Um Planeten um einen anderen Stern zu enthüllen, muss ein Starshade 40.000 km von einem Teleskop entfernt und innerhalb von nur 1 Meter ausgerichtet sein

Um die zukünftigen Bemühungen zur Lokalisierung und Untersuchung von Exoplaneten zu unterstützen, haben Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory der NASA – in Verbindung mit dem Exoplaneten-Explorationsprogramm (ExEP) – arbeiten an der Erstellung Sternenschatten . Sobald diese revolutionäre Raumsonde eingesetzt ist, wird sie Teleskopen der nächsten Generation helfen, indem sie das verdunkelnde Licht entfernter Sterne ausblendet, sodass Exoplaneten direkt abgebildet werden können.

Dies mag zwar ziemlich einfach klingen, aber der Starshade muss sich auch ernsthaft engagieren Formationsflug um seine Arbeit effektiv zu erledigen. Zu diesem Schluss kommt der vom Starshade Technology Development Team (auch bekannt als S5) erreichte Milestone 4-Bericht, der über die ExEP-Website . Wie aus dem Bericht hervorgeht, muss Starshade auch bei extremen Entfernungen perfekt auf Weltraumteleskope ausgerichtet werden.

Während über vier tausend Exoplaneten wurden bisher ohne Hilfe eines Starshade entdeckt, die allermeisten wurden auf indirektem Wege entdeckt. Das effektivste Mittel war die Beobachtung entfernter Sterne auf periodische Helligkeitsabfälle, die den Durchgang von Planeten anzeigen (die Transitmethode ) und Messen der Bewegungen eines Sterns hin und her, um das Vorhandensein eines Planetensystems (der Radialgeschwindigkeitsmethode ).

Diese Methoden sind zwar effektiv bei der Erkennung von Exoplaneten und erhalten genaue Schätzungen ihrer Größe, Masse und Umlaufzeit, aber nicht sehr effektiv, wenn es darum geht, die Bedingungen auf ihren Oberflächen zu bestimmen. Um dies zu tun, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, spektrographische Informationen über die Atmosphären dieser Planeten zu erhalten, die der Schlüssel zur Feststellung sind, ob sie tatsächlich bewohnbar sind.

Der einzige zuverlässige Weg, dies bei kleineren, felsigen Planeten (auch bekannt als „erdähnlich“) zu tun, ist die direkte Bildgebung. Aber da Sterne milliardenfach heller sein können als das von der Atmosphäre eines Planeten reflektierte Licht, ist dies ein unglaublich schwieriger Prozess. Betreten Sie den Starshade, der das helle Licht der Sterne mit einem Schatten blockiert, der sich wie die Blütenblätter einer Blume aus dem Raumschiff entfaltet.

Dies wird die Wahrscheinlichkeit, dass Weltraumteleskope Planeten entdecken, die einen Stern umkreisen, dramatisch verbessern. Damit diese Methode funktioniert, müssen die beiden Raumfahrzeuge jedoch bis auf 1 Meter (3 Fuß) ausgerichtet bleiben, obwohl sie bis zu 40.000 km (24.850 Meilen) voneinander entfernt fliegen. Wenn sie mehr als das sind, wird Sternenlicht um den Sternenschirm lecken und die Sicht des Teleskops auf Exoplaneten verdecken.

Wie der JPL-Ingenieur Michael Bottom kürzlich in einer NASA Pressemitteilung :

„Die Entfernungen, über die wir für die Starshade-Technologie sprechen, sind schwer vorstellbar. Wenn der Sternenschirm auf die Größe eines Getränkeuntersetzers verkleinert würde, hätte das Teleskop die Größe eines Radiergummis und sie wären etwa 100 Kilometer voneinander entfernt. Stellen Sie sich nun vor, diese beiden Objekte schweben frei im Raum. Sie erleben beide diese kleinen Stöße und Stöße durch die Schwerkraft und andere Kräfte, und über diese Entfernung versuchen wir, sie beide auf etwa 2 Millimeter genau ausgerichtet zu halten.“

Durch das Ausblenden des Lichts entfernter Sterne werden Teleskope zur Exoplanetenjagd in der Lage sein, ein umlaufendes Planetensystem direkt abzubilden. Credits: NASA/JPL-Caltech

Der Bericht S5 Milestone 4 untersuchte hauptsächlich einen Trennungsbereich von 20.000 bis 40.000 km (12.500 bis 25.000 Meilen) und einen Schatten mit einem Durchmesser von 26 Metern (85 Fuß). Innerhalb dieser Parameter könnte ein Starshade-Raumschiff mit einer Mission wie arbeiten Das Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) der NASA , ein Teleskop mit einem Hauptspiegel von 2,4 m Durchmesser, das Mitte der 2020er Jahre auf den Markt kommen soll.

Nachdem Bottom und sein Team die notwendige Ausrichtung zwischen den beiden Raumsonden bestimmt hatten, entwickelten sie auch einen innovativen Weg für Teleskope wie WFIRST, um festzustellen, ob der Starshade aus der Ausrichtung driftet. Dies bestand darin, ein Computerprogramm zu bauen, das erkennen konnte, wann Hell-Dunkel-Muster auf dem Teleskop zentriert waren und wann sie aus der Mitte drifteten.

Bottom stellte fest, dass die Technik sehr effektiv war, um die geringsten Änderungen der Position eines Starshade zu erkennen, selbst bei extremen Entfernungen. Um sicherzustellen, dass es selbst ausgerichtet bleibt, entwickelten Thibault Flinois, ein anderer JPL-Ingenieur und seine Kollegen, eine Reihe von Algorithmen, die sich auf Informationen von Bottoms Programm verlassen, um zu bestimmen, wann die Triebwerke des Starshade feuern sollten, um es in Ausrichtung zu halten.

In Kombination mit Bottoms Arbeit zeigte dieser Bericht, dass es möglich ist, die beiden Raumfahrzeuge mit automatisierten Sensoren und Triebwerkssteuerungen auszurichten – selbst wenn ein größerer Sternenschirm und ein größeres Teleskop verwendet und in einem Abstand von 74.000 km (46.000 Meilen) positioniert würden. Dieser Vorschlag ist zwar revolutionär in Bezug auf autonome Systeme, baut jedoch auf einer langen Tradition für NASA-Wissenschaftler auf.

Der Exoplanet Beta Pictoris b, der durch direkte Bildgebung beobachtet wurde. Bildnachweis: ESO

Phil Willems, Manager der NASA-Aktivitäten für die Entwicklung von Sternenschatten-Technologie, erklärte:

„Für mich ist dies ein schönes Beispiel dafür, wie die Weltraumtechnologie immer außergewöhnlicher wird, indem sie auf ihren früheren Erfolgen aufbaut. Wir nutzen Formationsflüge im Weltraum jedes Mal, wenn eine Kapsel an der Internationalen Raumstation andockt. Aber Michael und Thibault sind weit darüber hinaus gegangen und haben einen Weg aufgezeigt, die Formation über Skalen zu erhalten, die größer als die Erde selbst sind.“

Durch die Bestätigung, dass die NASA diese strengen Anforderungen an die 'Formation Sensing and Control' erfüllen kann, haben Bottom und sein anderer JPL-Ingenieur Thibault Flinois eine von drei technologischen Lücken geschlossen, mit denen die Starshade-Mission konfrontiert ist – insbesondere, wie die genauen Entfernungen in Bezug auf die Größe des Schattens stehen selbst und den Hauptspiegel des Teleskops.

Als eines der Weltraumteleskope der nächsten Generation der NASA, das in den kommenden Jahren auf den Markt kommt, wird das WFIRST die erste Mission sein, die eine andere Form der Lichtblockiertechnologie verwendet. Dieses Instrument, bekannt als stellarer Koronagraph, wird in das Teleskop integriert und ermöglicht es, Bilder von Neptun bis Jupiter-großen Exoplaneten direkt aufzunehmen.

Während ein Starshade-Projekt noch nicht für den Flug genehmigt wurde, könnte eines möglicherweise bis Ende der 2020er Jahre zur Arbeit mit dem WFIRST geschickt werden. Die Erfüllung der Formationsflugpflicht ist nur ein Schritt, um zu zeigen, dass das Projekt machbar ist. Sehen Sie sich dieses coole Video an, das erklärt, wie eine Starshade-Mission mit freundlicher Genehmigung von NASA JPL funktionieren würde:

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