NASA w ostatnich latach zwróciła wiele głów dzięki koncepcji New Worlds Mission - aka. Gwiezdny cień. Składający się z gigantycznego okultera w kształcie kwiatu, ten proponowany statek kosmiczny jest przeznaczony do rozmieszczenia obok teleskopu kosmicznego (najprawdopodobniej Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba). Następnie zablokuje blask odległych gwiazd, tworząc sztuczne zaćmienie, aby ułatwić wykrywanie i badanie planet krążących wokół nich.
Jedyny problem polega na tym, że ta koncepcja powinna kosztować całkiem grosza - szacuje się na 750–3 mld USD w tym momencie! Dlatego profesor Stanford Simone D’Amico (z pomocą eksperta egzoplanet Bruce Macintosh) proponuje pomniejszoną wersję tej koncepcji, aby zademonstrować jej skuteczność. Znany jako mDot, ten okulter wykona tę samą pracę, ale za ułamek kosztów.
Cel kryjówki jest prosty. Podczas polowania na egzoplanety astronomowie zmuszeni są polegać głównie na metodach pośrednich - najczęściej są to metody tranzytowe. Obejmuje to monitorowanie gwiazd pod kątem spadków jasności, które są przypisywane planetom przechodzącym między nimi a obserwatorem. Mierząc częstotliwość i częstotliwość tych spadków astronomowie są w stanie określić rozmiary egzoplanet i ich okresy orbitalne.
Jak wyjaśniła Simone D’Amico, której laboratorium pracuje nad tym systemem zaćmienia, w oświadczeniu prasowym Uniwersytetu Stanforda:
„Dzięki pomiarom pośrednim możesz wykrywać obiekty w pobliżu gwiazdy i obliczać okres ich orbity oraz odległość od gwiazdy. To wszystkie ważne informacje, ale dzięki bezpośredniej obserwacji można scharakteryzować skład chemiczny planety i potencjalnie zaobserwować oznaki aktywności biologicznej - życia. ”
Jednak ta metoda ma również znaczny odsetek fałszywych trafień i generalnie wymaga, aby część orbity planety przecięła linię widzenia między gwiazdą macierzystą a Ziemią. Badanie samych egzoplanet jest również dość trudne, ponieważ światło pochodzące z gwiazdy prawdopodobnie będzie kilka miliardów razy jaśniejsze niż światło odbite od planety.
Możliwość badania tego odbitego światła jest szczególnie interesująca, ponieważ dostarczyłby cennych danych na temat atmosfery egzoplanet. W związku z tym opracowywanych jest kilka kluczowych technologii blokujących zakłócające światło gwiazd. Statek kosmiczny wyposażony w okulter jest jedną z takich technologii. W połączeniu z teleskopem kosmicznym, ten statek kosmiczny stworzyłby sztuczne zaćmienie przed gwiazdą, aby obiekty wokół niej (tj. Egzoplanety) były wyraźnie widoczne.
Ale oprócz znacznych kosztów budowy jednego, istnieje również kwestia rozmiaru i wdrożenia. Aby taka misja zadziałała, sam okulter musiałby mieć rozmiar diamentowego diamentu - 27,5 metra (90 stóp) średnicy. Musiałby także zostać oddzielony od teleskopu na odległość równą wielu średnicom Ziemi i musiałby zostać rozmieszczony poza orbitą Ziemi. Wszystko to składa się na dość kosztowną misję!
W związku z tym D'Amico - profesor nadzwyczajny i kierownik Space Rendezvous Laboratory (SRL) w Stanford - oraz Bruce Macintosh (profesor fizyki w Stanford) połączyli siły, aby stworzyć mniejszą wersję o nazwie Miniaturized Distributed Occulter / Telescope ( mDOT). Głównym celem mDOT jest zapewnienie niedrogiej demonstracji technologii w locie, w nadziei na zwiększenie zaufania do misji na pełną skalę.
Jak wyjaśnił Adam Koenig, doktorant z SRL:
„Jak dotąd nie powierzono żadnej misji o stopniu zaawansowania wymaganym dla jednego z tych obserwatoriów obrazowania egzoplanet. Gdy poprosisz centralę o kilka miliardów dolarów na zrobienie czegoś takiego, byłoby idealnie, gdybyśmy mogli powiedzieć, że już to wszystko przelecieliśmy. Ten jest po prostu większy. ”
Składający się z dwóch części system mDOT wykorzystuje najnowsze osiągnięcia w dziedzinie miniaturyzacji i technologii małych satelitów (smallsat). Pierwszym z nich jest mikrosatelita o wadze 100 kg, który jest wyposażony w gwiazdozbiór o średnicy 3 metrów. Drugi to 10 kg nanosatelita, który przenosi teleskop o średnicy 10 cm (3,937 cala). Oba komponenty zostaną rozmieszczone na wysokiej orbicie Ziemi z nominalnym odstępem mniejszym niż 1000 kilometrów (621 mil).
Z pomocą kolegów z SRL kształt gwiazdy w mDOT został przeformułowany, aby pasował do ograniczeń znacznie mniejszego statku kosmicznego. Jak wyjaśnił Koenig, ten pomniejszony i specjalnie zaprojektowany gwiezdny cień będzie w stanie wykonać tę samą pracę, co wersja na dużą skalę w kształcie kwiatu - i przy ograniczonym budżecie!
„Dzięki temu specjalnemu geometrycznemu kształtowi możesz rozproszyć światło wokół cienia gwiazd, aby się skasować” - powiedział. „Następnie masz bardzo, bardzo głęboki cień w samym środku. Cień jest na tyle głęboki, że światło gwiazdy nie zakłóca obserwacji pobliskiej planety ”.
Ponieważ jednak cień utworzony przez gwiezdny cień mDOT ma tylko kilkadziesiąt centymetrów średnicy, nanosatelita wykona pewne staranne manewry, aby pozostać w nim. W tym celu D’Amico i SRL zaprojektowały również autonomiczny system dla nanosatelity, który pozwoliłby mu wykonywać manewry formowania za pomocą cienia gwiazd, przerywać formowanie w razie potrzeby i ponownie spotkać się z nim później.
Niefortunnym ograniczeniem tej technologii jest fakt, że nie będzie ona w stanie rozwiązać planet podobnych do Ziemi. Zwłaszcza jeśli chodzi o gwiazdy typu M (czerwony karzeł), planety te prawdopodobnie będą krążyć zbyt blisko swoich gwiazd macierzystych, aby można je było wyraźnie obserwować. Będzie jednak w stanie rozwiązać olbrzymie gazowe rozmiary Jowisza i pomóc scharakteryzować stężenia egzozodiacalnego pyłu wokół pobliskich gwiazd - oba z nich są priorytetami dla NASA.
W międzyczasie D’Amico i jego koledzy będą używać Testbed for Rendezvous and Optical Navigation (TRON) do testowania swojej koncepcji mDOT. Obiekt ten został specjalnie zbudowany przez D’Amico w celu odtworzenia rodzajów złożonych i unikalnych warunków oświetleniowych spotykanych przez czujniki w kosmosie. W nadchodzących latach on i jego zespół będą pracować, aby upewnić się, że system działa, zanim stworzy się ostateczny prototyp.
Jak powiedział D’Amico o pracy, którą wykonuje on i jego koledzy z SNL:
„Jestem entuzjastycznie nastawiony do mojego programu badawczego w Stanford, ponieważ stawiamy czoła ważnym wyzwaniom. Chcę pomóc odpowiedzieć na podstawowe pytania, a jeśli spojrzysz we wszystkie obecne kierunki kosmonautyki i eksploracji - czy staramy się obserwować egzoplanety, dowiadujemy się o ewolucji wszechświata, montujemy struktury w przestrzeni lub rozumiemy naszą planetę - formowanie satelitów - latanie jest kluczowym czynnikiem umożliwiającym ”.
Inne projekty, w które obecnie zaangażowani są D’Amico i SNL, obejmują tworzenie większych formacji małych statków kosmicznych (inaczej „satelity roju”). W przeszłości D'Amico współpracowało również z NASA przy takich projektach, jak GRACE - misja, która mapowała zmiany w polu grawitacyjnym Ziemi w ramach programu NASA Earth System Science Pathfinder (ESSP) - oraz TanDEM-X, sponsorowany przez SEA misja, która dała mapy 3D Ziemi.
Te i inne projekty, które mają na celu wykorzystanie miniaturyzacji w celu eksploracji przestrzeni kosmicznej, obiecują nową erę niższych kosztów i większej dostępności. Dzięki zastosowaniom od roju małych satelitów badawczych i komunikacyjnych po nanokraft zdolny do podróży do Alpha Centauri z relatywistycznymi prędkościami (przełom Starshot), przyszłość kosmosu wygląda całkiem obiecująco!
Koniecznie obejrzyj też ten film z obiektu TRON, dzięki uprzejmości Standford University:
