Частотные гребенки подключаются к охоте на экзопланеты
Метод, который использует лазерные частотные гребенки для калибровки астрономических спектрографов с беспрецедентной точностью, был разработан и успешно протестирован исследователями в Европе. Этот метод может быть использован для поиска экзопланет размером с Землю путем обнаружения их мизерного влияния на движение своих звезд. Гребенка была протестирована на спектрографе HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher), в обсерватории Ла-Силла, в Чили.
Астрономические спектрографы разделяют свет в зависимости от длины волны и спектр, который они дают, играет важную роль во многих областях астрономии. В результате, астрономы постоянно ищут пути, чтобы сделать свои спектрографы более точными, более стабильными и хорошо откалиброванными. В настоящее время самые лучшие спектрографы, такие как HARPS, используют торий-аргоновые лампы или йодированные элементы для калибровки - однако, это не дает достаточной точности, чтобы обнаружить крошечные изменения в длине волны света звезды, вызванного наличием экзопланеты.
Эти изменения длины волны соответствуют изменениям в радиальной скорости звезды, - которые, в свою очередь, могут быть вызваны гравитационным влиянием экзопланет, вероятно обращающихся около звезды. Изменения радиальной скорости вытекают из изменений в спектральных линиях родительской звезды, вызванных эффектом Допплера. Хотя этот метод работает очень хорошо для огромных планет, которые вращаются очень близко к своим звездам-родителям, необходимая точность для измерения крошечных сдвигов, вызванных планетами размером с Землю, вращающейся в пределах обитаемой зоны звезд подобных Солнцу, не может быть достигнута сегодня.
Идея использования частотной гребенки для калибровки спектрографа обсуждается уже несколько лет, но это первый случай, когда техника была испытана и проверена, благодаря усилиям Тобиаса Уилкена (Tobias Wilken) из Института квантовой оптики имени Макса Планка в Мюнхене и его коллег в Германии и Испании, в сотрудничестве с учеными из Европейской южной обсерватории (ESO). Уилкен является участником исследовательской группы во главе с Теодором Хэншом (Theodor Hänsch), который разделил в 2005 году Нобелевскую премии по физике за разработку частотных гребенок.
Частотная линейка
Исследовательская группа смонтировала лазерную частотную гребенку для калибровки спектрографа HARPS в серии двух тестов, проведенных в ноябре 2010 года и январе 2011 года. Гребенка дает ряд равноотстоящих спектральных линий, действуя как «частотная линейка», которой можно исследовать свет от далеких звезд. Уилкен сказал для
physicsworld.com
, что потребовалось сделать сложные приспособления для гребенки, прежде чем она может быть использована. Спектрографы, которые могут обнаружить экзопланеты делают это, исследуя на свет на длинах волн 400-700 нм. Но Уилкен использует волоконный лазер, так как его гребенка «очень устойчива к тепловым изменениям или акустическим колебаниям, которые неизбежны, когда гребенка постоянно прикреплена к работающему спектрографу». Проблема в том, что гребенка работает в диапазоне 1000-1500 нм.
Кроме того, он объясняет, что у волоконных лазеров, длина резонатора лазера прямо пропорциональна межимпульсному интервалу - то есть при более длительном времени между каждым импульсом лазера, частота импульса снижается. Частота импульса и определяет интервал, так что для низких частот и интервал низкий. Но для того, чтобы точно разрешать спектральные линии, требуется очень большой интервал. Таким образом, исследователи должны были увеличить межимпульсный интервал лазера. Это было сделано с помощью эталона Фабри-Перо - высоко отражающие параллельные зеркала. «Они передают лишь малую часть света, увеличивая расстояние», объясняет Уилкен.
При работе системы, два канала (волоконные) посылают свет в спектрограф ? по одному каналу направляется калибровочный свет; по другому каналу, звездный свет - через решетку и призму настройки, откуда свет детектируется ПЗС-камерой, показывая очень высокое разрешение спектра. «Гребенка на самом деле имеет 10000 линий, которые появляются в несколько рядов точек в ПЗС-изображении, и вы видите калибровочные линии непосредственно под линиями спектра звезды, так что вы можете постоянно сравнивать их и проверять наличие неточностей», говорит Уилен. Например, может случиться небольшое расширение спектрографа, вызванного жарой, которое будет обнаружено благодаря калибровочным линиям, и, таким образом, инструментальная погрешность может быть измерена и ликвидирована.
Калибровочный свет
Для первых тестов, исследователи использовала калибровочный свет в обоих каналах, с тем, чтобы убедиться, что калибровка работает точно. «Таким образом, если у вас есть один источник, любые изменения должны быть видны в обоих спектрах. Тогда как, с разными источниками, все сдвиги приходят от инструментальных эффектов и поэтому могут быть исправлены», объясняет Уилкен. «И, наконец, после этого любые изменения, которые вы видите, вызваны астрономическими звездными эффектами, таких как планеты», говорит он.
Кроме того, группа использовала откалиброванный спектрограф и было сделано восемь измерений радиальной скорости звезды HD 75289, известной, как имеющей экзопланету, чтобы гарантировать, что она может быть обнаружена. Они наблюдали систему в течение пяти ночей и «это было сделано главным образом для того, чтобы показать, что гребенка может работать ночь за ночью, так как были ранее сомнения в астрономическом сообществе, что метод сложный и слишком футуристический сейчас», говорит Уилкен.
Несмотря на этот успех, гребенка не совсем готова к установке на постоянной основе. Компания Менло, которая производит частотные гребенки, созданная Хэншом и коллегами и как сопутствующее производство от института Макса Планка, в настоящее время совершенствует гребенки для постоянного и долговременного использования. Более надежные гребенки должны быть готовы для использования в течение года.
Неожиданный дрейф
Во время тестирования на HARPS, команда также обнаружила некоторый неожиданный дрейф спектральных линий. Это позволило астрономам выявить ранее неизвестные проблемы с приборами HARPS. «Мы должны определить, где эти нарушения происходят на HARPS, так что гребенка может определить сдвиги, характеризующие их, а затем исправить их, что повысит стабильность спектрографа HARPS», говорит Уилкен.
Уилкен также указывает, что гребенки могли бы помочь в разработке более точных и стабильных инструментов в будущем. К ним относится спектрограф ESPRESSO, который будет искать скалистые экзопланеты и должен быть установлен в 2015 году на Very Large Telescope Европейской Южной Обсерватории.
Цо Ляэнхардт (Zoe Leinhardt) из Бристольского университета в Великобритании, которая возглавляет группу по изучению формирования и эволюции планет, "очень впечатлена" этой работой и считает, что она может оказаться очень полезной для обнаружения экзопланет с массой как у Земли. «Если этот метод довести до совершенства, и он может устойчиво воспроизводить предыдущие данные, то он может быть чрезвычайно полезным для измерений лучевой скорости», говорит она. Так же, как продвижение измерений лучевых скоростей ближе к обнаружению планет размером с Землю, она также считает, что процесс обнаружения может быть оперативнее, чем традиционные методы.
ENGLISH VERSION
НА ГЛАВНУЮ
