天文台用新的行星探测器实现“第一道光”

专用光纤电缆将来自 Keck I 望远镜的光带到位于天文台下方的 Keck 行星探测器。 学分:WM凯克天文台

WM 凯克天文台的一种新的行星搜寻仪器已经实现了“第一道曙光”,从天空捕获了它的第一批数据,并标志着寻找围绕其他恒星的地球大小行星的激动人心的篇章,由于它们的小尺寸。 Keck Planet Finder (KPF) 在夏威夷岛 Maunakea 的 Keck I 望远镜上运行,是世界上最先进的可见光高分辨率光谱仪。

凯克天文台主任希尔顿刘易斯说:“KPF 的出现标志着我们在推动最终寻找其他恒星周围可居住的类地行星的能力方面向前迈出了重要而令人兴奋的一步。” “近十年来,我们一直在等待 KPF 的到来,我们很高兴能够将我们已经非常成功的系外行星发现计划提升到一个新的水平。”

“看到 KPF 的第一个天文光谱是一次感人的经历,”KPF 首席研究员兼加州理工学院天文学教授安德鲁霍华德说。 “我很高兴能够使用该仪器来研究系外行星的多样性,并解开它们怎样形成和进化到现在状态的奥秘。”

昨晚,11 月 9 日,星期三,KPF 团队使用下一代仪器成功捕获了木星的第一张光谱,随后是 KPF 的第一颗恒星 51 Pegasi 的光谱,该恒星拥有 51 Pegasi b,这是第一颗绕使用多普勒方法发现的类太阳恒星。 它现在准备开始以非常精确的方式观察遥远的世界,以回答天文学中最引人注目的问题之一:我们是孤独的吗?


凯克行星探测器在捕获木星光谱后于 2022 年 11 月 9 日实现了第一道曙光。 学分:WM Keck 天文台/加州理工学院/KPF 团队

“在最近二十年的系外行星发现热潮之前,我们并不真正知道那里还有哪些其他行星。我们不知道我们自己的太阳系或我们自己的地球是否很常见,”仪器副科学家 Sherry Yeh 说凯克天文台的 KPF。 “我们是第一代真正了解我们银河系附近其他行星的人。”

大约五分之一的类太阳恒星在宜居带有一颗地球大小的行星,那里的大气温度有利于液态水——我们所知道的生命最重要的前体。

使用多普勒技术(凯克天文台开创的一种测量方法),KPF 将通过其宿主恒星的行为来检查和测量系外行星。 当行星围绕恒星运行时,它会施加引力,导致恒星“摆动”。 KPF 将寻找这种恒星摆动,然后天文学家可以对其进行测量,以推断牵引恒星的行星的质量和密度。

行星质量越小,恒星的摆动就越小,捕捉来回移动的星光就越具有挑战性。 KPF 旨在应对这一挑战; 一旦完全投入使用,它将能够探测到以仅 30 厘米/秒的速度来回移动的恒星。 为了充分了解 KPF 的力量,它的前身,凯克天文台目前的行星搜寻仪器,称为高分辨率阶梯光谱仪 (HIRES),可以检测到 200 厘米/秒的恒星运动。

天文台用新的行星探测器实现“第一道光”
凯克天文台的基础设施技术员 James Chong 协助将 Zerodur 光学台精密提升到仪器所在的天文台地下室。 学分:WM凯克天文台

凯克天文台 KPF 的仪器科学家 Josh Waawender 说:“就在几十年前,进行这样的测量所面临的挑战还被认为是无法克服的。” “KPF 是人类惊人创造力的结果,它已被应用于解决问题并绕过我们对周围宇宙理解的障碍。”

这款最先进的光谱仪的与众不同之处在于,它由一种不寻常的玻璃陶瓷混合材料制成,称为 Zerodur——与用于制造凯克天文台标志性主镜段的材料相同。 Zerodur 由 Schott AG 公司制造,无论温度波动怎样,都能保持其形状。 这种热稳定性是 KPF 的关键,因为仪器中的任何运动都可能导致虚假信号,这些信号似乎是来自恒星的多普勒频移。 通过减少热运动,KPF 可以以无与伦比的效率探测和表征系外行星。

“这是第一台将 Zerodur 集成到其设计中的光谱仪,”霍华德说。 “这种材料以巨大的平板形式出现,非常脆弱且难以使用,但这正是 KPF 对较小行星如此敏感的原因。”

KPF 于 2014 年构思,专为凯克天文台设计,作为 NASA 现有行星搜寻望远镜的重要补充,包括开普勒、TESS(凌日系外行星调查卫星)和南希·格雷斯罗马太空望远镜,这些望远镜调查数千颗系外行星以寻找世界就像我们自己的一样。 然后,将使用凯克天文台等地面望远镜更仔细地研究最有可能的候选者,该望远镜可以收集详细的图像和光谱,以更好地了解大气生物特征——温度的关键指标和存在的气体种类。

在过去的几个月里,科学家和工程师们一直在凯克天文台的莫纳凯亚设施安装和校准新的光谱仪。 在此之前,KPF 的组件是在加州大学伯克利分校的空间科学实验室和加州理工学院组装的。

“对我来说,KPF 代表了人类最好的特征之一:渴望看到和了解我们周围的宇宙,从而更好地了解我们生活的地方,”瓦文德说。

从 2023 年春季开始,科学界将可以使用 KPF 进行系​​外行星研究。