser all'HPF ci consente di raggiungere l'alto livello di precisione richiesto per rilevare questi piccoli pianeti".

"Il rilevamento delle lunghezze d'onda del vicino infrarosso pone anche enormi sfide tecniche, " disse Mahadevan. Ad esempio, lo strumento è così sensibile alla luce infrarossa che il calore emesso a temperatura ambiente acceca il rivelatore, che richiedono operazioni a temperature molto fredde. L'HPF è stato progettato per superare queste sfide, e offre anche un livello estremamente elevato di controllo su temperatura e pressione, essenziale per il corretto funzionamento dello strumento.

"L'Habitable Zone Planet Finder era ed è un'opportunità unica per spingersi oltre le soluzioni conosciute per trovare pianeti che potrebbero potenzialmente ospitare la vita, " ha detto Fred Hearty, scienziato senior di astronomia e astrofisica alla Penn State e ingegnere di sistemi di HPF. "Ogni progresso che abbiamo fatto nello sviluppo di questo strumento ha rivelato sfide più profonde e più sottili".

Larry Ramsey, illustre studioso e professore di astronomia e astrofisica alla Penn State, e uno degli inventori originali del design del telescopio Hobby Eberly ha aggiunto "Il viaggio di ricerca e sviluppo per strumenti di precisione come il telescopio Hobby-Eberly è iniziato negli anni '80 a Penn State. Nei decenni successivi, ciò ha portato alla costruzione di numerosi strumenti che hanno notevolmente migliorato la nostra capacità di ricerca di pianeti potenzialmente abitabili, dallo strumento Echelle in fibra ottica e il banco di prova dello strumento Pathfinder nel vicino infrarosso al potente Habitable Zone Planet Finder, che ha un'incredibile stabilità spettrale e la sensibilità alla velocità quando accoppiato al telescopio Hobby Eberly."

Mahadevan ha attribuito il successo di HPF e del suo calibratore a pettine laser al team HPF multidisciplinare e multi-istituzione. "Non saremmo stati in grado di spingere questi limiti astrofisici senza spingere i limiti tecnici e ingegneristici qui a terra, " Egli ha detto, "o senza il duro lavoro, impegno e creatività dei dottorandi, borsisti post-dottorato, ricerca associata, facoltà, e partner del settore che hanno lavorato su HPF per quasi un decennio. Questi risultati apriranno la strada alla rottura delle barriere nel vicino infrarosso, consentendo la scoperta di pianeti di massa terrestre nelle zone abitabili".

L'Habitable Zone Planet Finder e il suo sistema di calibrazione del pettine di frequenza sono stati realizzati con il supporto dei programmi Major Research Instrumentation e Advanced Technology &Instrumentation della National Science Foundation degli Stati Uniti, Penn State, e l'Istituto nazionale di standard e tecnologia. L'analisi continua dei dati è supportata da una sovvenzione della Fondazione Heising-Simons.