NASA heeft de afgelopen jaren veel aandacht gekregen dankzij het New Worlds Mission-concept - ook bekend als. Starshade. Dit voorgestelde ruimtevaartuig bestaat uit een gigantische bloemvormige occulter en is bedoeld om naast een ruimtetelescoop te worden ingezet (waarschijnlijk de James Webb-ruimtetelescoop). Het zal dan de schittering van verre sterren blokkeren en een kunstmatige zonsverduistering creëren om het gemakkelijker te maken planeten te detecteren en te bestuderen die eromheen draaien.
Het enige probleem is dat dit concept naar verwachting een aardige cent zal kosten - op dit moment naar schatting $ 750 miljoen tot $ 3 miljard! Daarom stelt Stanford-professor Simone D'Amico (met de hulp van exoplaneet-expert Bruce Macintosh) een verkleinde versie van het concept voor om de doeltreffendheid ervan aan te tonen. Bekend als mDot, zal deze occulter hetzelfde werk doen, maar voor een fractie van de kosten.
Het doel achter een occulter is simpel. Bij het jagen op exoplaneten moeten astronomen voornamelijk vertrouwen op indirecte methoden - de meest voorkomende is de Transit-methode. Dit houdt in dat sterren worden gecontroleerd op dalingen in helderheid, die worden toegeschreven aan planeten die tussen hen en de waarnemer passeren. Door de snelheid en de frequentie van deze dalingen te meten, kunnen astronomen de afmetingen van exoplaneten en hun omlooptijd bepalen.
Zoals Simone D'Amico, wiens laboratorium aan dit verduisteringssysteem werkt, uitlegde in een persverklaring van de Stanford University:
“Met indirecte metingen kun je objecten in de buurt van een ster detecteren en hun baanperiode en afstand tot de ster berekenen. Dit is allemaal belangrijke informatie, maar met directe waarneming zou je de chemische samenstelling van de planeet kunnen karakteriseren en mogelijk tekenen van biologische activiteit - leven kunnen waarnemen. ”
Deze methode heeft echter ook een aanzienlijk aantal valse positieven en vereist over het algemeen dat een deel van de baan van de planeet een gezichtslijn tussen de gastster en de aarde kruist. Het bestuderen van de exoplaneten zelf is ook behoorlijk moeilijk, aangezien het licht dat van de ster komt waarschijnlijk enkele miljarden keren helderder is dan het licht dat door de planeet wordt weerkaatst.
Het vermogen om dit gereflecteerde licht te bestuderen is van bijzonder belang, omdat het waardevolle gegevens zou opleveren over de atmosfeer van de exoplaneten. Als zodanig worden verschillende sleuteltechnologieën ontwikkeld om het storende licht van sterren te blokkeren. Een ruimtevaartuig dat is uitgerust met een occulter is zo'n technologie. In combinatie met een ruimtetelescoop zou dit ruimtevaartuig een kunstmatige zonsverduistering voor de ster creëren, zodat objecten eromheen (d.w.z. exoplaneten) duidelijk te zien zijn.
Maar naast de aanzienlijke kosten om er een te bouwen, is er ook de kwestie van grootte en implementatie. Om zo'n missie te laten werken, zou de occulter zelf ongeveer zo groot moeten zijn als een honkbaldiamant - 27,5 meter (90 voet) in diameter. Het zou ook van de telescoop moeten worden gescheiden op een afstand die gelijk is aan meerdere aardediameters en zou buiten de baan van de aarde moeten worden ingezet. Dit alles levert een nogal prijzige missie op!
Als zodanig werkten D'Amico - een assistent-professor en het hoofd van het Space Rendezvous Laboratory (SRL) aan Stanford - en Bruce Macintosh (een Stanford-professor in de natuurkunde) samen om een kleinere versie te maken, de Miniaturized Distributed Occulter / Telescope ( mDOT). Het primaire doel van mDOT is om een goedkope demonstratie van de technologie van de vlucht te bieden, in de hoop het vertrouwen in een volledige missie te vergroten.
Zoals Adam Koenig, een afgestudeerde student bij de SRL, uitlegde:
“Tot dusver is er geen missie gevlogen met de mate van verfijning die nodig zou zijn voor een van deze exoplanet-beeldvormingsobservatoria. Als je het hoofdkantoor een paar miljard dollar vraagt om zoiets te doen, zou het ideaal zijn om te kunnen zeggen dat we dit allemaal al eerder hebben gevlogen. Deze is gewoon groter. '
Het mDOT-systeem bestaat uit twee delen en profiteert van de recente ontwikkelingen op het gebied van miniaturisatie en kleine satelliettechnologie (smallsat). De eerste is een microsatelliet van 100 kg die is uitgerust met een sterrenhade met een diameter van 3 meter. De tweede is een nanosatelliet van 10 kg met een telescoop met een diameter van 10 cm (3,937 inch). Beide componenten worden ingezet in een hoge baan om de aarde met een nominale scheiding van minder dan 1.000 kilometer (621 mi).
Met de hulp van collega's van de SRL werd de vorm van mDOT's starshade opnieuw geformuleerd om te voldoen aan de beperkingen van een veel kleiner ruimtevaartuig. Zoals Koenig uitlegde, zal deze verkleinde en speciaal ontworpen sterrenkap hetzelfde werk kunnen doen als de grootschalige, bloemvormige versie - en met een beperkt budget!
"Met deze speciale geometrische vorm kun je het licht dat rond de sterrenkap diffundeert, laten verdwijnen", zei hij. 'Dan krijg je een heel, heel diepe schaduw midden in het midden. De schaduw is diep genoeg zodat het licht van de ster de waarnemingen van een nabije planeet niet hindert. "
Aangezien de schaduw die door de sterrenkap van mDOT wordt gecreëerd echter slechts tientallen centimeters in diameter is, zal de nanosatelliet voorzichtig moeten manoeuvreren om erin te blijven. Voor dit doel ontwierpen D'Amico en de SRL ook een autonoom systeem voor de nanosatelliet, waardoor het formatiemanoeuvres met de starshade zou kunnen uitvoeren, de formatie zou kunnen verbreken en later opnieuw zou kunnen ontmoeten.
Een ongelukkige beperking van de technologie is het feit dat het aardse planeten niet kan oplossen. Vooral als het gaat om M-type (rode dwerg) sterren, zullen deze planeten waarschijnlijk te dicht bij hun oudersterren cirkelen om duidelijk waar te nemen. Het zal echter gasreuzen van Jupiter-formaat kunnen oplossen en exozodiacale stofconcentraties rond nabijgelegen sterren helpen karakteriseren - beide zijn prioriteiten voor NASA.
Ondertussen zullen D'Amico en zijn collega's het Testbed voor Rendez-vous en Optische Navigatie (TRON) gebruiken om hun mDOT-concept te testen. Deze faciliteit is speciaal gebouwd door D'Amico om de soorten complexe en unieke verlichtingsomstandigheden na te bootsen die sensoren in de ruimte tegenkomen. De komende jaren zullen hij en zijn team ervoor zorgen dat het systeem werkt voordat een uiteindelijk prototype wordt gemaakt.
Zoals D'Amico zei over het werk dat hij en zijn collega's bij de SNL uitvoeren:
"Ik ben enthousiast over mijn onderzoeksprogramma op Stanford omdat we belangrijke uitdagingen aanpakken. Ik wil helpen fundamentele vragen te beantwoorden en als je in alle huidige richtingen van de ruimtewetenschap en verkenning kijkt - of we nu exoplaneten proberen te observeren, meer te weten komen over de evolutie van het universum, structuren in de ruimte samenstellen of onze planeet begrijpen - satellietvorming- vliegen is de belangrijkste factor. ”
Andere projecten waar D'Amico en de SNL momenteel mee bezig zijn, zijn het ontwikkelen van grotere formaties van kleine ruimtevaartuigen (ook bekend als 'zwermsatellieten'). In het verleden werkte D'Amico ook samen met NASA aan projecten als GRACE - een missie die variaties in het zwaartekrachtveld van de aarde in kaart bracht als onderdeel van het NASA Earth System Science Pathfinder (ESSP) -programma - en TanDEM-X, een door SEA gesponsorde missie die 3D-kaarten van de aarde opleverde.
Deze en andere projecten die miniaturisatie willen benutten omwille van de ruimtevaart, beloven een nieuw tijdperk van lagere kosten en betere toegankelijkheid. Met toepassingen variërend van zwermen van kleine onderzoeks- en communicatiesatellieten tot nanocraft die in staat zijn om met relativistische snelheden (Breakthrough Starshot) naar Alpha Centauri te reizen, ziet de toekomst van de ruimte er veelbelovend uit!
Bekijk ook deze video van de TRON-faciliteit, met dank aan Standford University:
