Stjerneskygge ville tage formationsflyvning til ekstremer

Enhver, der nogensinde har set fly involveret i formationsflyvning, kan sætte pris på bedriften ved at forblive meget synkroniseret, mens de er i luften. I arbejde sponsoreret af NASAs Exoplanet Exploration Program (ExEP), ingeniører ved Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, tager formation, der flyver til en ny yderlighed.

Deres arbejde markerer en vigtig milepæl inden for et større program for at teste gennemførligheden af ​​en teknologi kaldet en stjerneskygge. Selvom stjerneskærme aldrig har fløjet i rummet, de rummer potentialet til at muliggøre banebrydende observationer af planeter uden for vores solsystem, inklusive billeder af planeter så små som Jorden.

En fremtidig stjerneskyggemission ville involvere to rumfartøjer. Det ene ville være et rumteleskop på jagt efter planeter, der kredser om stjerner uden for vores solsystem. Det andet rumfartøj ville flyve omkring 25, 000 miles (40, 000 kilometer) foran det, bærer en stor, flad skygge. Skyggen ville udfolde sig som en blomstrende blomst - komplet med "kronblade - og blokere lyset fra en stjerne, gør det muligt for teleskopet at få et klarere glimt af alle planeter i kredsløb. Men det ville kun fungere, hvis de to rumfartøjer skulle blive, på trods af den store afstand mellem dem, justeret inden for 3 fod (1 meter) fra hinanden. Noget mere, og stjernelys ville lække rundt om stjerneskærmen ind i teleskopets udsigt og overvælde svage exoplaneter.

"De afstande, vi taler om for stjerneskyggeteknologien, er lidt svære at forestille sig, " sagde JPL-ingeniør Michael Bottom. "Hvis stjerneskærmen blev skaleret ned til størrelsen af ​​en drink-coaster, teleskopet ville være på størrelse med et viskelæder, og de ville være adskilt med omkring 100 kilometer. Forestil dig nu, at de to objekter er frit svævende i rummet. De oplever begge disse små slæb og skub fra tyngdekraften og andre kræfter, og over den afstand forsøger vi at holde dem begge præcist justeret inden for omkring 2 millimeter."

Forskere har fundet tusindvis af exoplaneter uden brug af en stjerneskærm, men i de fleste tilfælde har videnskabsmænd opdaget disse verdener indirekte. Transitmetoden, for eksempel, registrerer tilstedeværelsen af ​​en planet, når den passerer foran sin moderstjerne og forårsager et midlertidigt fald i stjernens lysstyrke. Kun i relativt få tilfælde har videnskabsmænd taget direkte billeder af exoplaneter.

Blokering af stjernelys er nøglen til at udføre mere direkte billeddannelse og, til sidst, til at udføre dybdegående undersøgelser af planetariske atmosfærer eller finde antydninger om overfladetræk i klippeverdener. Sådanne undersøgelser har potentialet til at afsløre tegn på liv hinsides Jorden for første gang.

Søger skygge

Ideen om at bruge en rumbaseret stjerneskærm til at studere exoplaneter blev oprindeligt foreslået i 1960'erne, fire årtier før opdagelsen af ​​de første exoplaneter. Og selvom evnen til at pege et enkelt rumfartøj støt mod et fjernt objekt ikke er ny, enten, at holde to rumfartøjer på linje med hinanden mod et baggrundsobjekt repræsenterer en anden slags udfordring.

Forskere, der arbejder på ExEPs Starshade Technology Development, kendt som S5, har fået til opgave af NASA at udvikle stjerneskyggeteknologi til mulige fremtidige rumteleskopmissioner. S5-teamet adresserer tre teknologihuller, der skal lukkes, før en stjerneskyggemission kan være klar til at gå til rummet.

Arbejdet udført af Bottom og andre JPL-ingeniør Thibault Flinois lukker et af disse huller ved at bekræfte, at ingeniører realistisk kunne producere en stjerneskyggemission, der opfyldte disse strenge krav til "formation sensing and control". Deres resultater er beskrevet i S5 Milestone 4-rapporten, tilgængelig på ExEPs hjemmeside.

Kom i formation

De nærmere specifikationer for en bestemt stjerneskyggemission - inklusive den nøjagtige afstand mellem de to rumfartøjer og størrelsen af ​​skyggen - vil afhænge af teleskopets størrelse. S5 Milestone 4-rapporten så primært på et adskillelsesområde på mellem 12, 500 til 25, 000 miles (20, 000 til 40, 000 kilometer), med en skærm 85 fod (26 meter) i diameter. Disse parametre ville fungere for en mission på størrelse med NASA's Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), et teleskop med et primært spejl på 2,4 meter i diameter, der skal lanceres i midten af ​​2020'erne.

WFIRST vil bære en anden stjernelysblokerende teknologi, kaldet en koronagraf, der sidder inde i teleskopet og tilbyder sine egne unikke styrker i studiet af exoplaneter. Denne teknologidemonstration vil være den første stjernekoronagraf med høj kontrast, der går ud i rummet, gør det muligt for WFIRST direkte at afbilde gigantiske exoplaneter, der ligner Neptun og Jupiter.

Starshade- og coronagraph-teknologier fungerer separat, men Bottom testede en teknik, hvormed WFIRST kunne detektere, når en hypotetisk stjerneskygge drev subtilt ud af justering. En lille mængde stjernelys ville uundgåeligt bøje sig rundt om stjerneskærmen og danne et lys-og-mørke mønster på forsiden af ​​teleskopet. Teleskopet ville se mønsteret ved at bruge et pupilkamera, som kan afbilde fronten af ​​teleskopet indefra - svarende til at fotografere en forrude inde fra en bil.

Tidligere stjerneskyggeundersøgelser havde overvejet denne tilgang, men Bottom gjorde det til virkelighed ved at bygge et computerprogram, der kunne genkende, hvornår lys- og mørkemønsteret var centreret på teleskopet, og hvornår det var drevet væk fra midten. Bottom fandt ud af, at teknikken fungerer særdeles godt som en måde at detektere stjerneskærmens bevægelse.

"Vi kan mærke en ændring i stjerneskærmens position ned til en tomme, selv over disse enorme afstande, " sagde bunden.

Men at opdage, når stjerneskyggen er ude af justering, er et helt andet forslag end at holde den på linje. Til det formål, Flinois og hans kolleger udviklede et sæt algoritmer, der bruger information fra Bottoms program til at bestemme, hvornår stjerneskygge-thrusterne skulle skyde for at skubbe den tilbage på plads. The algorithms were created to autonomously keep the starshade aligned with the telescope for days at a time.

Combined with Bottom's work, this shows that keeping the two spacecraft aligned is feasible using automated sensors and thruster controls. Faktisk, the work by Bottom and Flinois demonstrates that engineers could reasonably meet the alignment demands of an even larger starshade (in conjunction with a larger telescope), positioned up to 46, 000 miles (74, 000 kilometers) from the telescope.

"With such an unusually large range of scales at play here, it can be very counterintuitive that this would be possible at first glance, " Flinois said.

A starshade project has not yet been approved for flight, but one could potentially join WFIRST in space in the late 2020s. Meeting the formation-flying requirement is just one step toward demonstrating that the project is feasible.

"This to me is a fine example of how space technology becomes ever more extraordinary by building upon its prior successes, " said Phil Willems, manager of NASA's Starshade Technology Development activity. "We use formation flying in space every time a capsule docks at the International Space Station. But Michael and Thibault have gone far beyond that, and shown a way to maintain formation over scales larger than Earth itself."