Negli anni da quando gli astronomi hanno scoperto il primo esopianeta, un pianeta che orbita attorno a una stella al di fuori del sistema solare, più di 4, 000 sono stati osservati. Generalmente, la loro presenza è data dai lievi effetti che hanno sulle loro stelle madri, che li eclissa enormemente. Per un decennio e mezzo, gli scienziati hanno cercato di visualizzare direttamente gli esopianeti, ma l'atmosfera terrestre rappresenta un grosso impedimento quando tentano di sfruttare i grandi telescopi terrestri.

Ora, un team di scienziati e ingegneri statunitensi e giapponesi che include ricercatori dell'UC Santa Barbara ha sviluppato una nuova fotocamera per la caccia agli esopianeti. Schierato al telescopio Subaru su Maunakea, Hawaii, il dispositivo è la più grande fotocamera superconduttiva al mondo per numero di pixel e aprirà la strada all'imaging diretto di pianeti extrasolari nel prossimo futuro. Un documento sullo strumento apparso su Publications of the Astronomy Society of the Pacific ha annunciato il nuovo dispositivo alla comunità astronomica.

Costruito dai ricercatori nel laboratorio del professor Ben Mazin, la MKID Exoplanet Camera (MEC) utilizza i rivelatori di induttanza cinetica a microonde (MKID) per consentire agli scienziati di visualizzare direttamente esopianeti e dischi attorno a stelle luminose. Il rilevatore funziona a 90 millikelvin, appena un tocco sopra lo zero assoluto, ed è la prima fotocamera superconduttiva permanente che opera nello spettro ottico e del vicino infrarosso.

"Nell'imaging diretto degli esopianeti, stai cercando di immaginare pianeti che sono milioni di volte più deboli delle loro stelle madri, "ha detto Sarah Steiger, uno studente di dottorato nel laboratorio Mazin che ha lavorato alla pipeline MKID. "È l'equivalente di cercare di vedere una lucciola vicino a uno stadio di calcio completamente illuminato da un aereo.

"Cosa c'è di più, se lo fai da terra, devi guardare attraverso l'atmosfera turbolenta della Terra, " continuò. Questa turbolenza è ciò che fa brillare le stelle nel cielo notturno, ed è un perenne mal di testa per gli astronomi, distorcendo le immagini e proiettando la luce delle stelle su deboli esopianeti.

"È una battaglia costante per impedire alla luce vagante della stella di travolgere completamente il pianeta, ", ha detto il dottorando Neelay Fruitwala.

Gli osservatori moderni utilizzano l'ottica adattiva per correggere queste distorsioni. I sistemi si basano su cicli di feedback rapidi e algoritmi complessi per piegare lo specchio di un telescopio migliaia di volte al secondo in modi che contrastano gli effetti dell'atmosfera, consentendo agli scienziati di recuperare un'immagine come se il telescopio fosse nello spazio.

"Questi sistemi di ottica adattiva molto complicati ci hanno permesso di scoprire pianeti come quelli di HR 8799, che è un sistema con quattro pianeti tutti al di sopra della massa di Giove che orbitano al suo interno, " disse Mazin. Ma possono anche diffondere la luce, che oscura deboli esopianeti. "Abbiamo scoperto che il solo utilizzo dell'ottica adattiva da solo ci avrebbe trovato solo una manciata di pianeti, vale a dire quelli che ancora risplendono del calore della loro formazione, che non sono così comuni nel nostro vicinato stellare".

Un altro vantaggio degli MKID risiede nella loro capacità di determinare l'energia di ciascun fotone che colpisce il rivelatore. "Questo ci permette non solo di determinare la luminosità di un pianeta, "Steiger ha detto, "ma anche per ottenere uno spettro (la luminosità in funzione dell'energia), che può rivelare ulteriori informazioni sulle proprietà di un esopianeta, come la sua età, massa e composizione potenzialmente atmosferica."

I rilevatori più avanzati utilizzano un coronografo, che blocca parte della luce dalla stella ospite in modo che gli scienziati possano discernere meglio la luce che si riflette sul pianeta stesso. Questo è importante per l'imaging di sistemi vicini, la maggior parte dei quali non sono particolarmente giovani. Però, ottenere le migliori prestazioni da una tale configurazione richiede un'ottica adattiva estremamente buona.

"Questi strumenti stanno andando a sbattere contro un muro in questo momento, " Ha detto Mazin. "Possono bloccare la luce dalla stella di circa un fattore di un milione, ma il problema è che la maggior parte dei pianeti sono un miliardo di volte più deboli della loro stella madre".

Un vantaggio degli MKID rispetto alle fotocamere tradizionali è che sono molto veloci. Questi rilevatori possono leggere i dati migliaia di volte al secondo, quali sono le velocità necessarie per stare al passo con un sistema ottico adattivo, Steiger ha spiegato. Ciò consente a un MKID di ripulire ulteriormente un'immagine comunicando con il sistema di ottica adattiva dell'osservatorio per rimuovere parte della luce stellare diffusa e diffratta. Questo spinge i limiti di quanto debole possa essere ripreso un esopianeta.

La MKID Exoplanet Camera dovrebbe espandere la gamma di esopianeti che gli astronomi possono visualizzare direttamente a quelli vicini alla Terra. Questi sono i più importanti perché possiamo caratterizzarli in modo più dettagliato, ha detto il coautore Olivier Guyon, lo scienziato del progetto responsabile dello strumento Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO).

L'obiettivo finale è cercare le prove della vita, e il MEC è un passo importante in questo viaggio. "Non saremo in grado di farlo con Subaru, o con uno degli attuali telescopi, perché sono solo un po' troppo piccoli, " disse Guyon. "Ma ci stiamo preparando per il prossimo grande passo, che consiste nell'utilizzare fotocamere per l'acquisizione di immagini di esopianeti su telescopi più grandi come il Thirty Meter Telescope. Quando quei telescopi saranno online, le stesse tecnologie, la stessa fotocamera, gli stessi trucchi ci permetteranno di cercare davvero la vita."

Detto ciò, c'è ancora molto lavoro da fare, principalmente sul software e sugli algoritmi del MEC. Il team ha ricevuto una cospicua sovvenzione dalla Fondazione Heising-Simons per affrontare questo problema e sviluppare ulteriormente la correzione ottica rapida nei prossimi anni. "Stiamo lanciando ogni trucco nel libro a questo, "Mazin ha detto, "e stiamo sviluppando anche nuovi trucchi."

Gli autori riconoscono il ruolo culturale significativo e la riverenza che il vertice di Maunakea detiene all'interno della comunità hawaiana e hanno affermato di sentirsi fortunati ad avere l'opportunità di condurre osservazioni da questa montagna.