Concepto artístico del prototipo starshade, una estructura gigante diseñada para bloquear el resplandor de las estrellas para que los futuros telescopios espaciales puedan tomar fotografías de los planetas. Crédito:NASA/JPL
El campo del estudio de los exoplanetas ha recorrido un largo camino en las últimas décadas. Hasta la fecha, se han confirmado 5063 exoplanetas en 3794 sistemas más allá del nuestro, con otros 8819 candidatos en espera de confirmación. En los próximos años, se espera encontrar decenas de miles de planetas más, gracias a los observatorios de próxima generación. El objetivo final de esta búsqueda es encontrar planetas que sean "similares a la Tierra", lo que significa que tienen buenas posibilidades de albergar vida. Esta no es una tarea fácil, ya que los planetas rocosos ubicados dentro de las zonas habitables (HZ) de su estrella madre tienden a orbitar cerca, lo que hace que sean más difíciles de ver.
Para facilitar este proceso, la NASA está diseñando un observatorio híbrido que consiste en una "Sombra estelar" que bloqueará la luz de una estrella para que un telescopio terrestre pueda obtener imágenes directamente de los planetas que la orbitan. El concepto se conoce como el Observatorio Híbrido de Exoplanetas Similares a la Tierra (HOEE, por sus siglas en inglés), y la NASA está buscando la opinión del público para hacerlo realidad. Con ese fin, lanzaron el Desafío de Diseño Estructural de Sombra Estelar Ultraligera, donde se les pide a los participantes que desarrollen un diseño para una estructura de sombra estelar liviana que podría usarse como parte del concepto HOEE.
El desafío está siendo organizado por GrabCAD, una empresa emergente con sede en Massachusetts que alberga una plataforma gratuita basada en la nube que ayuda a los equipos de ingeniería a colaborar y administrar, ver y compartir archivos de diseño asistido por computadora (CAD). El Laboratorio de Torneos de la NASA está gestionando el desafío, que respalda el estudio de Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA sobre el concepto HOEE. El desafío es parte del programa Premios, Desafíos y Crowdsourcing de la NASA, supervisado por la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial (STMD) de la NASA.
Hasta la fecha, la mayoría de los exoplanetas conocidos se han confirmado mediante métodos indirectos. Estos incluyen el método de tránsito (también conocido como fotometría de tránsito), donde se utilizan caídas periódicas en el brillo de una estrella para detectar la presencia de uno o más planetas que pasan frente a ella (en tránsito) en relación con el observador. Otro es el método de velocidad radial (también conocido como espectroscopia Doppler), donde el movimiento de una estrella hacia adelante y hacia atrás (en relación con el observador) se utiliza para determinar las influencias gravitatorias que actúan sobre la estrella (es decir, un sistema de planetas).
Cuando se usan en combinación, estos métodos son muy efectivos para restringir el tamaño y el período orbital de los exoplanetas (método de tránsito) y sus respectivas masas (método de velocidad radial). Sin embargo, con instrumentos de próxima generación como el Telescopio Espacial James Webb (JWST), los astrónomos pueden realizar estudios de imágenes directas de exoplanetas. En este caso, la luz de exoplanetas distantes se captura directamente y se analiza con un espectrómetro. Los espectros obtenidos pueden arrojar datos sobre los minerales de la superficie de un planeta y determinar la presencia de océanos, continentes, sistemas meteorológicos, vegetación y los gases que componen su atmósfera.
Estos datos permitirán a los astrónomos y astrobiólogos caracterizar los exoplanetas y decir con confianza si un planeta es "habitable" o no. Una parte importante de este método es el coronógrafo, un instrumento que bloquea el resplandor de las estrellas madre para que la luz reflejada en las atmósferas de los exoplanetas pueda visualizarse y escanearse usando espectrómetros para determinar la composición química. Dijo el Dr. John Mather, astrofísico sénior en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y científico sénior del proyecto JWST:
"The hybrid observatory might help us answer some of the most pressing questions about extraterrestrial life. Observing many systems would help answer the question of why configurations like our own are rare and why none is quite like home. It is truly exciting that the public can be part of this revolutionary effort. I can't wait to see what ideas they bring to the table."
The key to the HOEE is the "Starshade" spacecraft, a concept introduced by the Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) at NASA JPL back in 2016. Initially, it was thought that only space telescopes like the James Webb and the Nancy Grace Roman Space Telescope (RST) could benefit from a starshade-type spacecraft. But with the HOEE concept, ground-based telescopes that fall into the 30-meter-class (~100 ft) range could also conduct Direct Imaging surveys. This includes next-generation observatories like the Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), and the Thirty Meter Telescope (TMT).
For the Ultralight Starshade Structural Design Challenge, NASA is looking for ideas for a lightweight starshade that could accomplish that very task. According to NASA, the goal of this challenge is to develop an "innovative low-mass starshade structure that could meet the mass, shape, strength, and stiffness requirements." Participants are free to choose from four suggested designs (or a hybrid thereof), which include:
The ideal design, they state, will allow for compact packaging and successful deployment once in Earth's orbit. In other words, it must be able to collapse and fold up so the spacecraft can fit inside a rocket payload fairing, then unfurl once it reaches space. This is similar to what engineers accomplished with James Webb, especially where its primary mirror and sunshield were concerned. They also stress that it must have the lowest possible mass to be easier (and cheaper) to launch, that its chemical thrusters can keep it aligned during observations, and change its orbit to observe different targets.
These and other details (including orbital distance and the starshade's diameter) are specified on the challenge page:
"An orbiting starshade (170,000 km away) could cast a shadow of the central star without blocking the reflected light from its planets. So that it can be used with the largest ground-based telescopes, the starshade needs to be 100 m in diameter. This large structure must be tightly packaged so that it can fit inside the fairing of a large rocket (e.g., Falcon Heavy or Starship).
"It must also have the lowest possible mass so that chemical thrusters can keep it aligned during observations and solar electric propulsion system can change its orbit to observe many targets. NASA seeks breakthrough mechanical/structural concepts for a deployable, low mass, high stability, and high stiffness starshade structure."
In order to be eligible for this challenge, participants must either be U.S. citizens or from an eligible country (specified here). The top five submissions will share a prize purse of $7,000. The full list of the competition requirements and all relevant information and documentation are posted on the GrabCAD challenge page. Astronomers present a concept for the next NASA flagship mission
