Iedereen die ooit vliegtuigen in formatie heeft zien vliegen, kan de prestatie waarderen om tijdens de lucht zeer gesynchroniseerd te blijven. In werk gesponsord door NASA's Exoplanet Exploration Program (ExEP), ingenieurs van het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, nemen formatievliegen naar een nieuw uiterste.

Hun werk markeert een belangrijke mijlpaal binnen een groter programma om de haalbaarheid te testen van een technologie die een sterrenscherm wordt genoemd. Hoewel sterrenschaduwen nog nooit in de ruimte hebben gevlogen, ze hebben het potentieel om baanbrekende observaties van planeten buiten ons zonnestelsel mogelijk te maken, inclusief foto's van planeten zo klein als de aarde.

Bij een toekomstige Starshade-missie zouden twee ruimtevaartuigen betrokken zijn. Een daarvan zou een ruimtetelescoop zijn die op jacht is naar planeten die rond sterren buiten ons zonnestelsel draaien. Het andere ruimtevaartuig zou zo'n 25 vliegen, 000 mijl (40, 000 kilometer) ervoor, het dragen van een grote, vlakke schaduw. De schaduw zou zich ontvouwen als een bloeiende bloem - compleet met "bloemblaadjes - en het licht van een ster blokkeren, waardoor de telescoop een duidelijker glimp kan opvangen van planeten die in een baan om de aarde draaien. Maar het zou alleen werken als de twee ruimtevaartuigen zouden blijven, ondanks de grote afstand tussen hen, uitgelijnd binnen 1 meter (3 voet) van elkaar. nog meer, en sterlicht zou rond de sterrenschaduw in het zicht van de telescoop lekken en zwakke exoplaneten overweldigen.

"De afstanden waar we het over hebben voor de sterrenschermtechnologie zijn moeilijk voor te stellen, "Zei JPL-ingenieur Michael Bottom. "Als de sterrenschaduw zou worden verkleind tot de grootte van een onderzetter, de telescoop zou zo groot zijn als een potloodwisser en ze zouden ongeveer 100 kilometer van elkaar verwijderd zijn. Stel je nu voor dat die twee objecten vrij in de ruimte zweven. Ze ervaren allebei deze kleine trekjes en duwtjes van de zwaartekracht en andere krachten, en over die afstand proberen we ze allebei precies uitgelijnd te houden tot op ongeveer 2 millimeter."

Onderzoekers hebben duizenden exoplaneten gevonden zonder het gebruik van een sterrenscherm, maar in de meeste gevallen hebben wetenschappers deze werelden indirect ontdekt. De transitmethode, bijvoorbeeld, detecteert de aanwezigheid van een planeet terwijl deze voor zijn moederster passeert en veroorzaakt een tijdelijke daling van de helderheid van de ster. Slechts in relatief weinig gevallen hebben wetenschappers directe beelden van exoplaneten gemaakt.

Het blokkeren van sterrenlicht is de sleutel tot het uitvoeren van meer directe beeldvorming en, eventueel, tot het uitvoeren van diepgaande studies van planetaire atmosferen of het vinden van hints over de oppervlaktekenmerken van rotsachtige werelden. Dergelijke studies hebben het potentieel om voor het eerst tekenen van leven buiten de aarde te onthullen.

Op zoek naar schaduw

Het idee om een ​​op de ruimte gebaseerde sterrenschaduw te gebruiken om exoplaneten te bestuderen, werd aanvankelijk voorgesteld in de jaren zestig, vier decennia voor de ontdekking van de eerste exoplaneten. En hoewel de mogelijkheid om een ​​enkel ruimtevaartuig gestaag op een ver object te richten niet nieuw is, of, twee ruimtevaartuigen op één lijn houden met een achtergrondobject vormt een ander soort uitdaging.

Onderzoekers die werken aan ExEP's Starshade Technology Development, bekend als S5, zijn door NASA belast met het ontwikkelen van sterrenschermtechnologie voor mogelijke toekomstige ruimtetelescoopmissies. Het S5-team lost drie technologische hiaten op die moeten worden gedicht voordat een Starshade-missie klaar kan zijn om naar de ruimte te gaan.

Het werk van Bottom en collega JPL-ingenieur Thibault Flinois dicht een van die lacunes door te bevestigen dat ingenieurs een realistische sterrenschaduwmissie kunnen produceren die voldoet aan deze strenge eisen voor "formatiedetectie en -controle". Hun resultaten worden beschreven in het S5 Milestone 4-rapport, beschikbaar op de ExEP-website.

Kom in formatie

De bijzonderheden van een bepaalde Starshade-missie - inclusief de exacte afstand tussen de twee ruimtevaartuigen en de grootte van de schaduw - zouden afhangen van de grootte van de telescoop. In het S5 Milestone 4-rapport werd voornamelijk gekeken naar een scheidingsbereik tussen 12, 500 tot 25, 000 mijl (20, 000 tot 40, 000 kilometer), met een kap van 26 meter in diameter. Deze parameters zouden werken voor een missie ter grootte van NASA's Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), een telescoop met een primaire spiegel met een diameter van 2,4 meter die medio 2020 wordt gelanceerd.

WFIRST zal een andere technologie voor het blokkeren van sterrenlicht dragen, een coronagraaf genoemd, die in de telescoop zit en zijn eigen unieke sterke punten biedt in de studie van exoplaneten. Deze technologiedemonstratie zal de eerste contrastrijke stellaire coronagraaf zijn die de ruimte ingaat. waardoor WFIRST gigantische exoplaneten vergelijkbaar met Neptunus en Jupiter rechtstreeks in beeld kan brengen.

Starshade- en coronagraph-technologieën werken afzonderlijk, maar Bottom testte een techniek waarmee WFIRST kon detecteren wanneer een hypothetische sterrenschaduw subtiel uit de richting dreef. Een kleine hoeveelheid sterrenlicht zou onvermijdelijk rond de sterrenschaduw buigen en een licht-en-donkerpatroon vormen op de voorkant van de telescoop. De telescoop zou het patroon zien met behulp van een pupilcamera, die de voorkant van de telescoop van binnenuit kan afbeelden - vergelijkbaar met het fotograferen van een voorruit vanuit een auto.

Eerdere starshade-onderzoeken hadden deze benadering overwogen, maar Bottom maakte het waar door een computerprogramma te bouwen dat kon herkennen wanneer het licht-en-donkerpatroon op de telescoop was gecentreerd en wanneer het uit het midden was afgedreven. Bottom ontdekte dat de techniek buitengewoon goed werkt als een manier om de beweging van de sterrenschaduw te detecteren.

"We kunnen een verandering in de positie van de sterrenschaduw tot op een centimeter voelen, zelfs over deze enorme afstanden, ' zei Bodem.

Maar detecteren wanneer de sterrenschaduw niet goed uitgelijnd is, is iets heel anders dan het daadwerkelijk uitgelijnd houden. Daartoe, Flinois en zijn collega's ontwikkelden een reeks algoritmen die de informatie van het programma van Bottom gebruiken om te bepalen wanneer de starshade-stuwraketten moeten vuren om het terug in positie te duwen. The algorithms were created to autonomously keep the starshade aligned with the telescope for days at a time.

Combined with Bottom's work, this shows that keeping the two spacecraft aligned is feasible using automated sensors and thruster controls. In feite, the work by Bottom and Flinois demonstrates that engineers could reasonably meet the alignment demands of an even larger starshade (in conjunction with a larger telescope), positioned up to 46, 000 miles (74, 000 kilometers) from the telescope.

"With such an unusually large range of scales at play here, it can be very counterintuitive that this would be possible at first glance, " Flinois said.

A starshade project has not yet been approved for flight, but one could potentially join WFIRST in space in the late 2020s. Meeting the formation-flying requirement is just one step toward demonstrating that the project is feasible.

"This to me is a fine example of how space technology becomes ever more extraordinary by building upon its prior successes, " said Phil Willems, manager of NASA's Starshade Technology Development activity. "We use formation flying in space every time a capsule docks at the International Space Station. But Michael and Thibault have gone far beyond that, and shown a way to maintain formation over scales larger than Earth itself."