JPL-missionen slår rekord for den mindste satellit til at opdage en exoplanet

Længe før den blev indsat i lavt kredsløb om Jorden fra den internationale rumstation i november 2017, det lille rumfartøj ASTERIA havde et stort mål:at bevise, at en satellit på størrelse med en dokumentmappe kunne udføre nogle af de komplekse opgaver, som langt større rumobservatorier bruger til at studere exoplaneter, eller planeter uden for vores solsystem. Et nyt papir vil snart blive offentliggjort i Astronomisk Tidsskrift beskriver, hvordan ASTERIA (forkortelse for Arcsecond Space Telescope Enabling Research in Astrophysics) ikke blot demonstrerede, at det kunne udføre disse opgaver, men gik ud over, påvisning af den kendte exoplanet 55 Cancri e.

Sinde varm og omkring dobbelt så stor som Jorden, 55 Cancri e kredser ekstremt tæt på sin sollignende moderstjerne. Forskere kendte allerede planetens placering; at lede efter det var en måde at teste ASTERIAs muligheder på. Det lille rumfartøj var oprindeligt ikke designet til at udføre videnskab; hellere, som en teknologisk demonstration, missionens mål var at udvikle nye kapaciteter til fremtidige missioner. Holdets teknologiske spring var at bygge et lille rumfartøj, der kunne udføre fin pegekontrol - i det væsentlige evnen til at forblive meget stabilt fokuseret på et objekt i lange perioder.

Baseret på NASA's Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien og ved Massachusetts Institute of Technology, missionsholdet konstruerede nye instrumenter og hardware, skubbe forbi eksisterende teknologiske barrierer for at skabe deres nyttelast. Så skulle de teste deres prototype i rummet. Selvom dens primære mission kun var 90 dage, ASTERIA modtog tre missionsforlængelser, før holdet mistede kontakten med det i december sidste år.

CubeSat brugte finpegekontrol til at detektere 55 Cancri e via transitmetoden, hvor videnskabsmænd leder efter fald i lysstyrken af ​​en stjerne forårsaget af en forbipasserende planet. Når du foretager exoplanetdetektering på denne måde, et rumfartøjs egne bevægelser eller vibrationer kan give rystelser i dataene, der kan misfortolkes som ændringer i stjernens lysstyrke. Rumfartøjet skal forblive stabilt og holde stjernen centreret i sit synsfelt. Dette giver forskerne mulighed for nøjagtigt at måle stjernens lysstyrke og identificere de små ændringer, der indikerer, at planeten har passeret foran den, blokerer noget af dets lys.

ASTERIA følger i fodsporene på en lille satellit fløjet af den canadiske rumfartsorganisation kaldet MOST (Microvariability and Oscillations of Stars), som i 2011 udførte den første transitdetektion af 55 Cancri e. MEST var omkring seks gange volumen af ​​ASTERIA - stadig utrolig lille for en astrofysisk satellit. Udstyret med et 5,9-tommer (15-centimeter) teleskop, MOST var også i stand til at opsamle seks gange så meget lys som ASTERIA, som bar 2,4-tommer (6-centimeter) teleskop. Fordi 55 Cancri e kun udelukker 0,04 % af sin værtsstjernes lys, det var et særligt udfordrende mål for ASTERIA.

"Det er spændende at opdage denne exoplanet, fordi det viser, hvordan disse nye teknologier samles i en rigtig applikation, " sagde Vanessa Bailey, hovedefterforsker for ASTERIAs exoplanet videnskabshold ved JPL. "Det faktum, at ASTERIA varede mere end 20 måneder ud over sin primære mission, giver os værdifuld ekstra tid til at lave videnskab, fremhæver den fantastiske teknik, der blev udført på JPL og MIT."

Stor bedrift

Missionen lavede det, der er kendt som en marginal detektion, hvilket betyder, at data fra transit ikke ville, på egen hånd, har overbevist videnskabsmænd om, at planeten eksisterede. (Svage signaler, der ligner en planettransit, kan være forårsaget af andre fænomener, så videnskabsmænd har en høj standard for at erklære en planetdetektion.) Men ved at sammenligne CubeSats data med tidligere observationer af planeten, holdet bekræftede, at de faktisk så 55 Cancri e. Som en teknisk demo, ASTERIA gennemgik heller ikke de typiske prælaunch-forberedelser til en videnskabsmission, hvilket betød, at holdet skulle udføre yderligere arbejde for at sikre nøjagtigheden af ​​deres detektion.

"Vi gik efter et hårdt mål med et lille teleskop, der ikke engang var optimeret til at foretage videnskabelige påvisninger - og vi fik det, selv om det kun er knap, " sagde Mary Knapp, ASTERIA-projektets videnskabsmand ved MIT's Haystack Observatory og hovedforfatter af undersøgelsen. "Jeg tror, ​​at dette papir validerer det koncept, der motiverede ASTERIA-missionen:at små rumfartøjer kan bidrage med noget til astrofysik og astronomi."

Selvom det ville være umuligt at pakke alle mulighederne i et større exoplanet-jagt rumfartøj som NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) i en CubeSat, ASTERIA-teamet forestiller sig, at disse små pakker spiller en understøttende rolle for dem. Små satellitter, med færre krav til deres tid, kunne bruges til at overvåge en stjerne i lange perioder i håb om at opdage en uopdaget planet. Eller, efter at et stort observatorium opdager en planet, der passerer sin stjerne, en lille satellit kunne se efter efterfølgende transitter, at frigøre det større teleskop til at udføre arbejde, kan mindre satellitter ikke.

Astrofysiker Sara Seager, hovedefterforsker for ASTERIA ved MIT, blev for nylig tildelt et NASA Astrophysics Science SmallSat Studies-stipendium for at udvikle et missionskoncept til en opfølgning på ASTERIA. Forslaget beskriver en konstellation af seks satellitter, der er omtrent dobbelt så store som ASTERIA, der ville søge efter exoplaneter, der ligner Jorden i størrelse omkring nærliggende sollignende stjerner.

Tænker småt

At bygge historiens mindste planetjagtsatellit, ASTERIA var ikke blot krympende hardware, der blev brugt på større rumfartøjer. I mange tilfælde, de måtte have en mere innovativ tilgang. For eksempel, MOST-satellitten brugte et kamera med en charge-coupled device (CCD) detektor, som er fælles for rumsatellitter; ASTERIEN, på den anden side, var udstyret med en komplementær metal-oxid-halvleder (CMOS) detektor - en veletableret teknologi, der typisk bruges til at foretage præcise målinger af lysstyrke i infrarødt lys, ikke synligt lys. ASTERIAs CMOS-baserede, kamera med synligt lys gav flere fordele i forhold til en CCD. En stor en:Den hjalp med at holde ASTERIA lille, fordi den fungerede ved stuetemperatur, eliminerer behovet for det store kølesystem, som en kold-operativ CCD ville kræve.

"Denne mission har mest handlet om at lære, " sagde Akshata Krishnamurthy, co-investigator og videnskabsdataanalyse co-lead for ASTERIA på JPL. "Vi har opdaget så mange ting, som fremtidige små satellitter vil kunne gøre det bedre, fordi vi først demonstrerede teknologien og mulighederne. Jeg tror, ​​vi har åbnet døre."