Kötelékrepülés csillagernyővel: extrém űrtechnológia az exobolygók lefényképezésére

4642
Művészi illusztráció a csillagernyőről és az űrtávcsőről. Az eszköz célja, hogy kitakarva a csillagok fényét láthatóvá váljanak a körülöttük keringő bolygók. (Forrás: NASA/JPL-Caltech)

A kötelékben szálló repülők csodálatos módon képesek a levegőben szinkronban maradni. A NASA Exobolygó Felfedező Programja (Exoplanet Exploration Program, ExEP) keretében a pasadenai Sugárhajtómű Laboratórium (Jet Propulsion Laboratory, JPL) mérnökei most egy új, extrém kötelékrepülést készítenek elő.

Munkájuk fontos mérföldkő egy nagyobb programban: az úgynevezett starshade (csillagernyő) technológia megvalósíthatóságát vizsgálják. Hasonló eszközt még sosem teszteltek az űrben, de tudjuk, hogy egyedülálló megfigyeléseket végezhetnénk a segítségükkel a Naprendszeren kívüli, akár a Földhöz hasonló méretű bolygókról is.

A videó alapján elképzelhetjük, miként takarja ki a csillagernyő egy csillag fényét, hogy megláthassuk a körülötte keringő bolygókat. A 2013-ban készült felvétel második felében a megépített modell kinyílását láthatjuk. (Forrás: NASA/JPL-Caltech)

A csillagernyő-küldetésben két űreszköz venne részt. Az egyik egy űrteleszkóp lesz, amely a Naprendszeren kívüli, más csillagok körül keringő bolygók, exobolygók után kutat. A másik a teleszkóp előtt foglal helyet, nagyjából 40 ezer kilométeres távolságra tőle, fedélzetén egy hatalmas, összecsukott ernyővel. Az árnyékoló ernyő úgy fog kinyílni, akár egy szirmait bontogató virág, így el tudja majd takarni egy csillag fényét, hogy a teleszkóp elcsíphesse a körülötte keringő bolygókat. Az elképzelés csak akkor működhet, ha a két űreszköz a közöttük lévő nagy távolság ellenére képes annyira szinkronban maradni, hogy a kijelölt helytől legfeljebb egy méterre távolodjanak el. Ha az elmozdulás nagyobb, a csillag fénye a távcsőbe jut, és nem látszanak tőle a jóval halványabb exobolygók.

„A csillagernyő technológiával kapcsolatban szóba kerülő távolságokat nehéz elképzelni.” – mondta a JPL mérnöke, Michael Bottom. „Ha a csillagernyőt poháralátét méretűre kicsinyítenénk, a távcsőnek akkorának kéne lennie, mint egy ceruza végén a radír, a köztük lévő távolság pedig 100 kilométer lenne. Most képzeljük el, hogy mindkettő szabadon lebeg az űrben. Mindkettőre hat a gravitáció és más erők is, mi pedig próbáljuk 2 milliméteres pontossággal egymáshoz hangolni a helyzetüket.”

A kutatók a csillagernyő segítsége nélkül is már több ezer exobolygót találtak, a legtöbbre azonban közvetett módon leltek. Például a tranzit módszerrel, amikor egy csillag fényének időszakos halványodásaként észlelik az előtte elhaladó bolygót. Csak néhány esetben sikerült a kutatóknak közvetlenül megfigyelniük exobolygókat.

Ha több közvetlen megfigyelés a célunk, akkor kulcsfontosságú a csillag fényének kitakarása. Így végső soron mélyrehatóan tanulmányozhatjuk az exobolygók légkörét, esetleg megtudhatunk valamit a kőzetbolygók felszínének jellegzetességeiről. Az ehhez hasonló kutatások vezethetnek el végül oda, hogy az élet jeleire bukkanjunk a Világegyetemben.

Az árnyékot követve

Az űrben elhelyezett, az exobolygók vizsgálatát lehetővé tevő ernyő ötlete az 1960-as évekből, négy évtizeddel az első exobolygók felfedezése előttről származik. Egyetlen űreszköz pontos navigálása egy távoli égitesthez nem újdonság, két űrjármű helyzetének egymáshoz, valamint egy távoli égitesthez való hangolása azonban másfajta kihívást jelent.

Az ExEP egyik kutatócsoportjának, az S5 csapatnak az a feladata, hogy a jövőbeli űrteleszkóp-küldetések számára kifejlesszék a csillagernyő technológiát. A kutatócsoportnak három technológiai problémával kell megküzdenie, mielőtt az ernyő az űrbe kerülhetne.

A JPL mérnökei, Michael Bottom és Thibault Flinois az egyik problémát megoldották, megerősítve, hogy a mérnökök elvileg képesek létrehozni egy ernyőt, amely eleget tesz a kötelékben repülés szigorú feltételeinek. Eredményeiket az ExEP honlapján elérhető jelentésükben tették közzé.

Alakul a dolog

Egy adott csillagernyő-küldetés részletei a teleszkóp méretétől függenek, például a pontos távolság a két űreszköz között és az ernyő átmérője is. Az S5 kutatócsoport jelentése elsődlegesen 20–40 ezer kilométeres távolsággal és 26 méter átmérőjű ernyővel számolt. Ezek a paraméterek illeszkednek a NASA WFIRST küldetéséhez. A 2,4 méter átmérőjű tükörrel szerelt WFIRST teleszkópot a 2020-as évek közepén bocsátják fel.

A WFIRST egy másik csillagfény-kitakaró rendszerrel lesz felszerelve, az úgynevezett koronagráffal, amely a teleszkóp belsejében helyezkedik majd el, azzal a céllal, hogy az exobolygók tanulmányozásában segítse a kutatókat. Ez lesz az első nagy felbontású koronagráf az űrben, így a segítségével a WFIRST közvetlenül észlelheti a Neptunuszhoz és a Jupiterhez hasonló óriás exobolygókat.

A csillagernyő és a koronagráf különálló technológiák, de Bottom egy olyan megoldást is tesztelt, amellyel a WFIRST képes észlelni a csillagernyő elmozdulását. A csillag fényének egy kis része elkerülhetetlenül elhajlik a csillagernyő körül, és sötét-világos mintázatot képez a távcsőnél. A teleszkóp egy másodlagos kamera segítségével, amely a távcső belsejéből figyelné a távcső elejét, észlelné a mintázatot, mintha a szélvédőt fotóznánk egy autó belsejéből.

A csillagernyő korábbi terveiben már megvizsgálták ezt a lehetőséget, de Bottom ültette át a gyakorlatba azzal, hogy létrehozott egy számítógépes programot, amely képes felismerni, hogy a sötét-világos mintázat a távcső közepére esik, vagy elsodródott onnan. Bottom rájött, hogy ez a technika kiválóan alkalmas a csillagernyő mozgásának érzékelésére.

„Akár egyhüvelykes pontossággal is érzékelhetjük a csillagernyő elmozdulását, még ilyen hatalmas távolságból is.” – mondta Bottom.

Észlelni a csillagernyő elmozdulását egészen más probléma, mint a megfelelő pozícióban tartani azt. Ezért Flinois és munkatársai olyan algoritmusokat fejlesztettek ki, amelyek a Bottom programja által küldött információk alapján meghatározzák, hogy a csillagernyő hajtóműveinek mikor kell működésbe lépniük ahhoz, hogy visszaigazítsák az ernyőt a helyére. Az algoritmusokat úgy alakították ki, hogy a csillagernyőt állandóan a távcsőhöz igazítva tartsák.

Így már megvalósíthatónak látszik, hogy a két űreszköz automatikus érzékelők és hajtóművezérlők segítségével szinkronban maradjon. Bottom és Flinois munkájának hála a mérnökök egy még nagyobb csillagernyővel is számolhatnak (egy nagyobb távcsővel együtt), amely a teleszkóptól akár 74 ezer kilométer távolságban is lehet.

„Ilyen nagyságrendeknél igen valószínűtlen, hogy első próbálkozásra mindez lehetséges.” – mondta Flinois.

A csillagernyő-projekt még nem kapott zöld utat, de elképzelhető, hogy 2020-ban csatlakozhat a WFIRST teleszkóphoz. A kötelékben való repülés lehetőségének kidolgozása még csak az első lépés a megvalósítás felé vezető úton.

„Számomra ez egy kiváló példa arra, hogy válik az űrtechnológia egyre különlegesebbé, ahogy a korábbi sikerekre építünk.” – mondta Phil Willems, a NASA csillagernyő fejlesztéséért felelős részlegének vezetője. „Kötelékben repülünk minden alkalommal, amikor dokkolunk a Nemzetközi Űrállomásra. Michael és Thibault ennél sokkal messzebbre ment, és megmutatta, hogyan tarthatjuk fenn a formációt olyan távolságokban, amelyek még a Földnél is nagyobbak.”

Forrás: NASA JPL

Hozzászólás

hozzászólás