En kunstig formørkelse til afbildning af ekstrasolare planeter

I vores jagt på jordlignende planeter og udenjordisk liv, vi har fundet tusindvis af exoplaneter, der kredser om andre stjerner end vores sol. Forbeholdet er, at de fleste af disse planeter er blevet opdaget ved hjælp af indirekte metoder. På samme måde som en person ikke kan se noget for tæt på solen, nuværende teleskoper kan ikke observere potentielle jordlignende planeter, fordi de er for tæt på de stjerner, de kredser om, som er omkring 10 milliarder gange lysere end de planeter, der omgiver dem.

En mulig løsning kunne være at skabe en kunstig solformørkelse med to præcist placerede rumfartøjer, ifølge Simone D'Amico, assisterende professor i aeronautik og astronautik ved Stanford og direktør for Space Rendezvous Laboratory. Et fartøj - kendt som en stjerneskærm - ville placere sig som månen i en solformørkelse, blokerer lyset fra en fjern stjerne, så et andet rumfartøj med et teleskop kunne se de nærliggende exoplaneter inde fra skyggen af ​​stjerneskyggen.

"Med indirekte målinger, du kan opdage objekter i nærheden af ​​en stjerne og finde ud af deres omløbsperiode og afstand fra stjernen, " sagde D'Amico, hvis laboratorium arbejder på dette formørkelsessystem. "Dette er alt sammen vigtig information, men med direkte observation kunne du karakterisere planetens kemiske sammensætning og potentielt observere tegn på biologisk aktivitet - liv."

Bliver små

Foreslåede observatorier, der er i stand til at afbilde jordlignende planeter, kræver en stjerneskærm på ti meter i diameter adskilt fra teleskopet med en afstand svarende til flere jorddiametre, og formationen skulle udplaceres ud over Jordens kredsløb. Alt i alt, denne mission ville koste milliarder af dollars. I stedet for at sende en dyr, uprøvet system ud i rummet, D'Amicos laboratorium, i samarbejde med exoplanetekspert Bruce Macintosh, professor i fysik, har lavet en mindre version af denne formation, sandsynligvis vil koste millioner snarere end milliarder. Det primære formål med denne mission er at give en lavprisflyvningsdemonstration af stjerneskyggeteknologi for at øge det videnskabelige samfunds tillid til et fuldskala-observatoriums muligheder.

"Indtil nu, der har ikke været nogen mission fløjet med den grad af sofistikering, der ville være påkrævet for et af disse exoplanetbilledobservatorier, " sagde Adam Koenig, en kandidatstuderende i Space Rendezvous Laboratory. "Når du beder hovedkvarteret om et par milliarder dollars for at gøre sådan noget, det ville være ideelt at kunne sige, at vi allerede har fløjet alt dette før. Den her er bare større."

Kaldet mDOT for miniaturiseret distribueret occulter/teleskop, systemet omfatter to dele:en stjerneskærm med en diameter på 3 meter på en 100 kilogram mikrosatellit og et teleskop med en diameter på 10 centimeter på en 10 kilogram nanosatellit. Stjerneskærmen og teleskopet vil blive indsat i høj kredsløb om Jorden med en nominel adskillelse på mindre end 1, 000 kilometer.

Formen af ​​stjerneskærmen i mDOT er baseret på forskning af Robert Vanderbei fra Princeton University, omformuleret af Space Rendezvous Laboratory for at passe til begrænsningerne for et meget mindre rumfartøj. Ved lanceringen, stjerneskærmen vil blive foldet langs siderne af mikrosatellitten i opvaskemaskine. En gang i kredsløb, shaden vil folde sig ud i en blomsterlignende form.

"Med denne specielle geometriske form, du kan få lyset til at diffraktere omkring stjerneskærmen for at ophæve sig selv, " forklarede Koenig. "Så, du får en meget, meget dyb skygge lige i midten. Skyggen er dyb nok til, at lyset fra stjernen ikke vil forstyrre observationer af en nærliggende planet."

Nøjagtig, autonom navigation

Skyggen produceret af mDOTs stjerneskærm er kun ti centimeter i diameter, hvilket betyder, at teleskopets sideposition i forhold til stjerneskærmen skal kontrolleres til omkring 15 centimeter.

I deres design, forskerne får begge rumfartøjer til at flyve i en stor bane med stjerneskærmen, der formørker målstjernen på det punkt af kredsløbet, der er længst fra Jorden – det punkt, hvor rumskibene bevæger sig langsomst i forhold til hinanden. Efter omkring en time med denne stramme positionering, de vil tillade formationen at bryde op, indtil det næsten er tid for rumfartøjet at stille op igen til næste observation. Forskerne forventer, at de skal bruge titusvis af timers observationstid for at demonstrere, at stjerneskærmen fungerer efter hensigten.

På grund af de udfordrende krav, den eneste måde at realisere mDOT på er gennem et autonomt system, der ikke er påvirket af kommunikationsforsinkelserne mellem satellitterne og missionsoperatørerne på Jorden. Autonom rumfartøjsformationsflyvning er forskningsfokus for D'Amicos Space Rendezvous Laboratory.

Ny videnskab og teknologi demonstration

Den miniaturiserede mDOT vil ikke være i stand til at opløse jordlignende planeter, fordi de stadig er for tæt på deres moderstjerner. Det kunne, imidlertid, giv os et direkte indblik i et andet stjernesystems ækvivalent til Jupiter eller hjælp med at karakterisere eksozodiakale støvkoncentrationer omkring nærliggende stjerner, som er en prioritet for NASA.

Dette er et af D'Amicos adskillige projekter, der fokuserer på bedre forståelse af Jorden og universet ved hjælp af præcisions-formationsflyvende rumfartøjer. To aktuelle missioner han hjalp med er GRACE og TanDEM-X, som måler ændringer i Jordens tyngdefelt og form, henholdsvis. Laboratoriet arbejder også på større formationer af rumfartøjer kaldet sværme. Imidlertid, ligner mDOT, før disse teknologier kan flyves, det er nødvendigt at bevise, at de fungerer som forventet ved at bruge testbeds på jorden. Til denne ende, D'Amico har bygget et anlæg, der præcist gentager de komplekse og unikke belysningsforhold, som sensorer møder i rummet.

"Jeg er begejstret for mit forskningsprogram på Stanford, fordi vi tackler vigtige udfordringer, " sagde D'Amico. "Jeg vil gerne hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål, og hvis du ser i alle aktuelle retninger af rumvidenskab og udforskning - om vi forsøger at observere exoplaneter, lære om universets udvikling, Saml strukturer i rummet eller forstå vores planet - satellitformationsflyvning er den vigtigste muliggører."