NASA ищет помощи в разработке «Звёздной тени» для наблюдения за экзопланетами

Область изучения экзопланет прошла долгий путь за последние десятилетия. На сегодняшний день было подтверждено наличие 5063 экзопланет в 3794 системах, и ещё 8819 кандидатов ждут подтверждения. Ожидается, что в ближайшие годы, благодаря обсерваториям нового поколения, будут найдены еще десятки тысяч планет. Конечная цель этого поиска — найти планеты, похожие на Землю, на которых возможно существование жизни. Это непростая задача, поскольку каменистые планеты, расположенные в пределах обитаемых зон своих родительских звёзд, имеют тенденцию вращаться близко друг к другу, что затрудняет их обнаружение.
Чтобы облегчить этот процесс, NASA разрабатывает гибридную обсерваторию, состоящую из «Звёздной тени», которая будет блокировать свет звезды, позволяя наземному телескопу напрямую отображать планеты, вращающиеся вокруг нее. Эта концепция известна как Гибридная обсерватория для экзопланет (HOEE), и NASA ищет помощи общественности для воплощения проекта в жизнь. С этой целью NASA запустило конкурс Ultralight Starshade Structural Design Challenge, в котором участников просят разработать дизайн конструкции «Звёздной тени», который можно было бы использовать как часть концепции HOEE.
Конкурс проводится GrabCAD, стартапом из Массачусетса, на котором размещена бесплатная облачная платформа, которая помогает командам инженеров сотрудничать, управлять, просматривать и обмениваться файлами автоматизированного проектирования(CAD). Конкурс является частью программы NASA «Призы, вызовы и краудсорсинг», курируемой Управлением космических технологий NASA (STMD).
На сегодняшний день большинство известных экзопланет были подтверждены косвенными методами. К ним относится метод транзита (также известный как транзитная фотометрия), при котором периодические провалы в яркости звезды используются для обнаружения присутствия одной или нескольких планет, проходящих перед ней (транзитных) относительно наблюдателя. Также используется метод радиальных скоростей (доплеровская спектроскопия), в котором движение звезды вперед и назад (относительно наблюдателя) используется для определения гравитационных воздействий на звезду (то есть на систему планет).
При совместном использовании эти методы очень эффективны для ограничения размера и периода обращения экзопланет (метод транзита) и их соответствующих масс (метод радиальных скоростей). Однако с помощью инструментов следующего поколения, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы могут проводить исследования экзопланет с помощью прямой визуализации. В этом случае свет от далеких экзопланет улавливается напрямую и анализируется с помощью спектрометра. Полученные спектры могут дать данные о поверхностных минералах планеты и определить наличие океанов, континентов, погодных систем, растительности и газов, составляющих ее атмосферу.
Эти данные позволят астрономам и астробиологам охарактеризовать экзопланеты и с уверенностью сказать, является ли планета «обитаемой» или нет. Важной частью этого метода является коронограф, инструмент, который блокирует блики родительских звёзд, чтобы свет, отраженный от атмосфер экзопланет, можно было визуализировать и сканировать с помощью спектрометров для определения химического состава. Доктор Джон Мазер, старший астрофизик Центра космических полетов имени Годдарда NASA и старший научный сотрудник JWST, сказал:
«Гибридная обсерватория может помочь нам ответить на некоторые из самых насущных вопросов о внеземной жизни. Наблюдение за многими системами поможет ответить на вопрос, почему конфигурации, подобные нашей, редки и почему ни одна из них не похожа на домашнюю. Это действительно захватывающе, что общественность может быть частью этих революционных усилий. Мне не терпится увидеть, какие идеи они положат нам на стол».
Ключом к HOEE является космический корабль «Звёздная тень». Его концепция была представлена Обсерваторией обитаемых экзопланет (HabEx) в NASA JPL еще в 2016 году. Первоначально считалось, что только космические телескопы, такие как Джеймс Уэбб и римский космический телескоп Нэнси Грейс (RST), могут извлечь выгоду из космического корабля такого типа. Но с концепцией HOEE наземные телескопы, которые попадают в диапазон 30-метрового класса (~ 100 футов), также могут проводить съемки прямого изображения. Сюда входят обсерватории нового поколения, такие как «Чрезвычайно большой телескоп» (ELT), «Гигантский Магелланов телескоп» (GMT) и «Тридцатиметровый телескоп» (TMT).
Для проекта Ultralight Starshade Structural Design Challenge NASA ищет идеи для легкого звёздного щита, который мог бы выполнить эту задачу. Согласно NASA, цель этой задачи состоит в том, чтобы разработать «инновационную конструкцию звёздного щита с малой массой, которая могла бы соответствовать требованиям по массе, форме, прочности и жесткости». Участники могут свободно выбирать из четырех предложенных дизайнов (или их гибридов), в том числе:
1. cверхлёгкая версия текущей концепции JPL HabEx;
2. зонт с лепестками;
3. жёсткая надувная конструкция;
4. ферменные конструкции.
Они заявляют, что идеальный дизайн позволит компактно упаковать и успешно развернуть конструкцию после выхода на орбиту Земли. Другими словами, она должна иметь возможность складываться и раскладываться, чтобы поместиться внутри обтекателя полезной нагрузки ракеты, а затем развернуться, как только достигнет космоса. Это похоже на то, что инженеры сделали с Джеймсом Уэббом, особенно в том, что касается его основного зеркала и солнцезащитного козырька. Они также подчеркивают, что звёздный щит должен иметь наименьшую возможную массу, чтобы его было легче (и дешевле) запускать, химические двигатели должны удерживать его на одном уровне во время наблюдений и изменять его орбиту для наблюдения за различными целями.
Эти и другие детали (включая орбитальное расстояние и диаметр звёздного неба) указаны на странице задания:
«Звёздная тень» на орбите (170 000 км) может отбрасывать тень от центральной звезды, не блокируя отраженный свет от ее планет. Чтобы ее можно было использовать с самыми большими наземными телескопами, звездная тень должна быть 100 м в диаметре. Эта большая конструкция должна быть плотно упакована, чтобы она могла поместиться внутри обтекателя большой ракеты (например, Falcon Heavy или Starship).
Она также должна иметь наименьшую возможную массу, чтобы химические двигатели могли поддерживать её выравнивание во время наблюдений, а солнечная электрическая двигательная установка могла изменять свою орбиту для наблюдения за целями, звёздчатая конструкция должна быть высокой жёсткости».
Чтобы иметь право на участие в этом испытании, участники должны быть либо гражданами США, либо из соответствующей страны (список стран прилагается к заданию). Пять лучших работ разделят между собой призовой фонд в размере 7000 долларов. Полный список требований конкурса и необходимая документация размещены на странице конкурса GrabCAD.....