Um künftige Bemühungen zur Lokalisierung und Untersuchung von Exoplaneten zu unterstützen, arbeiten Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Verbindung mit dem Exoplanet Exploration Program (ExEP) an der Entwicklung von Starshade. Einmal eingesetzt, wird dieses revolutionäre Raumschiff Teleskopen der nächsten Generation helfen, indem es das dunkle Licht von entfernten Sternen blockiert, sodass Exoplaneten direkt abgebildet werden können.
Während dies ziemlich einfach klingt, muss der Starshade auch ernsthafte Formationsflüge durchführen, um seine Arbeit effektiv zu erledigen. Zu diesem Ergebnis kam der vom Starshade Technology Development Team (auch bekannt als S5) erzielte Milestone 4-Bericht, der über die ExEP-Website verfügbar ist. Wie im Bericht angegeben, muss Starshade auch in extremen Entfernungen perfekt auf Weltraumteleskope ausgerichtet sein.
Während bisher über viertausend Exoplaneten ohne die Hilfe eines Sternschattens entdeckt wurden, wurde die überwiegende Mehrheit von ihnen mit indirekten Mitteln entdeckt. Das effektivste Mittel bestand darin, entfernte Sterne auf periodische Helligkeitseinbrüche zu beobachten, die den Durchgang von Planeten anzeigen (Transitmethode), und die Bewegungen eines Sterns hin und her zu messen, um das Vorhandensein eines Planetensystems zu bestimmen (Radialgeschwindigkeitsmethode).
Diese Methoden sind zwar wirksam beim Erkennen von Exoplaneten und beim Erhalten genauer Schätzungen ihrer Größe, Masse und Umlaufzeit, aber nicht sehr effektiv, um zu bestimmen, wie die Bedingungen auf ihren Oberflächen sind. Dazu müssen Wissenschaftler in der Lage sein, spektrographische Informationen über diese Planetenatmosphären zu erhalten. Dies ist der Schlüssel, um festzustellen, ob sie tatsächlich bewohnbar sind.
Der einzige zuverlässige Weg, dies mit kleineren, felsigen Planeten (auch bekannt als "erdähnlich") zu tun, ist die direkte Bildgebung. Da Sterne milliardenfach heller sein können als Licht, das von der Atmosphäre eines Planeten reflektiert wird, ist dies ein unglaublich schwieriger Prozess. Betreten Sie den Sternenschatten, der das helle Licht der Sterne mit einem Schatten ausblendet, 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 auf einen Abstand von 1 Meter ausgerichtet bleiben, obwohl sie bis zu 40.000 km voneinander entfernt fliegen. Wenn sie sind
Wie JPL-Ingenieur Michael Bottom kürzlich in einer Pressemitteilung der NASA erklärte:
„Die Entfernungen, über die wir für die Sternschattentechnologie sprechen, sind kaum vorstellbar. Wenn der Sternschatten auf die Größe eines Untersetzers verkleinert würde, hätte das Teleskop die Größe eines Radiergummis und wäre etwa 100 Kilometer voneinander entfernt. Stellen Sie sich nun vor, diese beiden Objekte schweben frei im Raum. Beide erleben diese kleinen Zerrungen und Stöße durch die Schwerkraft und andere Kräfte. Über diese Distanz versuchen wir, sie beide auf etwa 2 Millimeter genau auszurichten. "
Der S5 Milestone 4-Bericht befasste sich hauptsächlich mit einem Trennungsbereich von 20.000 bis 40.000 km (12.500 bis 25.000 mi) und einem Schatten mit einem Durchmesser von 26 Metern (85 Fuß). Innerhalb dieser Parameter könnte ein Starshade-Raumschiff mit einer Mission wie dem Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) der NASA arbeiten, einem Teleskop mit einem Primärspiegel mit einem Durchmesser von 2,4 m (~ 16,5 ft), der bis Mitte starten soll -2020er Jahre.
Nachdem Bottom und sein Team die erforderliche Ausrichtung zwischen den beiden Raumfahrzeugen ermittelt hatten, entwickelten sie auch eine innovative Methode für Teleskope wie WFIRST, um festzustellen, ob der Sternschatten aus der Ausrichtung geraten sollte. Dies bestand darin, ein Computerprogramm zu erstellen, das erkennen konnte, wann Hell-Dunkel-Muster auf dem Teleskop zentriert waren und wann sie außermittig gewandert waren.
Bottom stellte fest, dass die Technik sehr effektiv war, um die geringsten Änderungen in der Position eines Sternschattens zu erfassen, selbst bei extremen Entfernungen. Um sicherzustellen, dass es selbst ausgerichtet bleibt, haben JPL-Ingenieur Thibault Flinois und seine Kollegen eine Reihe von Algorithmen entwickelt, die sich auf Informationen aus dem Bottom-Programm stützen, um zu bestimmen, wann die Triebwerke des Starshade ausgelöst werden sollten, um die Ausrichtung aufrechtzuerhalten.
In Kombination mit Bottoms Arbeit zeigte dieser Bericht, dass es möglich ist, die beiden Raumschiffe mithilfe automatisierter Sensoren und Triebwerkssteuerungen ausgerichtet zu halten - selbst wenn ein größerer Sternschirm und ein Teleskop in einem Abstand von 74.000 km verwendet und positioniert wurden. Dieser Vorschlag ist zwar in Bezug auf autonome Systeme revolutionär, baut jedoch auf einer langen Tradition für NASA-Wissenschaftler auf.
Phil Willems, Manager der NASA-Aktivitäten zur Entwicklung von Starshade-Technologien, erklärte:
„Dies ist für mich ein gutes Beispiel dafür, wie die Weltraumtechnologie immer außergewöhnlicher wird, indem sie auf ihren früheren Erfolgen aufbaut. Wir verwenden Formationen, die jedes Mal im Weltraum fliegen, wenn eine Kapsel an der Internationalen Raumstation anlegt. Aber Michael und Thibault sind weit darüber hinausgegangen und haben einen Weg gezeigt, die Formation über Skalen aufrechtzuerhalten, die größer sind als die Erde selbst. “
Mit der Bestätigung, dass die NASA diese strengen Anforderungen an die Erfassung und Kontrolle von Formationen erfüllen kann, haben Bottom und sein Kollege JPL-Ingenieur Thibault Flinois eine von drei technologischen Lücken geschlossen, mit denen die Starshade-Mission konfrontiert ist - insbesondere, wie die genauen Entfernungen mit der Größe des Schattens zusammenhängen selbst und der Hauptspiegel des Teleskops.
Als eines der Weltraumteleskope der nächsten Generation der NASA, das in den kommenden Jahren auf den Markt kommen wird, wird das WFIRST die erste Mission sein, die eine andere Form der Lichtblockiertechnologie einsetzt. Dieses Instrument, das als Sternkoronagraph bekannt ist, wird in das Teleskop integriert und ermöglicht es, Bilder von Neptun für Exoplaneten in Jupiter-Größe direkt aufzunehmen.
Während ein Starshade-Projekt noch nicht für den Flug genehmigt wurde, könnte es möglicherweise bis Ende der 2020er Jahre zur Arbeit mit dem WFIRST geschickt werden. Die Erfüllung der Anforderungen an das Formationsfliegen ist nur ein Schritt, um zu demonstrieren, dass das Projekt machbar ist. Schauen Sie sich unbedingt dieses coole Video an, in dem erklärt wird, wie eine Starshade-Mission mit freundlicher Genehmigung der NASA JPL funktionieren würde:
