Nos anos desde que os astrônomos descobriram o primeiro exoplaneta - um planeta que orbita uma estrela fora do sistema solar - mais de 4, 000 foram observados. Usualmente, sua presença é denunciada pelos leves efeitos que têm nas estrelas-mãe, que os ofusca amplamente. Por uma década e meia, cientistas têm tentado obter imagens de exoplanetas diretamente, mas a atmosfera da Terra apresenta um grande impedimento quando eles tentam alavancar grandes telescópios terrestres.

Agora, uma equipe de cientistas e engenheiros americanos e japoneses que inclui pesquisadores da UC Santa Barbara desenvolveu uma nova câmera de caça a exoplanetas. Implantado no telescópio Subaru em Maunakea, Havaí, o dispositivo é a maior câmera supercondutora do mundo por contagem de pixels e abrirá o caminho para imagens diretas de planetas extra-solares em um futuro próximo. Um documento de instrumento que apareceu nas publicações da Sociedade de Astronomia do Pacífico anunciou o novo dispositivo para a comunidade astronômica.

Construído por pesquisadores do laboratório do Professor Ben Mazin, a câmera de exoplaneta MKID (MEC) usa detectores de indutância cinética de micro-ondas (MKIDs) para permitir que os cientistas criem imagens de exoplanetas e discos em torno de estrelas brilhantes. O detector funciona a 90 milikelvin - apenas um toque sobre o zero absoluto - e é a primeira câmera supercondutora permanentemente implantada que opera no espectro óptico e infravermelho próximo.

"Na imagem direta de exoplanetas, você está tentando imaginar planetas que são milhões de vezes mais fracos do que suas estrelas-mãe, "disse Sarah Steiger, um estudante de doutorado no laboratório Mazin que trabalhou no pipeline do MKID. "É o equivalente a tentar ver um vaga-lume próximo a um estádio de futebol totalmente iluminado de um avião.

"O que mais, se você está fazendo isso do chão, você deve olhar através da atmosfera turbulenta da Terra, "ela continuou. Essa turbulência é o que faz com que as estrelas pisquem no céu noturno, e é uma dor de cabeça perene para os astrônomos, distorcendo imagens e lançando a luz das estrelas em exoplanetas escuros.

"É uma batalha constante para evitar que a luz difusa da estrela domine completamente o planeta, "disse o estudante de doutorado Neelay Fruitwala.

Os observatórios modernos usam ótica adaptativa para corrigir essas distorções. Os sistemas contam com loops de feedback rápido e algoritmos complexos para dobrar o espelho de um telescópio milhares de vezes por segundo de maneiras que neutralizam os efeitos da atmosfera, permitindo que os cientistas recuperem uma imagem como se o telescópio estivesse no espaço.

"Esses sistemas óticos adaptativos muito complicados nos permitem descobrir planetas como aqueles em HR 8799, que é um sistema com quatro planetas todos acima da massa de Júpiter orbitando nele, "disse Mazin. Mas eles também podem espalhar luz, que obscurece exoplanetas tênues. "Descobrimos que apenas usar a ótica adaptativa por si só iria nos encontrar um punhado de planetas - ou seja, aqueles que ainda brilham com o calor de sua formação - que simplesmente não são tão comuns em nossa vizinhança estelar."

Outra vantagem dos MKIDs está na capacidade de determinar a energia de cada fóton que atinge o detector. "Isso nos permite não apenas determinar o brilho de um planeta, "Steiger disse, "mas também para obter um espectro (o brilho em função da energia), que pode revelar informações adicionais sobre as propriedades de um exoplaneta, como sua idade, massa e composição potencialmente atmosférica. "

Detectores mais avançados empregam um coronógrafo, que bloqueia parte da luz da estrela hospedeira para que os cientistas possam discernir melhor a luz refletida no próprio planeta. Isso é importante para sistemas de imagem próximos, a maioria dos quais não são particularmente jovens. Contudo, obter o melhor desempenho de tal configuração requer uma óptica adaptativa extremamente boa.

"Esses instrumentos estão batendo na parede agora, "Mazin disse." Eles podem bloquear a luz da estrela por cerca de um fator de um milhão, mas o problema é que a maioria dos planetas é mais como um bilhão de vezes mais tênue do que sua estrela-mãe. "

Uma vantagem dos MKIDs em relação às câmeras tradicionais é que eles são muito rápidos. Esses detectores podem ler dados milhares de vezes por segundo, quais são as velocidades necessárias para acompanhar um sistema de óptica adaptativa, Steiger explicou. Isso permite que um MKID limpe ainda mais uma imagem, comunicando-se com o sistema óptico adaptativo do observatório para remover parte da luz estelar difratada e difratada. Isso empurra os limites de quão tênue um exoplaneta pode ser imaginado.

A Câmera Exoplaneta MKID deve expandir a gama de exoplanetas que os astrônomos podem gerar imagens diretamente para aqueles próximos à Terra. Estes são os mais importantes porque podemos caracterizá-los com mais detalhes, disse o co-autor Olivier Guyon, o cientista do projeto responsável pelo instrumento Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO).

O objetivo final é buscar evidências de vida, e o MEC é um passo importante nessa jornada. "Não seremos capazes de fazer isso com o Subaru, ou com qualquer um dos telescópios atuais, porque eles são um pouco pequenos demais, "Guyon disse." Mas estamos nos preparando para o próximo grande passo, que é implantar câmeras de imagem de exoplanetas em telescópios maiores, como o Thirty Meter Telescope. Quando esses telescópios ficam online, as mesmas tecnologias, a mesma camera, os mesmos truques nos permitirão realmente procurar a vida. "

Dito isto, ainda há muito trabalho a fazer, principalmente no software e algoritmos do MEC. A equipe recebeu uma grande doação da Fundação Heising-Simons para resolver esse problema e desenvolver ainda mais a correção óptica rápida nos próximos anos. "Estamos jogando todos os truques do livro nisso, "Mazin disse, "e estamos desenvolvendo novos truques também."

Os autores reconhecem o papel cultural significativo e a reverência que o cume de Maunakea mantém dentro da comunidade havaiana e disseram que se sentem afortunados por ter a oportunidade de realizar observações desta montanha.