NASA har vendt mange hoveder i de senere år takket være sin New Worlds Mission-koncept - aka. Starshade. Denne foreslåede rumfartøj består af en kæmpe blomsterformet okkulter og er beregnet til at blive indsat ved siden af et rumteleskop (sandsynligvis James Webb-rumteleskopet). Den blokerer derefter blænden fra fjerne stjerner og skaber en kunstig formørkelse for at gøre det lettere at opdage og studere planeter, der kredser omkring dem.
Det eneste problem er, at dette koncept forventes at koste en smuk krone - anslået $ 750 millioner til $ 3 milliarder på dette tidspunkt! Derfor foreslår Stanford-professor Simone D’Amico (med hjælp fra eksoplanet-ekspert Bruce Macintosh) en nedskaleret version af konceptet for at demonstrere dets effektivitet. Kendt som mDot vil denne okkulte gøre det samme job, men til en brøkdel af prisen.
Formålet bag en okkulter er enkelt. Når man jager efter exoplaneter, er astronomer tvunget til at stole overvejende på indirekte metoder - den mest almindelige er transitmetoden. Dette involverer overvågning af stjerner for dips i lysstyrke, som tilskrives planeter, der passerer mellem dem og observatøren. Ved at måle hastigheden og hyppigheden af disse dips er astronomer i stand til at bestemme størrelserne på exoplaneter og deres orbitalperioder.
Som Simone D’Amico, hvis laboratorium arbejder på dette formørkelsessystem, forklarede i en pressemeddelelse fra Stanford University:
”Med indirekte målinger kan du registrere genstande i nærheden af en stjerne og finde ud af deres baneperiode og afstand fra stjernen. Alt dette er vigtig information, men med direkte observation kan du karakterisere planets kemiske sammensætning og potentielt observere tegn på biologisk aktivitet - liv. ”
Imidlertid lider denne metode også af en betydelig mængde af falske positiver og kræver generelt, at en del af planetens bane skærer en synslinje mellem værtsstjernen og Jorden. At studere selve exoplaneterne er også ret vanskeligt, da lyset fra stjerne sandsynligvis vil være flere milliarder gange lysere end lyset, der reflekteres fra planeten.
Evnen til at studere dette reflekterede lys er af særlig interesse, da det ville give værdifulde data om eksoplaneternes atmosfærer. Som sådan udvikles adskillige nøgleteknologier til at blokere for forstyrrende lys fra stjerner. Et rumfartøj udstyret med en okkulter er en sådan teknologi. Parret med et rumteleskop vil dette rumfartøj skabe en kunstig formørkelse foran stjernen, så genstande omkring det (dvs. eksoplaneter) kan ses tydeligt.
Men ud over de betydelige omkostninger ved at bygge en, er der også spørgsmålet om størrelse og implementering. For at en sådan mission skal fungere, ville okkulteringen i sig selv være på størrelse med en baseballdiamant - 27,5 meter (90 fod) i diameter. Det skulle også være adskilt fra teleskopet med en afstand, der er lig med flere jorddiametre, og det ville være nødvendigt at blive indsat ud over Jordens bane. Alt dette tilføjer en temmelig dyr mission!
Som sådan samarbejdede D'Amico - en adjunkt og lederen af Space Rendezvous Laboratory (SRL) i Stanford - og og Bruce Macintosh (en Stanford-professor i fysik) for at skabe en mindre version kaldet Miniaturized Distribuerede okkupator / teleskop ( MDOT). Det primære formål med mDOT er at tilvejebringe en billig fly-demonstration af teknologien i håb om at øge tilliden til en fuldskala-mission.
Som Adam Koenig, en kandidatstuderende med SRL, forklarede:
”Indtil videre har der ikke været nogen mission flyvet med den grad af raffinement, der ville være påkrævet for en af disse observationsorganer til afbildning af exoplanet. Når du beder hovedkvarteret om et par milliarder dollars om at gøre noget som dette, ville det være ideelt at kunne sige, at vi allerede har flyvet alt dette før. Denne er bare større. ”
Består af to dele, mDOT-systemet drager fordel af den nylige udvikling inden for miniaturisering og lille satellit (smallsat) teknologi. Den første er en 100 kg mikrosatellit, der er udstyret med en stjerneskærm med en diameter på 3 meter. Den anden er en 10 kg nanosatellit, der bærer et teleskop, der måler 10 cm (3,937 in) i diameter. Begge komponenter vil blive indsat i en høj jordbane med en nominel adskillelse på mindre end 1.000 kilometer (621 mi).
Med hjælp fra kolleger fra SRL blev formen på mDOTs stjerneskygge omformuleret til at passe til begrænsningerne i et meget mindre rumfartøj. Som Koenig forklarede, vil denne nedskalerede og specialdesignede stjerneskygge være i stand til at gøre det samme job som den store blomsterformede version - og på et budget!
”Med denne specielle geometriske form kan du få lyset til at afbryde rundt om stjerneskyggen til at annullere sig selv,” sagde han. ”Derefter får du en meget, meget dyb skygge midt i midten. Skyggen er dyb nok til, at lyset fra stjernen ikke forstyrrer observationer af en nærliggende planet. ”
Da skyggen, der er skabt af mDOTs stjerneskygge, kun er ti-centimeter i diameter, vil nanosatelliten imidlertid have en vis omhu at manøvreres for at forblive inden for den. Til dette formål designede D’Amico og SRL også et autonomt system til nanosatelliten, som ville gøre det muligt for den at udføre formationsmanøvrer med stjerneskyggen, bryde dannelse efter behov og møde med den igen senere.
En uheldig begrænsning af teknologien er det faktum, at det ikke vil være i stand til at løse jordlignende planeter. Især når det drejer sig om M-type (rød dværg) stjerner, er disse planeter sandsynligvis i kredsløb for tæt på deres forældre til, at de kan observeres tydeligt. Imidlertid vil det være i stand til at løse gasgiganter i Jupiter-størrelse og hjælpe med at karakterisere eksozodiacalt støvkoncentration omkring stjerner i nærheden - som begge er prioriteter for NASA.
I mellemtiden bruger D’Amico og hans kolleger Testbed for Rendezvous og Optical Navigation (TRON) til at teste deres mDOT-koncept. Denne facilitet blev specielt bygget af D’Amico til at gentage de typer komplekse og unikke lysforhold, som sensorer i rummet støder på. I de kommende år vil han og hans team arbejde for at sikre, at systemet fungerer, inden der oprettes en eventuel prototype.
Som D’Amico sagde om det arbejde, han og hans kolleger i SNL udfører:
”Jeg er begejstret for mit forskningsprogram i Stanford, fordi vi tager fat på vigtige udfordringer. Jeg vil hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål, og hvis du kigger i al nuværende retning for rumvidenskab og efterforskning - uanset om vi prøver at observere eksoplaneter, lære om universets udvikling, samle strukturer i rummet eller forstå vores planet - satellitdannelse- at flyve er nøglen til at aktivere. ”
Andre projekter, som D’Amico og SNL i øjeblikket er involveret i, inkluderer udvikling af større formationer af lille rumfartøj (også kaldet ”sværmssatellitter”). Tidligere har D'Amico også samarbejdet med NASA om projekter som GRACE - en mission, der kortlagde variationer i Jordens tyngdekraftfelt som en del af NASA Earth System Science Pathfinder (ESSP) -programmet - og TanDEM-X, et SEA-sponsoreret mission, der gav 3D-kort over Jorden.
Disse og andre projekter, der søger at udnytte miniatyrisering med henblik på rumforskning, lover en ny æra med lavere omkostninger og større tilgængelighed. Med applikationer, der spænder fra sværme af bittesmå forsknings- og kommunikationssatellitter til nanocraft, der er i stand til at gøre rejsen til Alpha Centauri i relativistiske hastigheder (Breakthrough Starshot), ser fremtidens plads ret lovende ud!
Sørg for også at tjekke denne video af TRON-anlægget, takket være Standford University:
