Hay más de 3, 900 planetas confirmados más allá de nuestro sistema solar. La mayoría de ellos se han detectado debido a sus "tránsitos":casos en los que un planeta cruza su estrella, bloqueando momentáneamente su luz. Estas caídas en la luz de las estrellas pueden decirles un poco a los astrónomos sobre el tamaño de un planeta y su distancia de su estrella.

Pero sabiendo más sobre el planeta, incluyendo si contiene oxígeno, agua, y otros signos de vida, requiere herramientas mucho más poderosas. Idealmente, estos serían telescopios mucho más grandes en el espacio, con espejos captadores de luz tan anchos como los de los observatorios terrestres más grandes. Los ingenieros de la NASA ahora están desarrollando diseños para estos telescopios espaciales de próxima generación, incluyendo telescopios "segmentados" con múltiples espejos pequeños que podrían ensamblarse o desplegarse para formar un telescopio muy grande una vez lanzado al espacio.

El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA es un ejemplo de un espejo primario segmentado, con un diámetro de 6,5 metros y 18 segmentos hexagonales. Se espera que los telescopios espaciales de próxima generación tengan un tamaño de hasta 15 metros, con más de 100 segmentos de espejo.

Un desafío para los telescopios espaciales segmentados es cómo mantener los segmentos del espejo estables y apuntando colectivamente hacia un sistema exoplanetario. Tales telescopios estarían equipados con coronógrafos, instrumentos que son lo suficientemente sensibles para discernir entre la luz emitida por una estrella y la luz considerablemente más débil emitida por un planeta en órbita. Pero el más mínimo cambio en cualquiera de las partes del telescopio podría alterar las mediciones de un coronógrafo e interrumpir las mediciones de oxígeno. agua, u otras características planetarias.

Ahora, los ingenieros del MIT proponen que un segundo, Una nave espacial del tamaño de una caja de zapatos equipada con un láser simple podría volar a una distancia del gran telescopio espacial y actuar como una "estrella guía, "proporcionando un luz brillante cerca del sistema objetivo que el telescopio podría usar como punto de referencia en el espacio para mantenerse estable.

En un artículo publicado hoy en Diario astronómico , los investigadores muestran que el diseño de una estrella guía láser de este tipo sería factible con la tecnología existente en la actualidad. Los investigadores dicen que el uso de la luz láser de la segunda nave espacial para estabilizar el sistema relaja la demanda de precisión en un gran telescopio segmentado. ahorrando tiempo y dinero, y permitiendo diseños de telescopios más flexibles.

"Este documento sugiere que en el futuro, podríamos construir un telescopio que sea un poco más flexible, un poco menos intrínsecamente estable, pero podría usar una fuente brillante como referencia para mantener su estabilidad, "dice Ewan Douglas, un postdoctorado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT y autor principal del artículo.

El documento también incluye a Kerri Cahoy, profesor asociado de aeronáutica y astronáutica en el MIT, junto con los estudiantes graduados James Clark y Weston Marlow en MIT, y Jared Males, Olivier Guyon, y Jennifer Lumbres de la Universidad de Arizona.

En la mira

Por mas de un siglo, Los astrónomos han estado utilizando estrellas reales como "guías" para estabilizar telescopios terrestres.

"Si las imperfecciones en el motor del telescopio o en los engranajes causaron que su telescopio rastreara un poco más rápido o más lento, Podrías ver tu estrella guía en un punto de mira a simple vista, y manténgalo centrado lentamente mientras realiza una exposición prolongada, "Dice Douglas.

En la década de 1990, Los científicos comenzaron a usar láseres en el suelo como estrellas guía artificiales al excitar el sodio en la atmósfera superior. apuntando los láseres al cielo para crear un punto de luz a unas 40 millas del suelo. Luego, los astrónomos podrían estabilizar un telescopio usando esta fuente de luz, que podría generarse en cualquier lugar que el astrónomo quisiera apuntar con el telescopio.

"Ahora estamos ampliando esa idea, pero en lugar de apuntar un láser desde el suelo al espacio, lo estamos brillando desde el espacio, en un telescopio en el espacio, "Dice Douglas. Los telescopios terrestres necesitan estrellas guía para contrarrestar los efectos atmosféricos, pero los telescopios espaciales para la obtención de imágenes de exoplanetas tienen que contrarrestar los cambios mínimos en la temperatura del sistema y cualquier perturbación debida al movimiento.

La idea de la estrella guía láser basada en el espacio surgió a partir de un proyecto financiado por la NASA. La agencia ha estado considerando diseños para grandes telescopios segmentados en el espacio y encargó a los investigadores que encontraran formas de reducir el costo de los observatorios masivos.

"La razón por la que esto es pertinente ahora es que la NASA tiene que decidir en los próximos años si estos grandes telescopios espaciales serán nuestra prioridad en las próximas décadas". "Dice Douglas." Esa toma de decisiones está ocurriendo ahora, al igual que la toma de decisiones para el telescopio espacial Hubble ocurrió en la década de 1960, pero no se lanzó hasta la década de 1990 '".

Flota estrella

El laboratorio de Cahoy ha estado desarrollando comunicaciones láser para su uso en CubeSats, que son satélites del tamaño de una caja de zapatos que se pueden construir y lanzar al espacio a una fracción del costo de las naves espaciales convencionales.

Para este nuevo estudio, los investigadores observaron si un láser, integrado en un CubeSat o SmallSat un poco más grande, podría utilizarse para mantener la estabilidad de un gran Telescopio espacial segmentado modelado según el LUVOIR de la NASA (para Large UV Optical Infrared Surveyor), un diseño conceptual que incluye múltiples espejos que se ensamblarían en el espacio.

Los investigadores han estimado que tal telescopio debería permanecer perfectamente quieto, dentro de 10 picómetros, aproximadamente una cuarta parte del diámetro de un átomo de hidrógeno, para que un coronógrafo a bordo tome medidas precisas de la luz de un planeta, aparte de su estrella.

"Cualquier perturbación en la nave espacial, como un ligero cambio en el ángulo del sol, o una pieza electrónica que se enciende y apaga y cambia la cantidad de calor disipado a través de la nave espacial, causará una ligera expansión o contracción de la estructura, ", Dice Douglas." Si se producen perturbaciones superiores a unos 10 picómetros, empiezas a ver un cambio en el patrón de luz de las estrellas dentro del telescopio, y los cambios significan que no se puede restar perfectamente la luz de las estrellas para ver la luz reflejada del planeta ".

El equipo ideó un diseño general para una estrella guía láser que estaría lo suficientemente lejos de un telescopio como para ser vista como una estrella fija, a unas decenas de miles de millas de distancia, y que apuntaría hacia atrás y enviaría su luz hacia el telescopio. espejos cada uno de los cuales reflejaría la luz láser hacia una cámara a bordo. Esa cámara mediría la fase de esta luz reflejada a lo largo del tiempo. Cualquier cambio de 10 picómetros o más indicaría un compromiso para la estabilidad del telescopio que, Los actuadores a bordo podrían entonces corregir rápidamente.

Para ver si un diseño de estrella guía láser de este tipo sería factible con la tecnología láser actual, Douglas y Cahoy trabajaron con colegas de la Universidad de Arizona para encontrar diferentes fuentes de brillo, averiguar, por ejemplo, qué tan brillante debería ser un láser para proporcionar cierta cantidad de información sobre la posición de un telescopio, o para proporcionar estabilidad utilizando modelos de estabilidad de segmento de grandes telescopios espaciales. Luego elaboraron un conjunto de transmisores láser existentes y calcularon cuán estable, fuerte, y muy lejos, cada láser tendría que estar del telescopio para actuar como una estrella guía confiable.

En general, encontraron que los diseños de estrellas guía láser son factibles con las tecnologías existentes, y que el sistema podría caber completamente dentro de un SmallSat del tamaño de un pie cúbico. Douglas dice que una sola estrella guía posiblemente podría seguir la "mirada, "viajando de una estrella a la siguiente cuando el telescopio cambia sus objetivos de observación. Sin embargo, esto requeriría que la nave espacial más pequeña viaje cientos de miles de millas emparejadas con el telescopio a una distancia, a medida que el telescopio se reposiciona para mirar diferentes estrellas.

En lugar de, Douglas dice que se podría desplegar una pequeña flota de estrellas guía, asequible, y espaciados por el cielo, para ayudar a estabilizar un telescopio mientras examina múltiples sistemas exoplanetarios. Cahoy señala que el reciente éxito de los MARCO CubeSats de la NASA, que admitía el módulo de aterrizaje Mars Insight como un relé de comunicaciones, demuestra que los CubeSats con sistemas de propulsión pueden funcionar en el espacio interplanetario, para duraciones más largas y a grandes distancias.

"Ahora estamos analizando los sistemas de propulsión existentes y descubriendo la forma óptima de hacerlo, y cuántas naves espaciales querríamos saltar unas a otras en el espacio, "Dice Douglas." En última instancia, creemos que esta es una forma de reducir el costo de estos grandes telescopios espaciales segmentados ".