Astronomer bygger et rumteleskop for at udforske nærliggende stjerner

I 2021, et rumfartøj på størrelse med en Cheerios-boks vil bære et lille teleskop i kredsløb om Jorden på en usædvanlig mission. Dens opgave er at overvåge udbrud og solpletter fra små stjerner for at vurdere, hvor beboeligt rummiljøet er for planeter, der kredser om dem.

Rumfartøjet, kendt som Star-Planet Activity Research CubeSat, eller SPARCS for kort, er et nyt NASA-finansieret rumteleskop. Missionen, inklusive design af rumfartøjer, integration og resulterende videnskab, ledes af Arizona State University's School of Earth and Space Exploration (SESE).

"Dette er en mission til grænselandet for astrofysik og astrobiologi, " sagde Evgenya Shkolnik, adjunkt i SESE og hovedefterforsker for SPARCS-missionen. "Vi vil studere beboeligheden og højenergimiljøet omkring stjerner, som vi kalder M-dværge."

Hun annoncerede missionen 10. januar, 2018, ved det 231. møde i American Astronomical Society, i Washington, D.C.

Stjernerne som SPARCS vil fokusere på er små, svag, og køligt i forhold til solen. Har mindre end halvdelen af ​​solens størrelse og temperatur, de skinner med knap en procent af dens lysstyrke.

Valget af målstjerner for SPARCS kan virke kontraintuitivt. Hvis astronomer leder efter exoplaneter i beboelige miljøer, hvorfor bøvle med stjerner, der er så forskellige fra solen? Et svar ligger i tallene.

Til at begynde med, M-dværge er overordentlig almindelige. De udgør tre fjerdedele af alle stjernerne i vores Mælkevejs galakse, flere sollignende stjerner 20 til 1.

Astronomer har opdaget, at i det væsentlige hver M-dværgstjerne har mindst én planet, der kredser om den, og omkring et ud af fire system har en stenet planet placeret i stjernens beboelige zone. Dette er den potentielt livsvenlige region, hvor temperaturerne hverken er for varme eller for kolde til livet, som vi kender det, og flydende vand kunne eksistere på planetens overflade.

Fordi M-dværge er så mange, astronomer anslår, at vores galakse alene indeholder omkring 40 milliarder – det er milliarder med en B – klippeplaneter i beboelige zoner omkring deres stjerner. Det betyder, at de fleste af planeterne i den beboelige zone i vores galakse kredser om M-dværge. Faktisk, den nærmeste, døbt Proxima b, ligger kun 4,2 lysår væk, som er lige uden for døren i astronomisk henseende.

Så da astronomer begynder at udforske miljøet af exoplaneter, der bor i andre stjerners beboelige zoner, M dværgstjerner er store i søgningen.

Tager pulsen på aktive stjerner

Ifølge Shkolnik, mens M dværgstjerner er små og kølige, de er mere aktive end solen, med blus og andre udbrud, der skyder kraftig stråling ud i rummet omkring dem. Men ingen ved præcis, hvor aktive disse små stjerner er. Over sin etårige nominelle mission, SPARCS vil stirre på målstjerner i uger ad gangen i håb om at løse gåden.

Hjertet i SPARCS-rumfartøjet vil være et teleskop med en diameter på 9 centimeter, eller 3,6 tommer, plus et kamera med to ultraviolet-følsomme detektorer, der skal udvikles af NASAs Jet Propulsion Laboratory. Både teleskopet og kameraet vil være optimeret til observationer ved hjælp af ultraviolet lys, som i høj grad påvirker planetens atmosfære og dens potentiale til at rumme liv på overfladen.

"Folk har overvåget M-dværge, så godt de kan i synligt lys. Men stjernernes stærkeste udbrud forekommer primært i ultraviolet, som Jordens atmosfære for det meste blokerer for, " sagde Shkolnik.

Selvom det kredsende Hubble-rumteleskop kan se stjerner ved ultraviolette bølgelængder uhindret, dens overfyldte observationsplan ville lade den kun dedikere den korteste indsats til M dværge.

"Hubble giver os masser af detaljer om nogle få stjerner over kort tid. Men for at forstå deres aktivitet har vi brug for lange kig på mange stjerner i stedet for øjebliksbilleder af nogle få, sagde Shkolnik.

At fange lange observationer af M-dværge vil lade astronomer studere, hvordan stjerneaktivitet påvirker planeter, der kredser om stjernen.

"M-dværge er ikke kun mere aktive end solen, når de er gamle, de forbliver mere aktive i længere tid, " sagde Shkolnik. "Da den var 10 millioner år gammel, solen var blevet meget mindre aktiv, og den har været støt faldende lige siden. Men M-dværge kan forblive aktive i 300 til 600 millioner år, med nogle af de mindste M-stjerner, der ofte blusser stort set for evigt."

Byg lokalt, flyve globalt

SPARCS vil følge i fodsporene på andre ruminstrumenter og sonder, der stammer fra SESE. Allerede på vej til asteroiden Bennu (ankomst august 2018) er OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer (OTES).

I pipelinen er Phoenix CubeSat (bygget af et hold bestående af studerende til at studere de lokale klimaeffekter af byer på Jorden), LunaH-Map (til at måle månens brint som en proxy for vand), Europa Thermal Emission Imaging System (for at søge temperaturanomalier på Jupiters måne Europa), Lucy Thermal Emission Spectrometer (til at måle overfladeegenskaber blandt Jupiters familie af trojanske asteroider), og Psyche, en mission for at studere en asteroide udelukkende lavet af nikkel og jern.

Ligesom LunaH-Map, SPARCS er en CubeSat bygget af seks kubiske enheder, hver omkring fire tommer på en side. Disse er forbundet for at gøre et rumfartøj to enheder bredt og tre langt i det, der kaldes et 6U-rumfartøj. Solcellepaneler strækker sig som vinger fra den ene ende.

"I størrelse og form, SPARCS minder mest om en æske i familiestørrelse med Cheerios, " sagde Shkolnik.

Rumfartøjet vil indeholde tre store systemer - teleskopet, kameraet, og den operationelle og videnskabelige software. Sammen med Shkolnik, SESE astronomer Paul Scowen, Daniel Jacobs, og Judd Bowman vil overvåge udviklingen af ​​teleskopet og kameraet, plus softwaren og systemudviklingen til at samle det hele.

Teleskopet bruger et spejlsystem med belægninger optimeret til ultraviolet lys. Sammen med kameraet, systemet kan måle meget små ændringer i lysstyrken af ​​M dværgstjerner for at udføre missionens primære videnskab. Instrumentet vil blive testet og kalibreret på ASU som forberedelse til flyvning, inden det bliver integreret i resten af ​​rumfartøjet.

"Vi vil have begrænset radiokommunikation med SPARCS, så vi planlægger at lave en del databehandling om bord ved hjælp af den centrale computer, " sagde Jacobs. "Vi vil skrive den software her på ASU, ved at bruge en prototype af rumfartøjet og kameraet til at teste vores kode."

Efter lanceringen, Jacobs sagde, at holdet vil udføre videnskabelige operationer på ASU, tilslutning til SPARCS via et globalt jordstationsnetværk.

En vigtig del af missionsplanen, Shkolnik sagde, er at involvere kandidat- og bachelorstuderende i forskellige roller. Dette vil give dem uddannelses- og træningsmuligheder for at blive fremtidige ingeniører, videnskabsmænd, og missionsledere.

"Det hurtige udviklingstempo - fra laboratorium til lancering kan være så kort som et par år - fungerer godt med elevernes tidsskalaer, " sagde Shkolnik. "De kan arbejde på det, begynde til slut, i den tid, de er her på ASU."

Lille pakke, stor videnskab

Forskere fra University of Washington slutter sig til ASU i SPARCS-missionen, University of Arizona, Lowell Observatory, SouthWest Research Institute, og NASA's Jet Propulsion Laboratory.

"SPARCS-missionen vil vise, hvordan med den rigtige teknologi, små rumteleskoper kan besvare store videnskabelige spørgsmål, " sagde Shkolnik.

Disse omfatter, hun sagde, "Hvor sandsynligt er det, at vi mennesker er alene i universet? Hvor skal vi lede efter beboelige planeter? Og kan vi finde en ny og mere frugtbar forståelse af, hvad der gør et exoplanetsystem beboeligt?"