Exoplanetenjagers hebben duizenden planeten gevonden, die het meest dicht bij hun gaststerren cirkelen, maar er zijn relatief weinig buitenaardse werelden ontdekt die vrij door de melkweg zweven als zogenaamde schurkenplaneten, niet aan een ster gebonden. Veel astronomen geloven dat deze planeten vaker voorkomen dan we weten, maar dat onze planeetvindingstechnieken niet in staat waren om ze te lokaliseren.

De meeste exoplaneten die tot nu toe zijn ontdekt, zijn gevonden omdat ze lichte dalingen veroorzaken in het waargenomen licht van hun gastheersterren wanneer ze vanuit ons gezichtspunt over de schijf van de ster passeren. Deze gebeurtenissen worden transits genoemd.

NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope zal een onderzoek uitvoeren om nog veel meer exoplaneten te ontdekken met behulp van krachtige technieken die beschikbaar zijn voor een groothoektelescoop. De sterren in ons Melkwegstelsel bewegen, en toevallige uitlijningen kunnen ons helpen bij het vinden van malafide planeten. Wanneer een vrij zwevende planeet precies uitgelijnd is met een verre ster, hierdoor kan de ster helderder worden. Tijdens dergelijke evenementen, de zwaartekracht van de planeet fungeert als een lens die het licht van de achtergrondster kort vergroot. Hoewel Roman via deze techniek schurkenplaneten kan vinden, zwaartekracht microlensing genoemd, er is één nadeel:de afstand tot de lensplaneet is slecht bekend.

Goddard-wetenschapper Dr. Richard K. Barry ontwikkelt een missieconcept genaamd de Contemporaneous LEnsing Parallax and Autonomous TRansient Assay (CLEoPATRA) om parallax-effecten te benutten om deze afstanden te berekenen. Parallax is de schijnbare verschuiving in de positie van een object op de voorgrond zoals waargenomen door waarnemers op enigszins verschillende locaties. Onze hersenen maken gebruik van de enigszins verschillende gezichtspunten van onze ogen, zodat we ook diepte kunnen zien. Astronomen in de 19e eeuw bepaalden voor het eerst de afstanden tot nabije sterren met hetzelfde effect, meten hoe hun posities verschoven ten opzichte van achtergrondsterren in foto's die werden genomen toen de aarde aan weerszijden van zijn baan was.

Het werkt een beetje anders met microlensing, waar de schijnbare uitlijning van de planeet en de verre achtergrondster sterk afhangt van de positie van de waarnemer. In dit geval, twee goed gescheiden waarnemers, elk uitgerust met een nauwkeurige klok, zou getuige zijn van dezelfde microlens-gebeurtenis op enigszins verschillende tijdstippen. Door de tijdsvertraging tussen de twee detecties kunnen wetenschappers de afstand van de planeet bepalen.

Om het parallax-effect te maximaliseren, CLEOPATRA zou meeliften op een Mars-gebonden missie die rond dezelfde tijd wordt gelanceerd als Roman, momenteel gepland voor eind 2025. Dat zou het in zijn eigen baan rond de zon plaatsen die voldoende afstand van de aarde zou bereiken om het microlens-parallaxsignaal effectief te meten en deze ontbrekende informatie in te vullen.

Het CLEoPATRA-concept zou ook het PRIme-focus Infrared Microlensing Experiment (PRIME) ondersteunen, een op de grond gebaseerde telescoop die momenteel wordt uitgerust met een camera die gebruik maakt van vier detectoren die zijn ontwikkeld door de Romeinse missie. Massaschattingen voor microlensing-planeten gedetecteerd door zowel Roman als PRIME zullen aanzienlijk worden verbeterd door gelijktijdige parallax-waarnemingen door CLEoPATRA.

"CLEOPATRA zou op grote afstand van het belangrijkste observatorium zijn, ofwel Romeins of een telescoop op aarde, Barry zei. "Het parallaxsignaal zou ons dan in staat moeten stellen om vrij nauwkeurige massa's voor deze objecten te berekenen, waardoor het wetenschappelijk rendement toeneemt."

Stela Ishitani Silva, een onderzoeksassistent bij Goddard en Ph.D. student aan de Katholieke Universiteit van Amerika in Washington, zei dat het begrijpen van deze vrij zwevende planeten zal helpen om enkele van de hiaten in onze kennis over hoe planeten ontstaan ​​op te vullen.

"We willen meerdere vrij zwevende planeten vinden en proberen informatie te krijgen over hun massa's, zodat we kunnen begrijpen wat gebruikelijk of helemaal niet gebruikelijk is, "Zei Ishitani Silva. "Het verkrijgen van de massa is belangrijk om hun planetaire ontwikkeling te begrijpen."

Om deze planeten efficiënt te vinden, Cleopatra, die begin augustus een Mission Planning Laboratory-studie bij Wallops Flight Facility voltooide, kunstmatige intelligentie zal gebruiken. Dr. Greg Olmschenk, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Barry, heeft een AI ontwikkeld genaamd RApid Machine Learned Triage (RAMjET) voor de missie.

"Ik werk met bepaalde soorten kunstmatige intelligentie, neurale netwerken genaamd, "Zei Olmschenk. "Het is een soort kunstmatige intelligentie die door voorbeelden leert. Dus, je geeft het een aantal voorbeelden van wat je wilt vinden, en wat je wilt dat het eruit filtert, en dan leert het patronen in die gegevens te herkennen om te proberen de dingen te vinden die je wilt houden en de dingen die je wilt weggooien."

Eventueel, de AI leert wat het moet identificeren en stuurt alleen belangrijke informatie terug. Bij het filteren van deze informatie, RAMjET zal CLEOPATRA helpen een extreem beperkte datatransmissiesnelheid te overwinnen. CLEOPATRA zal elk uur miljoenen sterren moeten bekijken, en er is geen manier om al die gegevens naar de aarde te sturen. Daarom, het ruimtevaartuig moet de gegevens aan boord analyseren en alleen de metingen terugsturen voor bronnen die het detecteert als microlens-gebeurtenissen.

"CLEoPATRA zal ons in staat stellen om vele zeer nauwkeurige massa's te schatten voor nieuwe planeten die zijn gedetecteerd door Roman en PRIME, "Zei Barry. "En het kan ons in staat stellen om voor het eerst de werkelijke massa van een vrij zwevende planeet vast te leggen of te schatten - nog nooit eerder gedaan. Zo cool, en zo spannend. Werkelijk, het is nu een nieuwe gouden eeuw voor astronomie, en ik heb er gewoon heel veel zin in."