Un nouveau spectrographe astronomique construit par une équipe de scientifiques dirigée par Penn State fournit les mesures les plus précises à ce jour des signaux infrarouges des étoiles proches, permettant aux astronomes de détecter des planètes capables d'avoir de l'eau liquide sur leurs surfaces qui orbitent autour d'étoiles froides en dehors de notre système solaire. Le localisateur de planète de zone habitable (HPF) permet une mesure précise de la vitesse radiale d'une étoile, mesuré par le changement subtil de la couleur du spectre de l'étoile lorsqu'elle est tirée par une planète en orbite, qui est une information critique dans la découverte et la confirmation de nouvelles planètes.

Le HPF, situé à l'observatoire McDonald de l'Université du Texas à Austin, cible les planètes de faible masse autour des étoiles naines M proches et fraîches dans les zones habitables, régions où de l'eau liquide pourrait exister à la surface d'une planète. Les étoiles naines M sont connues pour héberger des planètes rocheuses, mais ces étoiles sont faibles en raison de leur taille et leur activité magnétique se manifeste par des taches et des éruptions, qui posent des problèmes aux instruments de lumière visible existants. Le HPF, couplé au télescope Hobby Eberly de 10 mètres, utilise à la place la lumière proche infrarouge - un type de lumière infrarouge invisible dont la longueur d'onde est la plus proche du spectre visible - pour observer ces étoiles à des longueurs d'onde où elles sont plus brillantes et moins actives.

"Le HPF a été conçu pour être incroyablement stable, et nous avons ajouté un calibrateur appelé peigne de fréquence laser pour augmenter la précision, " a déclaré Suvrath Mahadevan, professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et chercheur principal du projet HPF. "Le peigne laser, qui a été construit sur mesure par le National Institute of Standards and Technology (NIST), sépare les longueurs d'onde individuelles de la lumière en lignes séparées, comme les dents d'un peigne, et est utilisé comme une règle pour calibrer l'énergie proche infrarouge des étoiles. Cette combinaison de technologies nous a permis de démontrer une précision de vitesse radiale proche infrarouge sans précédent avec des observations de l'étoile de Barnard, l'une des étoiles les plus proches du Soleil." Ces résultats paraissent dans le numéro du 20 février du journal Optique .

"Nous sommes particulièrement intéressés à trouver des planètes semblables à la Terre qui orbitent dans la zone habitable des étoiles les plus proches, " a déclaré Mike Endl, chercheur principal à l'Observatoire McDonald. "Ces planètes autour d'étoiles proches représentent notre meilleure chance de les caractériser et de les étudier plus en détail. Le peigne de fréquence laser du HPF nous permet d'atteindre le haut niveau de précision requis pour détecter ces petites planètes."

« La détection des longueurs d'onde du proche infrarouge pose également d'énormes défis techniques, " dit Mahadevan. Par exemple, l'instrument est si sensible à la lumière infrarouge que la chaleur émise à température ambiante aveugle le détecteur, nécessitant des opérations à des températures très froides. Le HPF a été conçu pour relever ces défis, et offre également un niveau extrêmement élevé de contrôle de la température et de la pression, essentiel au bon fonctionnement de l'instrument.

« The Habitable Zone Planet Finder était et est une opportunité unique d'aller au-delà des solutions connues pour trouver des planètes qui pourraient potentiellement abriter la vie, " dit Fred Hearty, scientifique principal en astronomie et astrophysique à Penn State et ingénieur système de HPF. "Chaque avancée que nous avons faite dans le développement de cet instrument a révélé des défis plus profonds et plus subtils."

Larry Ramsey, éminent universitaire et professeur d'astronomie et d'astrophysique à Penn State, et l'un des inventeurs originaux de la conception du télescope Hobby Eberly a ajouté :« Le voyage de recherche et de développement d'instruments de précision comme le télescope Hobby-Eberly a commencé dans les années 1980 à Penn State. Au cours des décennies suivantes, cela a conduit à la construction de plusieurs instruments qui ont considérablement amélioré notre capacité à rechercher des planètes potentiellement habitables, de l'instrument Fiber Optic Echelle et du banc d'essai de l'instrument Pathfinder dans le proche infrarouge au puissant localisateur de planètes de zone habitable, qui a une stabilité spectrale incroyable et une sensibilité à la vitesse lorsqu'il est couplé au télescope Hobby Eberly."

Mahadevan a attribué le succès de HPF et de son calibrateur de peigne laser à l'équipe multidisciplinaire et multi-institutions HPF. "Nous n'aurions pas pu repousser ces limites astrophysiques sans repousser les limites techniques et d'ingénierie ici sur le terrain, " il a dit, "ou sans le travail acharné, engagement et créativité des étudiants diplômés, stagiaires postdoctoraux, associé de recherche, la faculté, et des partenaires de l'industrie qui ont travaillé sur HPF pendant près d'une décennie. Ces résultats ouvriront la voie pour briser les barrières dans le proche infrarouge, permettant la découverte de planètes de masse terrestre dans les zones habitables."

La zone habitable Planet Finder et son système d'étalonnage de peigne de fréquence ont été construits avec le soutien des programmes Major Research Instrumentation et Advanced Technology &Instrumentation de la US National Science Foundation, État de Penn, et l'Institut national des normes et de la technologie. L'analyse continue des données est soutenue par une subvention de la Fondation Heising-Simons.