Bidrar till bättre förståelse av exoplanetära spektra

Aleksandra Foltynowicz-Matyba utvecklar spektroskopiska metoder för att mäta övergångar från höga energinivåer i små molekyler som upptäcks på extremt heta planeter utanför vårt stjärnsystem. Hennes resultat kommer att bekräfta noggrannheten hos de teoretiska modeller som används för att tolka data från nuvarande och framtida teleskop.

Aleksandra Foltynowicz-Matyba

Docent i fysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
Umeå universitet

Forskningsområde:
Precisionsspektroskopi med optiska frekvenskammar.

Exoplaneter kretsar kring en annan stjärna än vår sol. Många av dem är lika stora som Jupiter men kretsar så nära sina stjärnor att deras temperatur når upp till 700 grader Celsius. Något liv finns knappast på så heta planeter. Studier av dem kan ändå ge unik information om universums utveckling.

All kunskap om planeter utanför vårt solsystem kommer från satellit- och markbaserade observationer.

– Vi kan med optiska metoder få information om atmosfärens sammansättning, termodynamiska förhållanden, fotokemi och planetbildning, berättar fysikern Aleksandra Foltynowicz-Matyba.

För att samla information behövs exakta teoretiska modeller av högtemperaturspektra som har bekräftats med laboratoriemätningar. Sådana mätningar saknas ofta även för relativt enkla molekyler.

Som Wallenberg Academy Fellow kommer Aleksandra Foltynowicz-Matyba att utveckla metoder för att mäta och identifiera övergångar från höga energinivåer av metan, ammoniak och acetylen. Hon och hennes forskarkollegor kommer också att ta fram data som kan verifiera teoretiska modeller som används för att analysera spektra av heta exoplaneter och andra himlakroppar.

”Jag känner att jag har friheten att ta en annan väg med mitt forskningsprojekt.”

I sina mätningar använder de sig av dubbel-resonansspektroskopi med en så kallad frekvenskam. Det är en laser som sänder ut ljus i väldigt många färger och kan beskrivas som ett tusental lasrar i enda stråle. Färgerna ligger med jämna mellanrum, ungefär som pinnarna på en kam. Laserkammen använder alla våglängder samtidigt och kan mäta väldigt många övergångar i molekyler samtidigt.

En dubbel-resonansspektrometer med större spektral täckning och bättre prestanda än någonsin tidigare kommer att utvecklas i det nya projektet.

– Det ger mig en unik möjlighet att flytta fram forskningsfronten när det gäller spektroskopi för att undersöka energinivåer och övergångar med en noggrannhet som ingen annan metod kan erbjuda.

För tillfället pågår mätningar av metan.

– Vi är fortfarande i en utvecklingsfas och försöker förbättra prestandan. Men vi kan redan nu mäta signaler från väldigt svaga övergångar.

Konferenser skapar idéer

Hon växte upp i Poznań i Polen, läste fysik och kom till Umeå som utbytesstudent. Det var ett av få universitet, som hon kunde söka till, där det var möjligt att studera på engelska.

Här träffade hon sin man Piotr Matyba, som också kommer från Polen och har en grundutbildning i fysik. De doktorerade samtidigt, gjorde sällskap till USA som postdoktorer och trodde kanske inte de skulle återvända till Umeå.

– Man hamnar ibland någon annanstans än man trodde från början, konstaterar Aleksandra Foltynowicz-Matyba.

Just den här dagen i slutet av terminen har hon deltagit i ett gruppmöte med sina doktorander och postdoktorer för att gå igenom deras konferensbidrag. På grund av pandemin måste konferensen genomföras digitalt, varför presentationerna har spelats in på video. Oavsett medium är dock återkopplingen densamma.

– De skickar ett första förslag, får feed-back, gör en ny version – precis som när de har skrivit en text. Men det är väldigt viktigt med längden. Filmerna ska vara precis tolv minuter långa. Blir det tretton får de ta bort en minut.

Hon saknar möjligheten att åka till konferenser och träffa andra forskare.  Att spontant kunna knyta nya kontakter.

Hennes nya projekt är resultatet av ett sådant möte.
Hon hade utvecklat en metod att mäta molekylära spektra med optiska frekvenskammar med väldig hög upplösning och känslighet. När hon presenterade metoden på en konferens kom hon i kontakt med Kevin Lehmann, University of Virginia, expert på experimentell och teoretisk molekylär spektroskopi. Han föreslog att hon skulle kombinera frekvenskammen med dubbel-resonansspektroskopi. Det gav henne inte bara ett nytt verktyg utan också en helt ny forskningsinriktning.

Kevin Lehmann hälsade på i Umeå under ett par intensiva veckor, men det skulle dröja två långa år innan de kunde publicera sina första resultat.

– Vi mötte ett visst motstånd från de forskare som gjorde de vetenskapliga bedömningarna. Men vi såg redan i samband med den första demonstrationen att våra data var intressanta. När vi visade dem på konferenser fick vi respons från teoretiker inom rymdtillämpningar. Det gjorde att vi hamnade i ett nytt sammanhang.

Bidrar till noggranna tolkningar

Både NASA, den amerikanska myndigheten för rymdforskning och ESA, den europeiska rymdorganisationen, kommer så småningom att skicka ut nya teleskop för att undersöka exoplanetära atmosfärer med högupplöst infraröd spektroskopi.

– På sikt kommer vårt projekt att bidra till mer noggranna tolkningar och bättre förståelse av processer på avlägsna himlakroppar i atmosfären.

Text Carin Mannberg-Zackari
Bild Mattias Pettersson