NASA har vänt många huvud under de senaste åren tack vare sitt New Worlds Mission-koncept - aka. Starshade. Bestående av ett jätteblommformat ockulter är detta föreslagna rymdfarkoster avsett att användas vid ett rymmeteleskop (troligen James Webb rymdteleskop). Den blockerar sedan bländningen från avlägsna stjärnor och skapar en konstgjord förmörkelse för att göra det lättare att upptäcka och studera planeter som kretsar kring dem.
Det enda problemet är att detta koncept förväntas kosta ett ganska öre - uppskattningsvis 750 miljoner till 3 miljarder dollar vid denna tidpunkt! Därför föreslår Stanford-professor Simone D’Amico (med hjälp av exoplanetsexpert Bruce Macintosh) en nedskalad version av konceptet för att demonstrera dess effektivitet. Känd som mDot gör denna ockulterare samma jobb, men till en bråkdel av kostnaden.
Syftet bakom ett ockulter är enkelt. Vid jakt efter exoplaneter tvingas astronomer att främst förlita sig på indirekta metoder - den vanligaste är Transitmetoden. Detta involverar övervakning av stjärnor för dips i ljusstyrka, som tillskrivs planeter som passerar mellan dem och observatören. Genom att mäta hastigheten och frekvensen för dessa dopp kan astronomer bestämma storleken på exoplaneter och deras omloppsperioder.
Som Simone D’Amico, vars laboratorium arbetar med detta förmörkelsessystem, förklarade i ett pressmeddelande från Stanford University:
”Med indirekta mätningar kan du upptäcka föremål nära en stjärna och räkna ut deras omloppsperiod och avstånd från stjärnan. Det här är all viktig information, men med direkt observation kan du karakterisera den kemiska sammansättningen av planeten och potentiellt observera tecken på biologisk aktivitet - liv. "
Men denna metod lider också av en betydande mängd falska positiva effekter och kräver generellt att en del av planetens bana korsar en siktlinje mellan värdstjärnan och jorden. Att studera själva exoplaneterna är också ganska svårt, eftersom ljuset som kommer från stjärnan sannolikt kommer att vara flera miljarder gånger ljusare än ljuset som reflekteras från planeten.
Förmågan att studera detta reflekterade ljus är av särskilt intresse, eftersom det skulle ge värdefulla data om exoplaneternas atmosfärer. Som sådan utvecklas flera nyckelteknologier för att blockera stjärnornas störande ljus. Ett rymdskepp utrustat med en ockulterare är en sådan teknik. I kombination med ett rymdteleskop skulle detta rymdskepp skapa en konstgjord förmörkelse framför stjärnan så att objekt runt det (dvs exoplaneter) tydligt kan ses.
Men utöver de betydande kostnaderna för att bygga en, är det också frågan om storlek och distribution. För att ett sådant uppdrag ska fungera, måste själva ockulteraren vara ungefär storleken på en baseballdiamant - 27,5 meter (90 fot) i diameter. Det skulle också behöva separeras från teleskopet med ett avstånd lika med flera jorddiametrar och skulle behöva distribueras bortom jordens bana. Allt detta lägger till ett ganska dyrt uppdrag!
Som sådan samarbetade D'Amico - en biträdande professor och chefen för Space Rendezvous Laboratory (SRL) vid Stanford - och och Bruce Macintosh (en Stanford-professor i fysik) för att skapa en mindre version som kallas Miniaturized Distribuerad Ockuktor / Teleskop ( MDOT). Det primära syftet med mDOT är att tillhandahålla en billig flygdemonstration av tekniken i hopp om att öka förtroendet för ett fullskaligt uppdrag.
Som Adam Koenig, en forskarstuderande med SRL, förklarade:
”Hittills har det inte funnits något uppdrag med den grad av förfining som skulle krävas för ett av dessa observationsorgan för exoplanetavbildning. När du ber högkvarter för några miljarder dollar för att göra något liknande så vore det perfekt att kunna säga att vi redan har flyttat allt detta förut. Den här är bara större. ”
Består av två delar, mDOT-systemet drar nytta av den senaste utvecklingen inom miniaturisering och liten satellit (smallsat) teknik. Den första är en 100 kg mikrosatellit som är utrustad med en 3-meter stor stjärnskärm. Den andra är en 10 kg nanosatellit som bär ett teleskop med en diameter på 10 cm (3,937 tum). Båda komponenterna kommer att distribueras i en hög jordbana med en nominell avskiljning på mindre än 1 000 kilometer (621 mi).
Med hjälp av kollegor från SRL omformades formen på mDOTs stjärnskärm så att den passar begränsningarna i ett mycket mindre rymdskepp. Som Koenig förklarade kommer denna nedskalade och specialdesignade stjärnskärm att kunna göra samma jobb som den storskaliga, blommformade versionen - och med en budget!
"Med denna speciella geometriska form kan du få ljuset att brytas runt stjärnorna för att avbryta sig själv," sade han. ”Då får du en mycket, mycket djup skugga mitt i mitten. Skuggan är tillräckligt djup för att ljuset från stjärnan inte kommer att störa observationer av en närliggande planet. "
Eftersom skuggan som skapats av mDOTs stjärnskärm bara är tiotals centimeter i diameter kommer nanosatelliten att göra en noggrann manövrering för att hålla sig inom den. För detta ändamål designade D’Amico och SRL också ett autonomt system för nanosatelliten, vilket skulle göra det möjligt för den att genomföra formationsmanövrer med stjärnskärmen, bryta formationen när det behövs och rendezvous med den igen senare.
En olycklig begränsning av tekniken är det faktum att den inte kommer att kunna lösa jordliknande planeter. Speciellt när det gäller stjärnor av M-typ (röd dvärg) är dessa planeter troligen omloppsbana för nära sina moderstjärnor för att observeras tydligt. Men det kommer att kunna lösa gasjättar med stor storlek på Jupiter och hjälpa till att karakterisera exozodiacal dammkoncentrationer runt stjärnor i närheten - som båda är prioriteringar för NASA.
Under tiden kommer D’Amico och hans kollegor att använda Testbed för Rendezvous och Optical Navigation (TRON) för att testa deras mDOT-koncept. Denna anläggning är speciellt byggd av D’Amico för att replikera de typer av komplexa och unika belysningsförhållanden som sensorer i rymden stöter på. Under de kommande åren kommer han och hans team att arbeta för att säkerställa att systemet fungerar innan en eventuell prototyp skapas.
Som D’Amico sa om arbetet han och hans kollegor på SNL utför:
”Jag är entusiastisk över mitt forskningsprogram på Stanford eftersom vi tar itu med viktiga utmaningar. Jag vill hjälpa till med att svara på grundläggande frågor och om du tittar i alla aktuella riktningar för rymdvetenskap och utforskning - oavsett om vi försöker observera exoplaneter, lära oss om universumets utveckling, montera strukturer i rymden eller förstå vår planet - satellitbildning- flygning är den viktigaste möjliggöraren. ”
Andra projekt som D’Amico och SNL för närvarande engagerar sig i är att utveckla större formationer av små rymdskepp (alias ”svärmsatelliter”). Tidigare har D'Amico också samarbetat med NASA om sådana projekt som GRACE - ett uppdrag som kartlade variationer i jordens tyngdkraftsfält som en del av NASA Earth System Science Pathfinder (ESSP) -programmet - och TanDEM-X, ett SEA-sponsrat uppdrag som gav 3D-kartor över jorden.
Dessa och andra projekt som syftar till att utnyttja miniatyrisering för rymdutforskningen lovar en ny era av lägre kostnader och större tillgänglighet. Med applikationer som sträcker sig från svärmar av små forsknings- och kommunikationssatelliter till nanokraft som kan göra resan till Alpha Centauri i relativistiska hastigheter (Breakthrough Starshot) ser rymdets framtid ganska lovande ut!
Se till att kolla in den här videon av TRON-anläggningen också, med tillstånd av Standford University:
