Små satellitter kunne være ledestjerner for store næste generations teleskoper

Der er mere end 3, 900 bekræftede planeter uden for vores solsystem. De fleste af dem er blevet opdaget på grund af deres "transit" - tilfælde hvor en planet krydser sin stjerne, midlertidigt blokerer dets lys. Disse dyk i stjernelys kan fortælle astronomerne lidt om en planets størrelse og dens afstand fra dens stjerne.

Men at vide mere om planeten, herunder om det rummer ilt, vand, og andre livstegn, kræver langt mere kraftfulde værktøjer. Ideelt set, disse ville være meget større teleskoper i rummet, med lyssamlende spejle så brede som de største jordobservatorier. NASA-ingeniører udvikler nu design til sådanne næste generations rumteleskoper, inklusive "segmenterede" teleskoper med flere små spejle, der kunne samles eller foldes ud for at danne et meget stort teleskop, når det først blev sendt ud i rummet.

NASAs kommende James Webb-rumteleskop er et eksempel på et segmenteret primærspejl, med en diameter på 6,5 meter og 18 sekskantede segmenter. Næste generations rumteleskoper forventes at blive så store som 15 meter, med over 100 spejlsegmenter.

En udfordring for segmenterede rumteleskoper er, hvordan man holder spejlsegmenterne stabile og peger samlet mod et exoplanetarisk system. Sådanne teleskoper ville være udstyret med koronagrafer - instrumenter, der er følsomme nok til at skelne mellem lyset fra en stjerne og det betydeligt svagere lys, der udsendes af en planet i kredsløb. Men det mindste skift i nogen af ​​teleskopets dele kunne afbryde en koronagrafs målinger og forstyrre målinger af ilt, vand, eller andre planetariske træk.

Nu foreslår MIT-ingeniører, at en anden, rumfartøj i skoæskestørrelse udstyret med en simpel laser kunne flyve i afstand fra det store rumteleskop og fungere som en "guidestjerne, "giver en stabil, stærkt lys nær målsystemet, som teleskopet kunne bruge som referencepunkt i rummet for at holde sig stabilt.

I et papir offentliggjort i dag i Astronomisk Tidsskrift , forskerne viser, at designet af en sådan laserstyrestjerne ville være muligt med nutidens eksisterende teknologi. Forskerne siger, at brugen af ​​laserlyset fra det andet rumfartøj til at stabilisere systemet aflaster kravet om præcision i et stort segmenteret teleskop, sparer tid og penge, og giver mulighed for mere fleksible teleskopdesigns.

"Dette papir foreslår, at i fremtiden, vi kan måske bygge et teleskop, der er lidt mere diskret, lidt mindre iboende stabil, men kunne bruge en lyskilde som reference for at bevare dens stabilitet, " siger Ewan Douglas, en postdoc i MIT's Department of Aeronautics and Astronautics og en hovedforfatter på papiret.

Avisen inkluderer også Kerri Cahoy, lektor i luftfart og astronautik ved MIT, sammen med kandidatstuderende James Clark og Weston Marlow ved MIT, og Jared Males, Olivier Guyon, og Jennifer Lumbres fra University of Arizona.

I trådkorset

I over et århundrede, astronomer har brugt faktiske stjerner som "guider" til at stabilisere jordbaserede teleskoper.

"Hvis ufuldkommenheder i teleskopets motor eller gear fik dit teleskop til at spore lidt hurtigere eller langsommere, du kunne se din guide stjerne på et trådkors med øjet, og langsomt holde det centreret, mens du tog en lang eksponering, " siger Douglas.

I 1990'erne, videnskabsmænd begyndte at bruge lasere på jorden som kunstige ledestjerner ved at ophidse natrium i den øvre atmosfære, peger laserne mod himlen for at skabe et lyspunkt omkring 40 miles fra jorden. Astronomer kunne derefter stabilisere et teleskop ved hjælp af denne lyskilde, som kunne genereres overalt, hvor astronomen ønskede at pege teleskopet.

"Nu udvider vi den idé, men i stedet for at pege en laser fra jorden ud i rummet, vi skinner det fra rummet, på et teleskop i rummet, " siger Douglas. Jordteleskoper har brug for ledestjerner for at modvirke atmosfæriske effekter, men rumteleskoper til exoplanetbilleddannelse skal imødegå små ændringer i systemtemperaturen og eventuelle forstyrrelser på grund af bevægelse.

Den rumbaserede laserguide-stjerneidé opstod i et projekt, der blev finansieret af NASA. Bureauet har overvejet design til store, segmenterede teleskoper i rummet og gav forskerne til opgave at finde måder at nedbringe omkostningerne ved de massive observatorier.

"Grunden til, at dette er relevant nu, er, at NASA i de næste par år skal beslutte, om disse store rumteleskoper vil være vores prioritet i de næste par årtier, " siger Douglas. "Den beslutningstagning sker nu, ligesom beslutningstagningen for Hubble-rumteleskopet skete i 1960'erne, men den blev først lanceret i 1990'erne."

Stjerneflåde

Cahoys laboratorium har udviklet laserkommunikation til brug i CubeSats, som er satellitter i skoæskestørrelse, der kan bygges og opsendes ud i rummet til en brøkdel af prisen for konventionelle rumfartøjer.

Til denne nye undersøgelse, forskerne så på, om en laser, integreret i en CubeSat eller lidt større SmallSat, kunne bruges til at opretholde stabiliteten af ​​en stor, segmenteret rumteleskop modelleret efter NASAs LUVOIR (til Large UV Optical Infrared Surveyor), et konceptuelt design, der inkluderer flere spejle, der ville blive samlet i rummet.

Forskere har vurderet, at et sådant teleskop skal forblive helt stille, inden for 10 picometers - omkring en fjerdedel af et brintatoms diameter - for at en indbygget koronagraf kan tage nøjagtige målinger af en planets lys, bortset fra dens stjerne.

"Enhver forstyrrelse på rumfartøjet, som en lille ændring i solens vinkel, eller et stykke elektronik, der tænder og slukker og ændrer mængden af ​​varme, der spredes over rumfartøjet, vil forårsage let udvidelse eller sammentrækning af strukturen, " siger Douglas. "Hvis du får forstyrrelser større end omkring 10 picometer, du begynder at se en ændring i mønsteret af stjernelys inde i teleskopet, og ændringerne betyder, at du ikke perfekt kan trække stjernelyset fra for at se planetens reflekterede lys."

Holdet kom med et generelt design til en laserguidestjerne, der ville være langt nok væk fra et teleskop til at blive set som en fiksstjerne - omkring titusindvis af miles væk - og som ville pege tilbage og sende sit lys mod teleskopets spejle, hver af dem ville reflektere laserlyset mod et indbygget kamera. Det kamera ville måle fasen af ​​dette reflekterede lys over tid. Enhver ændring på 10 picometer eller mere ville signalere et kompromis med teleskopets stabilitet, aktuatorer ombord kunne derefter hurtigt rette.

For at se om et sådant laserguidestjernedesign ville være muligt med nutidens laserteknologi, Douglas og Cahoy arbejdede sammen med kolleger ved University of Arizona for at finde på forskellige lysstyrkekilder, at finde ud af, for eksempel, hvor lysstærk en laser skal være for at give en vis mængde information om et teleskops position, eller at give stabilitet ved hjælp af modeller af segmentstabilitet fra store rumteleskoper. De tegnede derefter et sæt eksisterende lasersendere og beregnede, hvor stabile, stærk, og langt væk skulle hver laser være fra teleskopet for at fungere som en pålidelig ledestjerne.

Generelt, de fandt ud af, at laserguidestjernedesign er mulige med eksisterende teknologier, og at systemet kunne passe helt ind i en SmallSat på størrelse med en kubikfod. Douglas siger, at en enkelt ledestjerne kunne tænkes at følge et teleskops "blik, " rejser fra den ene stjerne til den næste, når teleskopet skifter sine observationsmål. dette ville kræve, at det mindre rumfartøj rejser hundredtusindvis af miles parret med teleskopet på afstand, når teleskopet flytter sig til at se på forskellige stjerner.

I stedet, Douglas siger, at en lille flåde af ledestjerner kunne blive indsat, overkommelig, og spredt ud over himlen, at hjælpe med at stabilisere et teleskop, da det overvåger flere exoplanetariske systemer. Cahoy påpeger, at den nylige succes med NASAs MARCO CubeSats, som understøttede Mars Insight-landeren som et kommunikationsrelæ, demonstrerer, at CubeSats med fremdriftssystemer kan arbejde i interplanetarisk rum, til længere varighed og på store afstande.

"Nu analyserer vi eksisterende fremdriftssystemer og finder ud af den optimale måde at gøre dette på, og hvor mange rumfartøjer vil vi have, der springer over hinanden i rummet, " siger Douglas. "I sidste ende, vi mener, at dette er en måde at nedbringe omkostningerne ved disse store, segmenterede rumteleskoper."