Kam av ljus reder ut planeternas atmosfärer

Bredvid labbet där László Veisz håller till med sina intensiva laserpulser ligger ett mindre laboratorierum. Här gör professor Aleksandra Foltynowicz och hennes forskargrupp vid Umeå universitet sina experiment. Just nu jobbar de med metan, en liten molekyl med en kolatom och fyra väteatomer. Resultaten av deras mätningar blir till nytta bland annat för astronomer.

– När James Webb-teleskopet mäter på en atmosfär på en exoplanet behövs en modell för att kunna analysera absorptionen av ljus från olika molekyler, säger Aleksandra Foltynowicz.

Astronomerna får ett spektrum av ljus från teleskopet. Det betyder att ljuset sprids ut som i en regnbåge, så att färgerna separeras – från James Webb-teleskopet är det infraröda våglängder. Spektroskopi bygger på att kvantfysiken bara tillåter atomer och molekyler att ha vissa energinivåer. När energi tas upp eller avges måste det alltid göras i separata språng mellan de olika tillåtna nivåerna, och därför kan ljus bara tas upp eller avges med energier som motsvarar just dessa språng. Ljusets energi avgör dess frekvens, alltså dess färg. Det betyder att efter att vitt ljus har passerat genom en viss gas kan den gasen absorbera färger som motsvarar dess specifika energiövergångar. Efteråt finns karaktäristiska luckor i regnbågen.

För att kunna tolka ett verkligt spektrum med alla dess stökiga inslag behövs en detaljerad modell av atmosfären med både riktig och precis kunskap om hur varje molekyl uppför sig. De teoretiska modellerna behöver verifieras och korrigeras med data från experiment.

– Det blir ännu mer komplicerat vid högre energier, för molekyler rör på sig, säger Aleksandra Foltynowicz.

Molekyler kan rotera och vibrera, vilket ger fler olika sätt att ta upp och lagra energi. Många av de kända exoplaneterna är nära sina stjärnor och har därför heta atmosfärer.

Genom att lysa på molekylerna med en laser kan forskarna här i labbet sätta fart på en specifik rotation eller vibration i molekylen, och sedan använda en annan laser för att mäta energin. De kommer då åt några energitillstånd i taget i stället för att se alla möjliga övergångar som finns i en het gas. På så vis kan de hålla sin gas vid rumstemperatur, och ändå lära sig hur den beter sig när den är väldigt varm.

För att mäta exakt vilket ljus molekylerna tar upp eller avger använder Aleksandra Foltynowicz något som kallas för frekvenskam och som belönades med ena hälften av Nobelpriset i fysik 2005. Frekvenskammen är en laser som ger ifrån sig ljus i specifika frekvenser, med lika stora avstånd. Ett spektrum från en sådan laser ser ut som en kam. Eftersom varje pinne i kammen är så smal motsvarar den en väldigt exakt frekvens. Genom att ha koll på två referensfrekvenser känner man med stor precision frekvensen för var och en av kammens pinnar. De här pinnarna kan sedan jämföras eller matchas med annat ljus, och därmed kan man mäta det ljusets frekens.

En kam med många pinnar ger samtidigt både hög upplösning och stor bandbredd.

Principen är inte så svår att förstå. Men att göra experimenten är inte riktigt så lättvindigt, och forskar­gruppen har särskilda knep för att få ut mätpunkterna.

– Det tar ett par veckor av analystid, säger Aleksandra Foltynowicz.

Efter metan ska hon och kollegorna gå vidare med etylen, och senare med fler molekyler. Så bidrar de med bit efter bit till astronomernas pussel.