Nella nostra caccia a pianeti simili alla Terra e vita extraterrestre, abbiamo trovato migliaia di esopianeti in orbita attorno a stelle diverse dal nostro sole. L'avvertenza è che la maggior parte di questi pianeti è stata rilevata utilizzando metodi indiretti. Simile a come una persona non può guardare nulla troppo vicino al sole, i telescopi attuali non possono osservare potenziali pianeti simili alla Terra perché sono troppo vicini alle stelle su cui orbitano, che sono circa 10 miliardi di volte più luminosi dei pianeti che li circondano.

Una possibile soluzione potrebbe essere quella di creare un'eclissi solare artificiale con due veicoli spaziali posizionati con precisione, secondo Simone D'Amico, assistente professore di aeronautica e astronautica a Stanford e direttore dello Space Rendezvous Laboratory. Un'astronave, nota come ombra stellare, si posizionerebbe come la luna in un'eclissi solare, oscurando la luce di una stella lontana, quindi un secondo veicolo spaziale con un telescopio potrebbe vedere gli esopianeti vicini dall'ombra proiettata dall'ombra stellare.

"Con misurazioni indirette, puoi rilevare oggetti vicino a una stella e capire il loro periodo di orbita e la distanza dalla stella, " disse D'Amico, il cui laboratorio sta lavorando su questo sistema di eclisse. "Queste sono tutte informazioni importanti, ma con l'osservazione diretta potresti caratterizzare la composizione chimica del pianeta e potenzialmente osservare segni di attività biologica:la vita."

Andare in piccolo

Gli osservatori proposti in grado di fotografare pianeti simili alla Terra richiedono un'ombra stellare di decine di metri di diametro separata dal telescopio da una distanza pari a più diametri della Terra, e la formazione dovrebbe essere dispiegata oltre l'orbita terrestre. Del tutto, questa missione costerebbe miliardi di dollari. Invece di inviare un costoso, sistema non testato nello spazio, Il laboratorio di D'Amico, in collaborazione con l'esperto di pianeti extrasolari Bruce Macintosh, professore di fisica, ha creato una versione ridotta di questa formazione, probabilmente costerà milioni anziché miliardi. L'obiettivo principale di questa missione è fornire una dimostrazione di volo a basso costo della tecnologia dell'ombra stellare per aumentare la fiducia della comunità scientifica nelle capacità di un osservatorio su vasta scala.

"Finora, non c'è stata nessuna missione volata con il grado di sofisticatezza che sarebbe richiesto per uno di questi osservatori di imaging di esopianeti, " ha detto Adam Koenig, uno studente laureato nel Laboratorio Space Rendezvous. "Quando chiedi al quartier generale qualche miliardo di dollari per fare qualcosa del genere, sarebbe l'ideale poter dire che abbiamo già volato tutto questo prima. Questo è solo più grande."

Chiamato mDOT per occulter/telescopio distribuito miniaturizzato, il sistema comprende due parti:un'ombra stellare di 3 metri di diametro su un microsatellite da 100 chilogrammi e un telescopio di 10 centimetri di diametro su un nanosatellite da 10 chilogrammi. L'ombra stellare e il telescopio saranno dispiegati in un'orbita terrestre alta con una separazione nominale inferiore a 1, 000 chilometri.

La forma dell'ombra stellare in mDOT si basa su una ricerca di Robert Vanderbei della Princeton University, riformulato dallo Space Rendezvous Laboratory per adattarsi ai vincoli di un veicolo spaziale molto più piccolo. Al lancio, lo starshade sarà piegato lungo i lati del microsatellite delle dimensioni di una lavastoviglie. Una volta in orbita, lo sharshade si aprirà in una forma simile a un fiore.

"Con questa speciale forma geometrica, puoi far sì che la luce che si diffonda intorno all'ombra delle stelle si annulli, " spiegò Koenig. "Allora, ottieni molto, ombra molto profonda proprio al centro. L'ombra è abbastanza profonda che la luce della stella non interferisce con le osservazioni di un pianeta vicino".

preciso, navigazione autonoma

L'ombra prodotta dall'ombra stellare di mDOT ha solo decine di centimetri di diametro, il che significa che la posizione laterale del telescopio rispetto all'ombra stellare deve essere controllata entro circa 15 centimetri.

Nel loro disegno, i ricercatori hanno fatto volare entrambi i veicoli spaziali in una grande orbita con l'ombra stellare che eclissa la stella bersaglio nel punto dell'orbita più lontano dalla Terra, il punto in cui i veicoli spaziali si muovono più lentamente l'uno rispetto all'altro. Dopo circa un'ora di questo posizionamento stretto, permetteranno alla formazione di disgregarsi fino a quando non sarà quasi ora che la navicella si allinei di nuovo per la prossima osservazione. I ricercatori prevedono di aver bisogno di decine di ore di osservazione per dimostrare che l'ombra delle stelle funziona come previsto.

A causa dei requisiti impegnativi, l'unico modo per realizzare mDOT è attraverso un sistema autonomo che non risente dei ritardi di comunicazione tra i satelliti e gli operatori di missione sulla Terra. Il volo autonomo in formazione di veicoli spaziali è il fulcro della ricerca dello Space Rendezvous Laboratory di D'Amico.

Nuova dimostrazione scientifica e tecnologica

Il mDOT miniaturizzato non sarà in grado di risolvere pianeti simili alla Terra perché sono ancora troppo vicini alle loro stelle madri. Potrebbe, però, ci danno uno sguardo diretto all'equivalente di Giove in un altro sistema stellare o aiutano a caratterizzare le concentrazioni di polvere esozodiacale intorno alle stelle vicine, che è una priorità per la NASA.

Questo è uno dei numerosi progetti di D'Amico incentrati su una migliore comprensione della Terra e dell'universo con l'assistenza di veicoli spaziali in formazione di precisione. Due delle missioni attuali con cui ha aiutato sono GRACE e TanDEM-X, che misurano i cambiamenti nel campo gravitazionale e nella forma della Terra, rispettivamente. Il laboratorio sta anche lavorando su formazioni più grandi di veicoli spaziali chiamate sciami. Però, simile a mDOT, prima che queste tecnologie possano essere utilizzate, è necessario dimostrare che funzionano come previsto utilizzando banchi di prova a terra. A tal fine, D'Amico ha costruito una struttura che replica con precisione le complesse e uniche condizioni di illuminazione incontrate dai sensori nello spazio.

"Sono entusiasta del mio programma di ricerca a Stanford perché stiamo affrontando sfide importanti, " ha detto D'Amico. "Voglio aiutare a rispondere a domande fondamentali e se guardi in tutte le direzioni attuali della scienza e dell'esplorazione dello spazio - se stiamo cercando di osservare gli esopianeti, conoscere l'evoluzione dell'universo, assemblare strutture nello spazio o comprendere il nostro pianeta:il volo in formazione satellitare è l'elemento chiave".