Nel 2021, un veicolo spaziale delle dimensioni di una scatola Cheerios porterà un piccolo telescopio nell'orbita terrestre in una missione insolita. Il suo compito è monitorare i brillamenti e le macchie solari delle piccole stelle per valutare quanto sia abitabile l'ambiente spaziale per i pianeti che orbitano attorno ad esse.

La navicella spaziale, noto come Star-Planet Activity Research CubeSat, o SPARCS in breve, è un nuovo telescopio spaziale finanziato dalla NASA. La missione, compresa la progettazione di veicoli spaziali, integrazione e scienza risultante, è guidato dalla School of Earth and Space Exploration (SESE) dell'Arizona State University.

"Questa è una missione al confine tra astrofisica e astrobiologia, " ha detto Evgenya Shkolnik, professore assistente in SESE e ricercatore principale per la missione SPARCS. "Studiamo l'abitabilità e l'ambiente ad alta energia intorno alle stelle che chiamiamo nane M".

Ha annunciato la missione il 10 gennaio 2018, al 231° meeting dell'American Astronomical Society, a Washington, D.C.

Le stelle su cui si concentrerà SPARCS sono piccole, debole, e fresco rispetto al sole. Avendo meno della metà delle dimensioni e della temperatura del sole, brillano con appena l'uno per cento della sua luminosità.

La scelta delle stelle target per SPARCS potrebbe sembrare controintuitiva. Se gli astronomi cercano pianeti extrasolari in ambienti abitabili, perché preoccuparsi di stelle così diverse dal sole? Una risposta sta nei numeri.

Iniziare con, I nani M sono estremamente comuni. Costituiscono i tre quarti di tutte le stelle della nostra galassia, la Via Lattea, superando di numero le stelle simili al sole da 20 a 1.

Gli astronomi hanno scoperto che essenzialmente ogni stella nana M ha almeno un pianeta in orbita attorno ad essa, e circa un sistema su quattro ha un pianeta roccioso situato nella zona abitabile della stella. Questa è la regione potenzialmente favorevole alla vita dove le temperature non sono né troppo calde né troppo fredde per la vita come la conosciamo, e l'acqua liquida potrebbe esistere sulla superficie del pianeta.

Perché i nani M sono così abbondanti, gli astronomi stimano che la nostra galassia da sola contenga circa 40 miliardi, ovvero un miliardo con un B, di pianeti rocciosi in zone abitabili intorno alle loro stelle. Ciò significa che la maggior parte dei pianeti della zona abitabile della nostra galassia orbitano attorno a M nani. Infatti, il più vicino, soprannominato Proxima b, si trova a soli 4,2 anni luce di distanza, che è alle nostre porte in termini astronomici.

Quindi, quando gli astronomi iniziano a esplorare l'ambiente degli esopianeti che abitano nelle zone abitabili di altre stelle, Le stelle nane M sono grandi nella ricerca.

Prendere il polso delle stelle attive

Secondo Shkolnik, mentre le stelle nane M sono piccole e fresche, sono più attivi del sole, con razzi e altre esplosioni che sparano potenti radiazioni nello spazio intorno a loro. Ma nessuno sa esattamente quanto siano attive queste piccole stelle. Nel corso della sua missione nominale di un anno, SPARCS fisserà le stelle bersaglio per settimane alla volta nella speranza di risolvere il puzzle.

Il cuore della navicella SPARCS sarà un telescopio con un diametro di 9 centimetri, o 3,6 pollici, più una telecamera con due rivelatori sensibili all'ultravioletto che sarà sviluppata dal Jet Propulsion Laboratory della NASA. Sia il telescopio che la fotocamera saranno ottimizzati per le osservazioni che utilizzano la luce ultravioletta, che influenza fortemente l'atmosfera del pianeta e il suo potenziale di ospitare la vita sulla superficie.

"Le persone hanno monitorato le nane M nel miglior modo possibile alla luce visibile. Ma i brillamenti più forti delle stelle si verificano principalmente nell'ultravioletto, che l'atmosfera terrestre per lo più blocca, " ha detto Shkolnik.

Sebbene il telescopio spaziale Hubble in orbita sia in grado di osservare le stelle a lunghezze d'onda ultraviolette senza ostacoli, il suo programma di osservazione sovraffollato gli avrebbe permesso di dedicare solo il più breve degli sforzi ai nani M.

"Hubble ci fornisce molti dettagli su alcune stelle in breve tempo. Ma per comprendere la loro attività abbiamo bisogno di lunghe sguardi a molte stelle invece di istantanee di alcune, ", ha detto Shkolnik.

Catturare lunghe osservazioni delle nane M consentirà agli astronomi di studiare come l'attività stellare influenza i pianeti che orbitano attorno alla stella.

"Non solo le nane M sono più attive del sole quando sono vecchie, rimangono più attivi più a lungo, " ha detto Shkolnik. "Quando aveva 10 milioni di anni, il sole era diventato molto meno attivo e da allora sta diminuendo costantemente. Ma le nane M possono rimanere attive da 300 a 600 milioni di anni, con alcune delle stelle M più piccole che brillano spesso essenzialmente per sempre."

Costruisci locale, vola globale

SPARCS seguirà le orme di altri strumenti spaziali e sonde provenienti da SESE. Già in viaggio verso l'asteroide Bennu (arrivo agosto 2018) è lo spettrometro a emissione termica OSIRIS-REx (OTES).

In cantiere ci sono il Phoenix CubeSat (costruito da un team di studenti per studiare gli effetti climatici locali delle città sulla Terra), LunaH-Map (per misurare l'idrogeno lunare come proxy per l'acqua), l'Europa Thermal Emission Imaging System (per cercare anomalie di temperatura sulla luna di Giove Europa), il Lucy Thermal Emission Spectrometer (per misurare le proprietà della superficie tra la famiglia di asteroidi troiani di Giove), e Psiche, una missione per studiare un asteroide fatto interamente di nichel e ferro.

Come LunaH-Map, SPARCS è un CubeSat composto da sei unità cubiche, ciascuno di circa quattro pollici su un lato. Questi sono uniti per formare un veicolo spaziale largo due unità e lungo tre in quello che viene definito un veicolo spaziale 6U. I pannelli solari si estendono come ali da un'estremità.

"Nelle dimensioni e nella forma, SPARCS assomiglia di più a una scatola di Cheerios formato famiglia, " ha detto Shkolnik.

La navicella conterrà tre sistemi principali:il telescopio, la fotocamera, e il software operativo e scientifico. Insieme a Shkolnik, Gli astronomi SESE Paul Scowen, Daniel Jacobs, e Judd Bowman supervisionerà lo sviluppo del telescopio e della fotocamera, più il software e l'ingegneria dei sistemi per mettere tutto insieme.

Il telescopio utilizza un sistema di specchi con rivestimenti ottimizzati per la luce ultravioletta. Insieme alla fotocamera, il sistema può misurare cambiamenti molto piccoli nella luminosità delle stelle nane M per svolgere la scienza primaria della missione. Lo strumento sarà testato e calibrato all'ASU in preparazione al volo prima di essere integrato nel resto del veicolo spaziale.

"Avremo comunicazioni radio limitate con SPARCS, quindi abbiamo in programma di eseguire un po' di elaborazione dei dati a bordo utilizzando il computer centrale, " ha detto Jacobs. "Scriveremo quel software qui all'ASU, utilizzando un prototipo del veicolo spaziale e della fotocamera per testare il nostro codice".

Dopo il lancio, Jacobs ha detto che il team si occuperà di operazioni scientifiche all'ASU, collegandosi a SPARCS tramite una rete globale di stazioni di terra.

Una parte fondamentale del piano di missione, Shkolnik ha detto, consiste nel coinvolgere studenti laureati e laureandi in vari ruoli. Questo darà loro opportunità educative e formative per diventare futuri ingegneri, scienziati, e capi di missione.

"Il ritmo veloce per lo sviluppo, dal laboratorio al lancio potrebbe essere di appena un paio d'anni, funziona bene con i tempi degli studenti, " ha detto Shkolnik. "Possono lavorarci sopra, dall'inizio alla fine, nel momento in cui sono qui all'ASU."

Piccolo pacchetto, grande scienza

Ad unirsi all'ASU nella missione SPARCS ci sono scienziati dell'Università di Washington, l'Università dell'Arizona, Osservatorio Lowell, il SouthWest Research Institute, e il Jet Propulsion Laboratory della NASA.

"La missione SPARCS mostrerà come, con la giusta tecnologia, i piccoli telescopi spaziali possono rispondere a grandi domande scientifiche, " ha detto Shkolnik.

Questi includono, lei disse, "Quanto è probabile che noi umani siamo soli nell'universo? Dove dovremmo cercare pianeti abitabili? E possiamo trovare una nuova e più fruttuosa comprensione di ciò che rende abitabile un sistema di esopianeti?"