In onze jacht op aardachtige planeten en buitenaards leven, we hebben duizenden exoplaneten gevonden die om andere sterren dan onze zon draaien. Het voorbehoud is dat de meeste van deze planeten zijn gedetecteerd met behulp van indirecte methoden. Vergelijkbaar met hoe een persoon niet naar iets te dicht bij de zon kan kijken, huidige telescopen kunnen potentiële aardachtige planeten niet waarnemen omdat ze te dicht bij de sterren staan ​​waar ze omheen draaien, die ongeveer 10 miljard keer helderder zijn dan de planeten die hen omringen.

Een mogelijke oplossing zou kunnen zijn om een ​​kunstmatige zonsverduistering te creëren met twee nauwkeurig gepositioneerde ruimtevaartuigen, volgens Simone D'Amico, assistent-professor luchtvaart en ruimtevaart aan Stanford en directeur van het Space Rendezvous Laboratory. Eén vaartuig – bekend als een sterrenscherm – zou zichzelf positioneren als de maan in een zonsverduistering, het licht van een verre ster blokkeren, dus een tweede ruimtevaartuig met een telescoop zou de nabijgelegen exoplaneten kunnen bekijken vanuit de schaduw die door de sterrenschaduw wordt geworpen.

"Met indirecte metingen, je kunt objecten in de buurt van een ster detecteren en hun baanperiode en afstand tot de ster berekenen, " zei D'Amico, wiens lab aan dit verduisteringssysteem werkt. "Dit is allemaal belangrijke informatie, maar met directe observatie zou je de chemische samenstelling van de planeet kunnen karakteriseren en mogelijk tekenen van biologische activiteit kunnen waarnemen - leven."

Klein gaan

Voorgestelde observatoria die aardachtige planeten in beeld kunnen brengen, vereisen een sterrenschaduw met een diameter van tientallen meters, gescheiden van de telescoop door een afstand die gelijk is aan meerdere aarddiameters, en de formatie zou buiten de baan om de aarde moeten worden ingezet. Allemaal samen, deze missie zou miljarden dollars kosten. In plaats van een dure, ongetest systeem de ruimte in, Het laboratorium van D'Amico, in samenwerking met exoplaneetexpert Bruce Macintosh, hoogleraar natuurkunde, heeft een kleinere versie van deze formatie gemaakt, kost waarschijnlijk miljoenen in plaats van miljarden. Het primaire doel van deze missie is om een ​​goedkope vluchtdemonstratie van sterrenschermtechnologie te bieden om het vertrouwen van de wetenschappelijke gemeenschap in de mogelijkheden van een grootschalig observatorium te vergroten.

"Tot dusver, er is geen missie gevlogen met de mate van verfijning die nodig zou zijn voor een van deze observatoria voor beeldvorming van exoplaneten, " zei Adam Koenig, een afgestudeerde student in het Space Rendezvous Laboratory. "Als je het hoofdkantoor vraagt ​​om een ​​paar miljard dollar om zoiets te doen, het zou ideaal zijn om te kunnen zeggen dat we dit allemaal al eens eerder hebben gevlogen. Deze is gewoon groter."

Genaamd mDOT voor geminiaturiseerde gedistribueerde occulter / telescoop, het systeem bestaat uit twee delen:een sterrenscherm met een diameter van 3 meter op een microsatelliet van 100 kilogram en een telescoop met een diameter van 10 centimeter op een nanosatelliet van 10 kilogram. De sterrenschaduw en telescoop zullen worden ingezet in een hoge baan om de aarde met een nominale afstand van minder dan 1. 000 kilometer.

De vorm van de sterrenschaduw in mDOT is gebaseerd op onderzoek door Robert Vanderbei van Princeton University, geherformuleerd door het Space Rendezvous Laboratory om te voldoen aan de beperkingen van een veel kleiner ruimtevaartuig. Bij de lancering, de sterrenkap wordt langs de zijkanten van de microsatelliet ter grootte van een vaatwasser gevouwen. Eenmaal in een baan, de sharshade ontvouwt zich in een bloemachtige vorm.

"Met deze speciale geometrische vorm, je kunt het licht rond de sterrenschaduw laten diffracten om zichzelf op te heffen, " legde Koenig uit. "Dan, je krijgt een zeer, zeer diepe schaduw midden in het midden. De schaduw is diep genoeg zodat het licht van de ster de waarnemingen van een nabije planeet niet verstoort."

Nauwkeurig, autonome navigatie

De schaduw geproduceerd door mDOT's starshade is slechts tientallen centimeters in diameter, wat betekent dat de zijdelingse positie van de telescoop ten opzichte van de sterrenkap tot op ongeveer 15 centimeter moet worden gecontroleerd.

In hun ontwerp, de onderzoekers hebben beide ruimtevaartuigen in een grote baan om de aarde laten vliegen, waarbij de sterrenschaduw de doelster verduistert op het punt van de baan dat het verst van de aarde verwijderd is - het punt waarop het ruimtevaartuig het langzaamst ten opzichte van elkaar beweegt. Na ongeveer een uur van deze strakke positionering, ze zullen de formatie laten uiteenvallen totdat het bijna tijd is voor het ruimtevaartuig om weer in de rij te staan ​​voor de volgende observatie. De onderzoekers verwachten tientallen uren observatietijd nodig te hebben om aan te tonen dat de sterrenschaduw werkt zoals bedoeld.

Door de uitdagende eisen de enige manier om mDOT te realiseren is via een autonoom systeem dat niet wordt beïnvloed door de communicatievertragingen tussen de satellieten en de missie-operators op aarde. Autonoom vliegen in formaties van ruimtevaartuigen is de onderzoeksfocus van D'Amico's Space Rendezvous Laboratory.

Nieuwe wetenschap en technologie demonstratie

De geminiaturiseerde mDOT zal geen aardachtige planeten kunnen oplossen omdat ze nog steeds te dicht bij hun moedersterren staan. Het zou kunnen, echter, ons een directe blik geven op het equivalent van Jupiter van een ander sterrenstelsel of helpen bij het karakteriseren van exozodiacale stofconcentraties rond nabije sterren, wat een prioriteit is voor NASA.

Dit is een van D'Amico's verschillende projecten gericht op een beter begrip van de aarde en het universum met behulp van precisie-formatievliegende ruimtevaartuigen. Twee huidige missies waarmee hij heeft geholpen zijn GRACE en TanDEM-X, die veranderingen in het zwaartekrachtveld en de vorm van de aarde meten, respectievelijk. Het lab werkt ook aan grotere formaties van ruimtevaartuigen die zwermen worden genoemd. Echter, gelijk aan mDOT voordat deze technologieën kunnen worden gevlogen, het is noodzakelijk om te bewijzen dat ze werken zoals verwacht met behulp van testbedden op de grond. Hiertoe, D'Amico heeft een faciliteit gebouwd die nauwkeurig de complexe en unieke verlichtingsomstandigheden repliceert waarmee sensoren in de ruimte worden geconfronteerd.

"Ik ben enthousiast over mijn onderzoeksprogramma aan Stanford omdat we belangrijke uitdagingen aangaan, " zei D'Amico. "Ik wil helpen bij het beantwoorden van fundamentele vragen en als je kijkt in alle huidige richtingen van ruimtewetenschap en verkenning - of we nu proberen exoplaneten te observeren, leer over de evolutie van het heelal, assembleer structuren in de ruimte of begrijp onze planeet - vliegen in satellietformaties is de belangrijkste factor."