Nella ricerca di pianeti abitabili oltre il nostro, La NASA sta studiando un concetto di missione chiamato Pandora, che potrebbe eventualmente aiutare a decodificare i misteri atmosferici di mondi lontani nella nostra galassia. Una delle quattro missioni di astrofisica a basso costo selezionate per un ulteriore sviluppo del concetto nell'ambito del nuovo programma Pioneers della NASA, Pandora studierebbe circa 20 stelle ed esopianeti, pianeti al di fuori del nostro sistema solare, per fornire misurazioni precise delle atmosfere esoplanetarie.

Questa missione cercherebbe di determinare le composizioni atmosferiche osservando i pianeti e le loro stelle ospiti simultaneamente nella luce visibile e infrarossa per lunghi periodi. Soprattutto, Pandora esaminerebbe come le variazioni nella luce di una stella ospite influiscano sulle misurazioni degli esopianeti. Questo rimane un problema sostanziale nell'identificare la composizione atmosferica dei pianeti in orbita attorno a stelle ricoperte di macchie stellari, che può causare variazioni di luminosità mentre una stella ruota.

Pandora è una piccola missione satellitare conosciuta come SmallSat, una delle tre missioni orbitali di questo tipo che ha ricevuto il via libera dalla NASA per passare alla fase successiva di sviluppo del programma Pioneers. SmallSats sono missioni di volo spaziale a basso costo che consentono all'agenzia di far avanzare l'esplorazione scientifica e aumentare l'accesso allo spazio. Pandora opererebbe in un'orbita terrestre bassa sincrona con il Sole, che mantiene sempre il Sole direttamente dietro il satellite. Questa orbita riduce al minimo i cambiamenti di luce sul satellite e consente a Pandora di ottenere dati per lunghi periodi. Dei concetti SmallSat selezionati per ulteriori studi, Pandora è l'unico incentrato sugli esopianeti.

"La scienza esoplanetaria si sta spostando da un'era di scoperta del pianeta a un'era di caratterizzazione atmosferica, " disse Elisa Quintana, un astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e l'investigatore principale per Pandora. "Pandora si concentra sul tentativo di capire come l'attività stellare influenzi le nostre misurazioni delle atmosfere degli esopianeti, che getterà le basi per future missioni di esopianeti che mirano a trovare pianeti con atmosfere simili alla Terra".

Massimizzare il potenziale scientifico

Pandora si concentra sullo studio delle atmosfere esoplanetarie e stellari osservando i pianeti mentre attraversano o transitano davanti alle loro stelle ospiti. Per realizzare questo, Pandora trarrebbe vantaggio da una tecnica collaudata chiamata spettroscopia di transito, che comporta la misurazione della quantità di luce stellare che filtra attraverso l'atmosfera di un pianeta, e suddividendolo in bande di colore note come spettro. Questi colori codificano informazioni che aiutano gli scienziati a identificare i gas presenti nell'atmosfera del pianeta, e può aiutare a determinare se un pianeta è roccioso con un'atmosfera sottile come la Terra o se ha un involucro di gas spesso come Nettuno.

Questa missione, però, porterebbe la spettroscopia di transito un passo avanti. Pandora è progettato per mitigare una delle battute d'arresto più cruciali della tecnica:la contaminazione stellare. "Le stelle hanno atmosfere e caratteristiche superficiali mutevoli come i punti che influenzano le nostre misurazioni, " disse Jessie Christiansen, il vice responsabile scientifico dell'Exoplanet Archive della NASA al Caltech di Pasadena, California, e un co-investigatore per Pandora. "Per essere sicuri che stiamo davvero osservando l'atmosfera di un esopianeta, dobbiamo districare le variazioni del pianeta da quelle della stella".

Pandora separerebbe i segnali stellari ed esoplanetari osservandoli simultaneamente alla luce infrarossa e visibile. La contaminazione stellare è più facile da rilevare alle lunghezze d'onda più corte della luce visibile, e quindi ottenere dati atmosferici attraverso la luce sia infrarossa che visibile consentirebbe agli scienziati di differenziare meglio le osservazioni provenienti dalle atmosfere e dalle stelle degli esopianeti.

"La contaminazione stellare è un punto critico che complica le osservazioni precise degli esopianeti, " ha detto Benjamin Rackham, a 51 Pegasi b Postdoctoral Fellow presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge e co-investigatore per Pandora. "Pandora aiuterebbe a costruire gli strumenti necessari per districare i segnali stellari e planetari, permettendoci di studiare meglio le proprietà sia delle macchie stellari che delle atmosfere esoplanetarie".

Sinergia nello spazio

Unendo le forze con le missioni più grandi della NASA, Pandora opererebbe in concomitanza con il James Webb Space Telescope, previsto per il lancio entro la fine dell'anno. Webb fornirà la capacità di studiare le atmosfere di esopianeti piccoli come la Terra con una precisione senza precedenti, e Pandora cercherebbe di espandere la ricerca e le scoperte del telescopio osservando le stelle ospiti di pianeti precedentemente identificati per periodi più lunghi.

Missioni come il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA, telescopio spaziale Hubble, e le navicelle Kepler e Spitzer in pensione hanno offerto agli scienziati scorci sorprendenti su questi mondi lontani, e pose solide fondamenta nella conoscenza esoplanetaria. Queste missioni, però, devono ancora affrontare completamente il problema della contaminazione stellare, la cui grandezza è incerta in precedenti studi sulle atmosfere esoplanetarie. Pandora cerca di colmare queste lacune critiche nella comprensione della NASA delle atmosfere planetarie e aumentare le capacità nella ricerca sugli esopianeti.

"Pandora è la missione giusta al momento giusto perché sono già stati scoperti migliaia di esopianeti, e siamo a conoscenza di molti suscettibili di caratterizzazione atmosferica che orbitano attorno a piccole stelle attive, " disse Jessie Dotson, un astrofisico presso l'Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley in California e il vice investigatore principale per Pandora. "La prossima frontiera è capire le atmosfere di questi pianeti, e Pandora giocherebbero un ruolo chiave nello scoprire come l'attività stellare influenzi la nostra capacità di caratterizzare le atmosfere. Sarebbe un ottimo complemento alla missione di Webb".

Un trampolino di lancio per l'esplorazione

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), a Livermore, California, sta co-guidando la missione Pandora con il Goddard Space Flight Center della NASA. LLNL gestirà la missione e sfrutterà le capacità sviluppate per altre agenzie governative, compreso un approccio a basso costo alla progettazione e fabbricazione del telescopio che consente questa rivoluzionaria scienza degli esopianeti da una piattaforma SmallSat.

Il programma Pioneers della NASA, che consiste di SmallSats, carichi utili collegati alla Stazione Spaziale Internazionale, ed esperimenti scientifici con palloncini, promuove lo spazio innovativo e gli esperimenti suborbitali per i ricercatori dalla prima alla metà della carriera attraverso bassi costi, piccole missioni hardware. Con questo nuovo programma, Pandora opererebbe su una linea temporale di cinque anni con un limite di budget di 20 milioni di dollari.

Nonostante i vincoli stretti, il programma Pioneers consente a Pandora di concentrarsi su una domanda di ricerca mirata mentre coinvolge un team diversificato di studenti e scienziati all'inizio della carriera provenienti da più di una dozzina di università e istituti di ricerca. Questa piattaforma SmallSat crea un eccellente progetto per missioni su piccola scala per avere un impatto nella comunità dell'astrofisica.

"Le osservazioni di lunga durata di Pandora nella luce visibile e infrarossa sono uniche e adatte per SmallSat, " ha detto Quintana. "Siamo entusiasti che Pandora giocherà un ruolo cruciale nella ricerca della NASA per trovare altri mondi che potrebbero essere potenzialmente abitabili".