Er zijn meer dan 3, 900 bevestigde planeten buiten ons zonnestelsel. De meeste van hen zijn gedetecteerd vanwege hun "doorgangen" - gevallen waarin een planeet zijn ster kruist, het licht tijdelijk blokkeren. Deze dips in sterlicht kunnen astronomen iets vertellen over de grootte van een planeet en de afstand tot zijn ster.

Maar meer weten over de planeet, inclusief of het zuurstof herbergt, water, en andere tekenen van leven, vereist veel krachtiger gereedschap. Ideaal, dit zouden veel grotere telescopen in de ruimte zijn, met lichtverzamelende spiegels zo breed als die van de grootste observatoria op de grond. NASA-ingenieurs ontwikkelen nu ontwerpen voor dergelijke ruimtetelescopen van de volgende generatie, inclusief "gesegmenteerde" telescopen met meerdere kleine spiegels die kunnen worden gemonteerd of ontplooid om één zeer grote telescoop te vormen zodra ze in de ruimte zijn gelanceerd.

NASA's aankomende James Webb Space Telescope is een voorbeeld van een gesegmenteerde primaire spiegel, met een diameter van 6,5 meter en 18 zeshoekige segmenten. Ruimtetelescopen van de volgende generatie zullen naar verwachting 15 meter groot zijn, met meer dan 100 spiegelsegmenten.

Een uitdaging voor gesegmenteerde ruimtetelescopen is hoe de spiegelsegmenten stabiel te houden en gezamenlijk naar een exoplanetair systeem te wijzen. Dergelijke telescopen zouden zijn uitgerust met coronagrafen - instrumenten die gevoelig genoeg zijn om onderscheid te maken tussen het licht dat wordt afgegeven door een ster en het aanzienlijk zwakkere licht dat wordt uitgestraald door een in een baan om de aarde draaiende planeet. Maar de kleinste verschuiving in een van de onderdelen van de telescoop kan de metingen van een coronagraaf verstoren en de zuurstofmetingen verstoren. water, of andere planetaire kenmerken.

Nu stellen MIT-ingenieurs voor dat een tweede, ruimtevaartuig ter grootte van een schoenendoos uitgerust met een eenvoudige laser zou op een afstand van de grote ruimtetelescoop kunnen vliegen en fungeren als een "gidsster, " zorgen voor een stabiele, helder licht in de buurt van het doelsysteem dat de telescoop als referentiepunt in de ruimte zou kunnen gebruiken om zichzelf stabiel te houden.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in de Astronomisch tijdschrift , de onderzoekers laten zien dat het ontwerp van zo'n lasergeleidester haalbaar zou zijn met de huidige technologie. De onderzoekers zeggen dat het gebruik van het laserlicht van het tweede ruimtevaartuig om het systeem te stabiliseren de vraag naar precisie in een grote gesegmenteerde telescoop vermindert, tijd en geld besparen, en waardoor flexibelere telescoopontwerpen mogelijk zijn.

"Dit artikel suggereert dat in de toekomst, kunnen we misschien een telescoop bouwen die een beetje slapper is, iets minder intrinsiek stabiel, maar zou een heldere bron kunnen gebruiken als referentie om zijn stabiliteit te behouden, " zegt Ewan Douglas, een postdoc in het MIT's Department of Aeronautics and Astronautics en een hoofdauteur van het papier.

Het papier bevat ook Kerri Cahoy, universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT, samen met afgestudeerde studenten James Clark en Weston Marlow aan het MIT, en Jared Mannetjes, Olivier Guyon, en Jennifer Lumbres van de Universiteit van Arizona.

In het vizier

Voor meer dan een eeuw, astronomen gebruiken echte sterren als "gidsen" om telescopen op de grond te stabiliseren.

"Als onvolkomenheden in de telescoopmotor of tandwielen ervoor zorgen dat uw telescoop iets sneller of langzamer gaat, je zou je gidsster op het vizier met het oog kunnen bekijken, en houd het langzaam gecentreerd terwijl je een lange belichtingstijd nam, ' zegt Douglas.

In de jaren 1990, wetenschappers begonnen lasers op de grond te gebruiken als kunstmatige gidssterren door natrium in de bovenste atmosfeer te prikkelen, door de lasers in de lucht te richten om een ​​lichtpunt te creëren op ongeveer 40 mijl van de grond. Astronomen zouden dan een telescoop kunnen stabiliseren met behulp van deze lichtbron, die overal kon worden gegenereerd waar de astronoom de telescoop wilde richten.

"Nu breiden we dat idee uit, maar in plaats van een laser vanaf de grond de ruimte in te richten, we schijnen het vanuit de ruimte, op een telescoop in de ruimte, ", zegt Douglas. Grondtelescopen hebben geleidesterren nodig om atmosferische effecten tegen te gaan, maar ruimtetelescopen voor beeldvorming van exoplaneten moeten kleine veranderingen in de systeemtemperatuur en eventuele verstoringen als gevolg van beweging opvangen.

Het op de ruimte gebaseerde lasergidssteridee kwam voort uit een project dat werd gefinancierd door NASA. Het bureau overweegt ontwerpen voor grote, gesegmenteerde telescopen in de ruimte en gaven de onderzoekers de opdracht om manieren te vinden om de kosten van de enorme observatoria te verlagen.

"De reden dat dit nu relevant is, is dat NASA de komende jaren moet beslissen of deze grote ruimtetelescopen de komende decennia onze prioriteit zullen zijn, ', zegt Douglas. 'Die besluitvorming vindt nu plaats, net zoals de besluitvorming voor de Hubble-ruimtetelescoop plaatsvond in de jaren zestig, maar het werd pas in de jaren negentig gelanceerd.'"

Sterrenvloot

Cahoy's lab heeft lasercommunicatie ontwikkeld voor gebruik in CubeSats, Dit zijn satellieten ter grootte van een schoenendoos die kunnen worden gebouwd en gelanceerd in de ruimte tegen een fractie van de kosten van conventionele ruimtevaartuigen.

Voor deze nieuwe studie keken de onderzoekers of een laser, geïntegreerd in een CubeSat of iets grotere SmallSat, kan worden gebruikt om de stabiliteit van een grote, gesegmenteerde ruimtetelescoop gemodelleerd naar NASA's LUVOIR (voor Large UV Optical Infrared Surveyor), een conceptueel ontwerp met meerdere spiegels die in de ruimte zouden worden geassembleerd.

Onderzoekers schatten dat zo'n telescoop volkomen stil zou moeten blijven staan, binnen 10 picometers - ongeveer een kwart van de diameter van een waterstofatoom - zodat een coronagraaf aan boord nauwkeurige metingen kan doen van het licht van een planeet, afgezien van zijn ster.

"Elke storing op het ruimtevaartuig, als een kleine verandering in de hoek van de zon, of een stuk elektronica dat aan en uit gaat en de hoeveelheid warmte verandert die over het ruimtevaartuig wordt verspreid, zal een lichte uitzetting of samentrekking van de structuur veroorzaken, ', zegt Douglas. 'Als je verstoringen krijgt die groter zijn dan ongeveer 10 picometer, je begint een verandering te zien in het patroon van sterrenlicht in de telescoop, en de veranderingen betekenen dat je het sterlicht niet perfect kunt aftrekken om het gereflecteerde licht van de planeet te zien."

Het team kwam met een algemeen ontwerp voor een lasergeleidester die ver genoeg van een telescoop verwijderd zou zijn om te worden gezien als een vaste ster - op ongeveer tienduizenden mijlen afstand - en die naar achteren zou wijzen en zijn licht naar de telescoop zou sturen. spiegels, die elk het laserlicht zouden reflecteren naar een camera aan boord. Die camera zou de fase van dit gereflecteerde licht in de loop van de tijd meten. Elke verandering van 10 picometer of meer zou een compromis betekenen voor de stabiliteit van de telescoop die, actuatoren aan boord kunnen dan snel worden gecorrigeerd.

Om te zien of een dergelijk ontwerp van een lasergeleidester haalbaar zou zijn met de huidige lasertechnologie, Douglas en Cahoy werkten samen met collega's van de Universiteit van Arizona om verschillende helderheidsbronnen te bedenken, uitzoeken, bijvoorbeeld, hoe helder een laser zou moeten zijn om een ​​bepaalde hoeveelheid informatie te geven over de positie van een telescoop, of om stabiliteit te bieden met behulp van modellen van segmentstabiliteit van grote ruimtetelescopen. Vervolgens hebben ze een set bestaande laserzenders opgesteld en berekend hoe stabiel, sterk, en ver weg zou elke laser van de telescoop moeten zijn om als een betrouwbare gidsster te fungeren.

In het algemeen, ze ontdekten dat ontwerpen van lasergeleidingssterren haalbaar zijn met bestaande technologieën, en dat het systeem volledig zou passen in een SmallSat ter grootte van een kubieke voet. Douglas zegt dat een enkele gidsster mogelijk de "blik van een telescoop kan volgen, " van de ene ster naar de andere reizen terwijl de telescoop zijn waarnemingsdoelen verandert. dit zou vereisen dat het kleinere ruimtevaartuig honderdduizenden mijlen reist in combinatie met de telescoop op een afstand, terwijl de telescoop zichzelf herpositioneert om naar verschillende sterren te kijken.

In plaats daarvan, Douglas zegt dat een kleine vloot gidssterren kan worden ingezet, betaalbaar, en verspreid over de hemel, om een ​​telescoop te helpen stabiliseren terwijl deze meerdere exoplanetaire systemen onderzoekt. Cahoy wijst erop dat het recente succes van NASA's MARCO CubeSats, die de Mars Insight-lander ondersteunde als een communicatierelais, laat zien dat CubeSats met voortstuwingssystemen kunnen werken in de interplanetaire ruimte, voor langere duur en op grote afstanden.

"Nu analyseren we bestaande voortstuwingssystemen en zoeken we uit hoe we dit optimaal kunnen doen. en hoeveel ruimtevaartuigen zouden we elkaar in de ruimte willen laten springen, "zegt Douglas. "Uiteindelijk, we denken dat dit een manier is om de kosten van deze grote, gesegmenteerde ruimtetelescopen."