in 2021, een ruimtevaartuig ter grootte van een Cheerios-doos zal een kleine telescoop in een baan om de aarde brengen op een ongebruikelijke missie. Zijn taak is om de uitbarstingen en zonnevlekken van kleine sterren te volgen om te beoordelen hoe bewoonbaar de ruimteomgeving is voor planeten die eromheen draaien.

Het ruimtevaartuig, bekend als de Star-Planet Activity Research CubeSat, of kortweg SPARCS, is een nieuwe door NASA gefinancierde ruimtetelescoop. De missie, inclusief ontwerp van ruimtevaartuigen, integratie en de daaruit voortvloeiende wetenschap, wordt geleid door de School of Earth and Space Exploration (SESE) van de Arizona State University.

"Dit is een missie naar het grensgebied van astrofysica en astrobiologie, " zei Evgenya Shkolnik, assistent-professor in SESE en hoofdonderzoeker van de SPARCS-missie. "We gaan de bewoonbaarheid en de energierijke omgeving rond sterren bestuderen die we M-dwergen noemen."

Ze kondigde de missie op 10 januari aan, 2018, tijdens de 231e bijeenkomst van de American Astronomical Society, in Washington, gelijkstroom

De sterren waar SPARCS op zal focussen zijn klein, zwak, en koel in vergelijking met de zon. Met minder dan de helft van de grootte en temperatuur van de zon, ze schitteren met amper één procent zijn helderheid.

De keuze van doelsterren voor SPARCS lijkt misschien contra-intuïtief. Als astronomen op zoek zijn naar exoplaneten in bewoonbare omgevingen, waarom zou je je druk maken om sterren die zo anders zijn dan de zon? Een antwoord ligt in de cijfers.

Om te beginnen met, M-dwergen komen buitengewoon vaak voor. Ze vormen driekwart van alle sterren in ons Melkwegstelsel, meer dan zonachtige sterren 20 tegen 1.

Astronomen hebben ontdekt dat in wezen om elke M-dwergster minstens één planeet draait, en ongeveer één op de vier systemen heeft een rotsachtige planeet in de bewoonbare zone van de ster. Dit is de potentieel levensvriendelijke regio waar de temperaturen niet te warm of te koud zijn voor het leven zoals wij dat kennen, en vloeibaar water zou kunnen bestaan ​​op het oppervlak van de planeet.

Omdat M-dwergen zo talrijk zijn, astronomen schatten dat onze melkweg alleen al ongeveer 40 miljard bevat - dat is miljard met een B - rotsachtige planeten in bewoonbare zones rond hun sterren. Dit betekent dat de meeste planeten in de bewoonbare zone in onze melkweg om M-dwergen draaien. In feite, de dichtstbijzijnde, genaamd Proxima b, ligt op slechts 4,2 lichtjaar afstand, die in astronomische termen voor de deur staat.

Dus als astronomen de omgeving van exoplaneten beginnen te verkennen die in de bewoonbare zones van andere sterren wonen, M-dwergsterren komen groot voor bij het zoeken.

De polsslag van actieve sterren opnemen

Volgens Shkolnik, terwijl M-dwergsterren klein en koel zijn, ze zijn actiever dan de zon, met fakkels en andere uitbarstingen die krachtige straling in de ruimte om hen heen schieten. Maar niemand weet precies hoe actief deze kleine sterren zijn. Tijdens zijn eenjarige nominale missie, SPARCS zal wekenlang naar doelsterren staren in de hoop de puzzel op te lossen.

Het hart van het SPARCS-ruimtevaartuig wordt een telescoop met een diameter van 9 centimeter, of 3,6 inch, plus een camera met twee ultraviolet-gevoelige detectoren die worden ontwikkeld door NASA's Jet Propulsion Laboratory. Zowel de telescoop als de camera worden geoptimaliseerd voor waarnemingen met ultraviolet licht, die een sterke invloed heeft op de atmosfeer van de planeet en haar potentieel om leven op het oppervlak te herbergen.

"Mensen hebben M-dwergen zo goed mogelijk gevolgd in zichtbaar licht. Maar de sterkste uitbarstingen van de sterren komen voornamelijk voor in het ultraviolet, die de atmosfeer van de aarde grotendeels blokkeert, ' zei Shkolnik.

Hoewel de in een baan om de aarde draaiende Hubble-ruimtetelescoop ongehinderd sterren op ultraviolette golflengten kan bekijken, zijn overvolle observatieschema zou hem in staat stellen slechts de kortste inspanningen aan M-dwergen te wijden.

"Hubble geeft ons in korte tijd veel details over een paar sterren. Maar om hun activiteit te begrijpen, moeten we lang naar veel sterren kijken in plaats van snapshots van een paar, ' zei Shkolnik.

Door langdurige observaties van M-dwergen vast te leggen, kunnen astronomen bestuderen hoe stellaire activiteit de planeten beïnvloedt die rond de ster draaien.

"Niet alleen zijn M-dwergen actiever dan de zon als ze oud zijn, ze blijven langer actief, "Zei Shkolnik. "Tegen de tijd dat het 10 miljoen jaar oud was, de zon was veel minder actief geworden en is sindsdien gestaag afgenomen. Maar M-dwergen kunnen 300 tot 600 miljoen jaar actief blijven, met enkele van de kleinste M-sterren die vaak in wezen voor altijd opflakkeren."

Bouw lokaal, vlieg wereldwijd

SPARCS zal in de voetsporen treden van andere ruimte-instrumenten en sondes afkomstig van SESE. De OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer (OTES) is al onderweg naar asteroïde Bennu (aankomst in augustus 2018).

In de pijplijn zitten de Phoenix CubeSat (gebouwd door een volledig studententeam om de lokale klimaateffecten van steden op aarde te bestuderen), LunaH-Map (om maanwaterstof te meten als een proxy voor water), het Europa Thermal Emission Imaging System (om temperatuurafwijkingen op Jupiters maan Europa te zoeken), de Lucy Thermal Emission Spectrometer (om oppervlakte-eigenschappen te meten onder Jupiter's familie van trojaanse asteroïden), en Psyche, een missie om een ​​asteroïde volledig van nikkel en ijzer te bestuderen.

Zoals LunaH-Map, SPARCS is een CubeSat opgebouwd uit zes kubusvormige eenheden, elk ongeveer vier centimeter aan een kant. Deze worden samengevoegd tot een ruimtevaartuig van twee eenheden breed en drie lang in wat een 6U-ruimtevaartuig wordt genoemd. Zonne-energiepanelen strekken zich uit als vleugels aan het ene uiteinde.

"In grootte en vorm, SPARCS lijkt het meest op een gezinsdoos met Cheerios, ' zei Shkolnik.

Het ruimtevaartuig zal drie belangrijke systemen bevatten:de telescoop, de camera, en de operationele en wetenschappelijke software. Samen met Shkolnik, SESE-astronomen Paul Scowen, Daniël Jacobs, en Judd Bowman zal toezicht houden op de ontwikkeling van de telescoop en camera, plus de software en de systeemtechniek om het allemaal samen te brengen.

De telescoop maakt gebruik van een spiegelsysteem met coatings die zijn geoptimaliseerd voor ultraviolet licht. Samen met de camera, het systeem kan zeer kleine veranderingen in de helderheid van M-dwergsterren meten om de primaire wetenschap van de missie uit te voeren. Het instrument zal worden getest en gekalibreerd bij ASU ter voorbereiding op de vlucht voordat het in de rest van het ruimtevaartuig wordt geïntegreerd.

"We hebben beperkte radiocommunicatie met SPARCS, dus we zijn van plan om heel wat gegevensverwerking aan boord te doen met behulp van de centrale computer, "zei Jacobs. "We zullen die software hier bij ASU schrijven, met behulp van een prototype van het ruimtevaartuig en de camera om onze code te testen."

Na de lancering, Jacobs zei dat het team wetenschappelijke operaties zal doen bij ASU, verbinding maken met SPARCS via een wereldwijd grondstationnetwerk.

Een belangrijk onderdeel van het missieplan, Shkolnik zei, is om afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten in verschillende rollen te betrekken. Dit geeft hen opleidings- en opleidingsmogelijkheden om toekomstige ingenieurs te worden, wetenschappers, en missieleiders.

"Het snelle ontwikkelingstempo - van lab tot lancering kan maar een paar jaar zijn - werkt goed met de tijdschema's van studenten, "Zei Shkolnik. "Ze kunnen eraan werken, begin tot einde, in de tijd dat ze hier bij ASU zijn."

Klein pakket, grote wetenschap

Bij ASU in de SPARCS-missie zijn wetenschappers van de Universiteit van Washington, de Universiteit van Arizona, Lowell-observatorium, het SouthWest Research Institute, en NASA's Jet Propulsion Laboratory.

"De SPARCS-missie zal laten zien hoe, met de juiste technologie, kleine ruimtetelescopen kunnen grote wetenschappelijke vragen beantwoorden, ' zei Shkolnik.

Waaronder, ze zei, "Hoe waarschijnlijk is het dat wij mensen alleen in het universum zijn? Waar moeten we naar bewoonbare planeten zoeken? En kunnen we een nieuw en vruchtbaarder begrip vinden van wat een exoplaneetsysteem bewoonbaar maakt?"