Исследователи UCF разрабатывают инструменты для поиска обитаемых планет

Научно-исследовательский проект NASA, известный как Обсерватория обитаемых миров (HWO), запланирован на запуск в 2040-х годах и станет ведущим космическим телескопом для поиска экзопланет. Этот крупный инфракрасный, оптический и ультрафиолетовый телескоп будет первым обсерваторией, специально предназначенной для поиска каменистых планет в обитаемых зонах своих звезд и для изучения их атмосфер. Мощный набор инструментов HWO также позволит проводить передовые исследования астрофизики, направленные на решение величайших космологических загадок, с которыми сталкиваются астрономы сегодня.

Для достижения своих целей HWO потребуется исключительная стабильность и точность, особенно в измерении и контроле фронта волны света, проходящего через телескоп и систему коронографа. Исследователи Центра исследований и образования в области оптики и лазеров (CREOL) Университета Центральной Флориды (UCF) разрабатывают эту технологию, чтобы помочь HWO и другим телескопам следующего поколения в обнаружении обитаемых планет.

Проект включает в себя сотрудничество с UC Santa Cruz, Университетом Сиднея и Институтом науки о космических телескопах (STScI). Их работа является частью финансируемого NASA проекта, известного как Система спектроскопии экзопланет с использованием фотоники (PEEPSS). Это трехлетнее усилие сосредоточено на создании и тестировании прототипов систем, которые помогут астрономам непосредственно наблюдать планеты, которые в противном случае были бы скрыты светом своих звезд. Это представляет собой серьезную проблему в изучении экзопланет, так как свет, отраженный атмосферой и поверхностью планеты, на несколько порядков меньше.

В UCF профессор Стивен Эйкенберри (главный исследователь PEEPSS) возглавляет команду аспирантов и исследователей, чья экспертиза в области оптоволокна и фотоники помогла установить это сотрудничество. В пресс-релизе UCF он отметил:

Если они находятся в обитаемой зоне, это означает, что они вращаются близко к своей звезде, а эта звезда, как правило, будет в 10 миллиардов раз ярче планеты. И можно сказать: «Ну, это всего лишь одна миллионная». Но угадать что? Одна миллионная все равно означает, что она в 10 000 раз ярче вашей экзопланеты. Вы обречены.

Чтобы справиться с этой проблемой, астрономы используют коронографы — специализированные инструменты телескопа, которые блокируют свет звезды и позволяют свету, отраженному экзопланетами, достигать детекторов телескопа. Тем не менее, микроскопические недостатки в оптике телескопа могут позволить большому количеству звездного света просочиться через систему, загрязняя потенциальные сигналы экзопланет. Технология PEEPSS предназначена для решения этой проблемы, выполняя продвинутую форму сенсинга фронта волны, которая корректирует входящие искажения, чтобы астрономы могли получить четкий сигнал.

Система использует новую технологию, известную как фотонный фонарь, устройство, которое разделяет входящий свет на отдельные оптические каналы. Это позволяет исследователям восстанавливать информацию о яркости, а также фазовую информацию, которую многие традиционные системы изображения отбрасывают. Эта дополнительная информация позволяет использовать новую технику, называемую "квантово-вдохновленным изображением", которая использует поведение света для улучшения разрешения изображения и фильтрации оставшегося звездного света.

Иллюстрация художника потенциально обитаемого мира Kepler 186f. Кредит: NASA

Еще одной ключевой особенностью системы PEEPSS является то, что она выполняет сенсинг фронта волны непосредственно на фокусной плоскости телескопа, именно там, где происходит научная съемка. Это позволяет исследователям обнаруживать и исправлять оптические ошибки (известные как "аберрации некорректного пути") после того, как свет проходит через коронограф телескопа. Эйкенберри добавил:

Представьте, что вы находитесь в доме и хотите, чтобы весь дом был идеально чистым. Вы можете видеть людей, входящих в спальню, но не можете увидеть, что происходит внутри самой спальни. Это и есть некорректный путь. Традиционные детекторы стирают эту информацию. Фотонные фонари позволяют нам восстановить ее.

Наблюдая за полным оптическим путем по всей фокусной плоскости, исследователи надеются, что PEEPSS поможет будущим обсерваториям достичь необходимой точности для обнаружения обитаемых планет, похожих на Землю. Некоторые версии технологии уже были протестированы на телескопах на Гавайях в сотрудничестве с Лабораторией исследований ВВС (AFRL) и международными исследовательскими партнерами. Если технология окажется эффективной, сказал Эйкенберри, астробиологи больше не будут искать "потенциально обитаемые" миры:

Если мы сможем идентифицировать обитаемые миры вокруг других звезд и показать, что они обладают условиями, в которых жизнь, подобная земной, может выжить, это уже будет революционно. Если мы обнаружим реальные доказательства жизни, тогда мы говорим о одном из величайших научных открытий в истории человечества. Мы находимся всего в одной миссии от этого. Мы посмотрим вверх и узнаем.