Ein neues Planetensuchinstrument am WM-Keck-Observatorium hat „erstes Licht“ erreicht, seine ersten Daten vom Himmel erfasst und ein spannendes Kapitel in der Suche nach erdgroßen Planeten um andere Sterne markiert, die aufgrund ihrer extrem schwierig zu entdecken sind kleine Größe. Der Keck Planet Finder (KPF), der am Keck I-Teleskop auf der Insel Maunakea auf Hawaii betrieben wird, ist das weltweit fortschrittlichste hochauflösende Spektrometer für sichtbare Wellenlängen.
„Das Aufkommen von KPF markiert einen großen und aufregenden Schritt nach vorne in unserer Fähigkeit, die Suche voranzutreiben, um schließlich bewohnbare erdähnliche Planeten um andere Sterne zu finden“, sagte Direktor Hilton Lewis vom Keck Observatory. „Wir haben fast ein Jahrzehnt auf die Ankunft von KPF gewartet und sind begeistert, unser bereits sehr erfolgreiches Programm zur Entdeckung von Exoplaneten auf die nächste Stufe heben zu können.“
„Das erste astronomische Spektrum von KPF zu sehen, war eine bewegende Erfahrung“, sagte Andrew Howard, Hauptforscher von KPF und Professor für Astronomie am Caltech. „Ich freue mich darauf, das Instrument zu verwenden, um die große Vielfalt von Exoplaneten zu studieren und die Geheimnisse ihrer Entstehung und Entwicklung zu ihrem gegenwärtigen Zustand zu entschlüsseln.“
Letzte Nacht, am Mittwoch, den 9. November, hat das KPF-Team erfolgreich ein erstes Lichtspektrum von Jupiter mit dem Instrument der nächsten Generation aufgenommen, gefolgt von einem Spektrum des ersten Sterns von KPF, 51 Pegasi, der 51 Pegasi b beherbergt – den ersten Planeten, der a umkreist sonnenähnlicher Stern, der mit der Doppler-Methode entdeckt wurde. Es ist nun bereit, entfernte Welten mit großer Präzision zu beobachten, um eine der zwingendsten Fragen der Astronomie zu beantworten: Sind wir allein?
„Vor dem jüngsten Exoplaneten-Entdeckungsboom in den letzten zwei Jahrzehnten wussten wir nicht wirklich, welche anderen Planeten da draußen waren. Wir wussten nicht, ob unser eigenes Sonnensystem oder unsere eigene Erde gemeinsam waren“, sagte Sherry Yeh, stellvertretende Instrumentenwissenschaftlerin für KPF am Keck-Observatorium. „Wir sind die erste Generation, die andere Planeten in unserer galaktischen Nachbarschaft wirklich verstehen wird.“
Etwa jeder fünfte sonnenähnliche Stern hat einen erdgroßen Planeten in der bewohnbaren Zone, in der die atmosphärischen Temperaturen flüssiges Wasser fördern – den wichtigsten Vorläufer für Leben, wie wir es kennen.
Unter Verwendung der Doppler-Technik – einer Messung, die am Keck-Observatorium entwickelt wurde – wird KPF Exoplaneten anhand des Verhaltens ihrer Wirtssterne untersuchen und messen. Wenn ein Planet einen Stern umkreist, übt er eine Gravitationskraft aus, die den Stern zum „Wackeln“ bringt. KPF wird nach diesem stellaren Wackeln suchen, das Astronomen dann messen können, um auf die Masse und Dichte des Planeten zu schließen, der an dem Stern zerrt.
Je weniger massereich der Planet ist, desto geringer ist das Wackeln des Sterns und desto schwieriger ist es, das hin und her wechselnde Sternenlicht einzufangen. KPF wurde entwickelt, um dieser Herausforderung zu begegnen; Sobald es vollständig in Betrieb genommen ist, wird es in der Lage sein, Sterne zu erkennen, die sich mit einer Geschwindigkeit von nur 30 Zentimetern/Sekunde hin und her bewegen. Um die Leistungsfähigkeit von KPF ins rechte Licht zu rücken: Sein Vorgänger, das aktuelle Planetensuchinstrument des Keck-Observatoriums namens High-Resolution Echelle Spectrometer (HIRES), erkennt Sternbewegungen von 200 Zentimetern/Sekunde.
„Die Herausforderungen solcher Messungen wären noch vor wenigen Jahrzehnten als unüberwindbar angesehen worden“, sagte Josh Walawender, Instrumentenwissenschaftler für KPF am Keck Observatory. „KPF ist das Ergebnis einer erstaunlichen Menge an menschlichem Einfallsreichtum, der darauf verwendet wurde, Probleme zu lösen und Hindernisse für unser Verständnis des Universums um uns herum zu umgehen.“
Was dieses hochmoderne Spektrometer auszeichnet, ist, dass es aus einer ungewöhnlichen Art von Glaskeramik-Hybridmaterial namens Zerodur besteht – dem gleichen Material, das auch zur Herstellung der ikonischen Hauptspiegelsegmente des Keck-Observatoriums verwendet wird. Hergestellt von der Firma Schott AG, behält Zerodur seine Form unabhängig von Temperaturschwankungen. Diese thermische Stabilität ist der Schlüssel zu KPF, da jede Bewegung im Instrument zu falschen Signalen führen kann, die wie Doppler-Verschiebungen von Sternen erscheinen. Durch die Reduzierung thermischer Bewegungen kann KPF Exoplaneten mit beispielloser Effizienz erkennen und charakterisieren.
„Dies ist das erste Spektrometer, das Zerodur in sein Design integriert“, sagte Howard. „Das Material, das in riesigen Platten geliefert wird, ist sehr zerbrechlich und schwer zu bearbeiten, aber genau das macht KPF so empfindlich gegenüber kleineren Planeten.“
KPF wurde 2014 konzipiert und ist speziell für das Keck-Observatorium als entscheidende Ergänzung zu den bestehenden Planetenjagd-Teleskopen der NASA konzipiert, darunter Kepler, TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) und das römische Weltraumteleskop Nancy Grace, die Tausende von Exoplaneten auf der Suche nach Welten durchmustern wie unsere eigenen. Die wahrscheinlichsten Kandidaten werden dann mit bodengestützten Teleskopen wie dem Keck-Observatorium genauer untersucht, das detaillierte Bilder und Spektren sammeln kann, um atmosphärische Biosignaturen besser zu verstehen – Schlüsselindikatoren für Temperatur und welche Art von Gasen vorhanden sind.
Wissenschaftler und Ingenieure haben die letzten Monate damit verbracht, den neuen Spektrographen in der Maunakea-Anlage des Keck-Observatoriums zu installieren und zu kalibrieren. Zuvor wurden Komponenten von KPF im Space Sciences Laboratory der UC Berkeley und bei Caltech zusammengebaut.
„Für mich repräsentiert KPF eine der besten Eigenschaften der Menschheit: den demütigen Wunsch, das uns umgebende Universum zu sehen und zu lernen und so den Ort, an dem wir leben, besser zu verstehen“, sagte Walawender.
KPF wird der wissenschaftlichen Gemeinschaft ab Frühjahr 2023 für die Exoplanetenforschung zur Verfügung stehen.