Verðlaunaður fyrir „byltingarkennda nýjung“ í leit að fjarreikistjörnum

Stjörnufræðisamband Kyrrahafs (ASP), ein stærstu samtök bandarískra stjörnufræðinga, veittu Guðmundi Kára svonefnd Robert J. Trumpler-verðlaun fyrir doktorsritgerð hans sem hann lauk við Ríkisháskólann í Pennsylvaníu árið 2019.

Ritgerðin bar titilinn „Nákvæmnis birtustigs- og ljósvikshliðrunarmælingar frá jörðu niðri“ (e. Extreme Precision Photometry and Radial Velocimetry from the ground). Á mannamáli fjallaði doktorsverkefnið um vinnu Kára við sérstakan búnað fyrir stjörnusjónauka á jörðu niðri sem stóreykur getu þeirra til þess að finna og rannsaka reikistjörnur á braut um fjarlægar stjörnur.

Í umsögninni er farið lofsamlegum orðum um rannsóknir Guðmundar Kára og tæknina sem hann átti þátt í að þróa. Henni er lýst sem „byltingarkenndri nýjung“ fyrir nákvæmar mælingar sem vandasamt er að gera með sjónaukum á jörðinni. 

Haft er eftir einum þeirra sem tilnefndi Guðmund Kára til verðlaunanna að í doktorsverkefninu felist „umfangsmesta og dýpsta sérfræðiþekking á nákvæmum stjarnfræðimælitækjum sem ég hef séð“.

Í samtali við Vísi segir Guðmundur Kári það yfirþyrmandi að fara yfir lista fyrri handhafa Trumpler-verðlaunanna. Þeirra á meðal eru Adam Riess, stjarneðlisfræðingur sem hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 2011, og Paul Hertz, yfirmaður stjarneðlisfræðideildar bandarísku geimvísindastofnunarinnar NASA.

Loftið bjagar myndina

Leit að fjarreikistjörnum er gríðarleg nákvæmnisvinna. Til þess að finna hlutfallslega litla og dökka hnetti í fleiri ljósára fjarlægð frá jörðinni þurfa stjörnufræðingar að leita að örlitlum en þó greinanlegum áhrifum á móðurstjörnu þeirra.

Ein aðferðin er að mæla þyngdaráhrifin sem reikistjörnurnar hafa á sólstjörnu með svonefndri Doppleraðferð. Massi reikistjarnanna veldur því að stjarna vaggar örlítið og færist nær og fjær jörðinni. Hægt er að mæla þetta vagg með litrófsmæli og áætla þannig massa reikistjarna sem valda vagginu.

Hin aðferðin gengur út á að fylgjast með því hversu mikið birta stjarna dofnar þegar reikistjarna gengur á milli hennar og jarðarinnar. Geimsjónaukar á braut um jörðu skima stóran hluta næturhiminsins í leit að birtubreytingum af þessu tagi en stjörnusjónaukar á jörðinni eru svo notaðir til staðfesta hvort að þar séu fjarreikistjörnur á ferð.

Sjónaukar á jörðu niðri glíma þó við vandamál sem geimsjónaukarnir eru lausir við. Þeir þurfa að píra í gegnum meira en hundrað kílómetra þykkan og síkvikan lofthjúp sem bjagar ljósið sem berst frá fjarlægum stjörnum þannig að þær virðast dansa til og frá. Það setur strik í reikninginn þegar ætlunin er að mæla birtubreytingar af nákvæmni sem erfitt er fyrir leikmenn að ímynda sér.

Settir upp um allan heim

Tækið sem Guðmundur Kári tók þátt í að þróa er sögð „sláandi einföld“ lausn til þess að gera þessar mælingar með sjónaukum á jörðu niðri nákvæmari. Það nefnist ljósdreifari og er nokkurs konar hrjúft gler sem framleitt er með nanótækni sem dreifir ljósi fyrir sjónauka örlítið á hátt sem dregur úr bjöguninni sem lofthjúpurinn veldur. 

„Við erum tæknileg séð að gera myndirnar af stjörnunum óskýrar en aðalbragðið er að það er á mjög stöðugan hátt,“ segir hann við Vísi.

Guðmundur Kári segir að með því að setja ljósdreifara á sjónauka á jörðu niðri fáist nú mælingar sem jaðra við bestu mælingar sem gerðar eru með geimsjónaukum.

Ljósdreifarar eru notaðir víða, meðal annars í ljóskösturum og ljósastaurum, en þeir höfðu aldrei verið notaðir í stjarneðlisfræðirannsóknum áður.

„Þetta er tiltölulega ódýr tækni og það er þá tiltöluleg auðvelt að setja hana upp á mismunandi sjónaukum,“ segir hann.

Eftir að Guðmundur Kári og félagar hans birtu grein um nytsemi ljósdreifara árið 2017 hefur slíkum búnaði verið komið fyrir á ýmsum stórum stjörnusjónaukum, þar á meðal Stóra stjörnukíkinum á Kanaríeyjum sem er stærsti sjónauki sem nemur sýnilegt ljós á jörðinni.

„Það er gaman að sjá að þeir eru núna notaðir um allan heim. Þeir eru tiltölulega ódýrir og þess vegna hafa þeir náð að dreifast út tiltölulega hratt og eru að hjálpa til að greina og finna fjarreikistjörnur betur,“ segir hann.

Hafa fundið tugi reikistjarna með tækninni

Guðmundur Kári stundar nú rannsóknir við Princeton-háskóla á austurströnd Bandaríkjanna. Þar notar hann ljósdreifara og litrófsgreina sem hann tók þátt í að þróa fyrir nákvæmari mælingar með Doppleraðferðinni til að greina betur þvergöngur fjarreikistjarna.

Nú þegar hafa Guðmundur Kári og félagar hans staðfest á annan tug fjarreikistjarna og eru með töluvert meira í bígerð.

Langflestar þeirra þúsunda fjarreikistjarna sem hafa fundist til þessa eru gasrisar sem líkjast Júpíter eða Neptúnusi í sólkerfinu okkar. Stóri draumur stjörnufræðinga er að finna fleiri bergreikistjörnur sem líkjast jörðinni og rannsaka lofthjúp þeirra til að kanna hvort að líf gæti þrifist þar. 

Nákvæmin sem ljósdreifir Guðmundar Kára og félaga býður upp á gerir slíkar athuganir auðveldari. Hann hefur sjálfur unnið að rannsókn á efnasamsetningu lofthjúps fjarreikistjörnu nýlega.

„Það er bara æðislega spennandi,“ segir hann.