Nearly a decade in the making, exoplanet-hunting instrument installed in Hawaii

在夏威夷一座休眠火山的顶上,一个极其精巧的仪器——旨在帮助科学家们发现遥远的世界——散落在地上,有几百块碎片。

“想象一下,试着组装那些巨大的乐高玩具,除了没有说明书;芝加哥大学天文学和天体物理学副教授雅各布·比恩(Jacob Bean)说。“而且你在14000英尺的高空,空气如此稀薄,会影响你的判断力和思考能力,所以你要轮班工作12个小时,搬运重物,同时还要努力组装一件精致的乐器。”

这是比恩作为芝加哥大学项目负责人的一项任务,该项目旨在建造并安装一种创新仪器,用于扫描天空,寻找新的太阳系外行星——其他太阳系中可能存在生命的星球。在过去的8年里,比恩和他的团队设计并制造了这个名为MAROON-X的仪器;今年夏天,他们终于把它安装到夏威夷莫纳克亚山顶双子天文台的一个望远镜上。

“对我的团队来说,委托使用这个仪器是相当紧张的六个月,”比恩说。“但在接下来的10年里,我们将会了解一些我们以前从未了解过的宜居星球。这将是一场真正的变革。”

几十年前,科技的进步使科学家们能够开始探测遥远的太阳系中环绕其他恒星的行星发出的非常微弱的信号。有大量的发现;目前,NASA列出了4000颗已确认的系外行星和数千颗候选行星。

然而,我们仍然没有确定的类地系外行星具有可居住的表面条件。类地行星之所以要花这么长时间才能找到并描绘出它们的特征,是因为它们极难被发现。因为这些行星围绕着一颗比它们至少亮一百万倍的恒星运行,试图直接寻找它们就像试图在国家另一边的灯塔旁看到一只萤火虫。因此,科学家必须根据它们对恒星的影响,找到间接的方法来找到它们。

MAROON-X是通过观察一颗系外行星(或两颗,或五颗,或七颗)在绕其运行时对其恒星施加的极其微小的引力来做到这一点的。这种牵引力会使恒星在其轨道上发生轻微的摆动。但这已经足够抓住它了。

附在双子座北望远镜上,marron – x将25英尺望远镜收集的所有光线聚焦到一个头发那么宽的地方。然后它把光线分成彩虹的不同颜色,并读取每个波段的强度。当恒星向前或向后移动时,光的颜色会发生轻微的变化。比恩说:“这有点像为星星准备的雷达炮。”

通过捕捉这种摆动,科学家可以计算出隐藏的行星(或行星)对恒星的引力。

当然,这需要的精确度是难以置信的。“当光线照射到我们的探测器上时,这种变化是人类肉眼无法察觉的。它是千分之一像素。它正在接近探测器中硅原子的大小,”比恩说。“这是一颗即使用大型望远镜也会很暗的恒星。我们可以知道它是在以与人类行走速度相当的速度向我们移动还是远离我们——也就是每秒几英尺。”

“我们正在寻找的变化是如此微小,以至于每天晚上在我们观测之前,我们必须重新校准仪器,”研究科学家安德烈亚斯·塞法特(Andreas Seifahrt)说。

“这真的是爱的劳动”

比恩和赛法特花了近十年的时间设计和制造MAROON-X;它是如此精确,环境需要被精确地控制。比恩说:“温度或气压的微小变化都会影响读数,所以它的结构就像一个俄罗斯套娃。它在真空室里,内部是隔热的,在冰箱里,温度稳定在千分之一度。”

一旦他们对这种乐器的性能感到满意,就会不辞辛苦地把它从芝加哥运到夏威夷。“花了8年的时间在这个仪器上,然后在装货台看着卡车载着它开走,直到两周后你才会在大洋彼岸的山顶上看到它——这是相当伤脑筋的,”赛法特说。

但装有设备的板条箱安全抵达了夏威夷,比恩、塞法特、博士后朱利安·斯特默和大卫·卡斯帕在那里组装了他们的乐高玩具。9月23日,MAROON-X公布了官方的首灯读数。

该仪器将与美国宇航局的凌日系外行星勘测卫星(TESS)合作,以获得候选系外行星的完整图像。当一颗行星穿过一颗恒星的时候,苔丝会寻找光线变暗的情况,这样科学家就能知道它有多大。通过结合MAROON-X的质量数据,你可以计算系外行星的密度,这可以告诉你是观察像地球这样的岩石行星,还是像木星这样的气体行星。

MAROON-X还将能够探测到火星大气的特征,比如它的成分和厚度。

“从长远来看,我们希望能够寻找生物信号——那些只有在生命的帮助下才会存在的东西,”比恩说。“例如,在地球大气中,我们只有氧气,因为它是由植物产生的。这是一个有很多不同部分的拼图。”


在收集新数据的过程中,比恩预计将与芝加哥大学的同事合作,包括行星组成专家莱斯利·罗杰斯(Leslie Rogers)、多里安·阿博特(Dorian Abbott)和埃德温·凯特(Edwin Kite),以及破解系外行星猎人丹尼尔·法布里基(Daniel Fabrycky),将这些数据转化为对遥远系外行星的预测。不久,美国国家航空航天局(NASA)的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)也将作为哈勃的继任者发射升空,为这个问题带来更多的成像能力。

除了Bean、Seifahrt、Sturmer和Kasper之外,几代芝加哥大学的本科生、研究生和博士后研究人员也在marron – x上工作。“对我的团队来说,这真的是一项充满爱的工作,”比恩说,“现在它终于成真了。这是一个非常激动人心的时刻。”

塞法特对此表示赞同:“在这么小的团队和有限的预算下完成这项工作,确实是一项成就。回首过去,这是一件疯狂的事情——但我们认为它真的会成为一种开创性的乐器。”

资助:大卫和露西尔·帕卡德基金会、海森堡-西蒙斯基金会、双子座天文台和芝加哥大学

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