Sono più di 3, 900 pianeti confermati oltre il nostro sistema solare. La maggior parte di essi è stata rilevata a causa dei loro "transiti":casi in cui un pianeta attraversa la sua stella, bloccando momentaneamente la sua luce. Questi cali di luce stellare possono dire agli astronomi qualcosa sulle dimensioni di un pianeta e sulla sua distanza dalla sua stella.

Ma sapendo di più sul pianeta, compreso se ospita ossigeno, acqua, e altri segni di vita, richiede strumenti molto più potenti. Idealmente, questi sarebbero telescopi molto più grandi nello spazio, con specchi raccoglitori di luce larghi quanto quelli dei più grandi osservatori a terra. Gli ingegneri della NASA stanno ora sviluppando progetti per questi telescopi spaziali di prossima generazione, compresi i telescopi "segmentati" con più piccoli specchi che potrebbero essere assemblati o spiegati per formare un telescopio molto grande una volta lanciato nello spazio.

Il prossimo telescopio spaziale James Webb della NASA è un esempio di specchio primario segmentato, con un diametro di 6,5 metri e 18 segmenti esagonali. Si prevede che i telescopi spaziali di nuova generazione raggiungeranno i 15 metri, con oltre 100 segmenti di specchi.

Una sfida per i telescopi spaziali segmentati è come mantenere stabili i segmenti dello specchio e puntare collettivamente verso un sistema esoplanetario. Tali telescopi sarebbero dotati di coronografi, strumenti abbastanza sensibili da discernere tra la luce emessa da una stella e la luce considerevolmente più debole emessa da un pianeta in orbita. Ma il minimo spostamento in una qualsiasi delle parti del telescopio potrebbe annullare le misurazioni di un coronografo e interrompere le misurazioni dell'ossigeno, acqua, o altre caratteristiche planetarie.

Ora gli ingegneri del MIT propongono che un secondo, un veicolo spaziale delle dimensioni di una scatola da scarpe dotato di un semplice laser potrebbe volare a distanza dal grande telescopio spaziale e fungere da "stella guida, "fornire un costante, luce brillante vicino al sistema di destinazione che il telescopio potrebbe utilizzare come punto di riferimento nello spazio per mantenersi stabile.

In un articolo pubblicato oggi su Giornale Astronomico , i ricercatori mostrano che la progettazione di una tale stella guida laser sarebbe fattibile con la tecnologia esistente di oggi. I ricercatori affermano che l'uso della luce laser del secondo veicolo spaziale per stabilizzare il sistema riduce la richiesta di precisione in un grande telescopio segmentato, risparmiando tempo e denaro, e consentendo design di telescopi più flessibili.

"Questo documento suggerisce che in futuro, potremmo essere in grado di costruire un telescopio un po' più floscio, un po' meno intrinsecamente stabile, ma potrebbe usare una fonte luminosa come riferimento per mantenere la sua stabilità, "dice Ewan Douglas, un postdoc presso il Dipartimento di aeronautica e astronautica del MIT e autore principale del documento.

Il documento include anche Kerri Cahoy, professore associato di aeronautica e astronautica al MIT, insieme agli studenti laureati James Clark e Weston Marlow al MIT, e Jared maschi, Olivier Guyon, e Jennifer Lumbres dell'Università dell'Arizona.

Nel mirino

Da oltre un secolo, gli astronomi hanno utilizzato stelle reali come "guide" per stabilizzare i telescopi terrestri.

"Se le imperfezioni nel motore o negli ingranaggi del telescopio causavano un inseguimento del telescopio leggermente più veloce o più lento, potresti guardare la tua stella guida su un mirino a occhio, e mantienilo lentamente centrato mentre fai una lunga esposizione, "dice Douglas.

Negli anni '90, gli scienziati hanno iniziato a utilizzare i laser a terra come stelle guida artificiali eccitando il sodio nell'alta atmosfera, puntare i laser nel cielo per creare un punto di luce a circa 40 miglia da terra. Gli astronomi potrebbero quindi stabilizzare un telescopio utilizzando questa fonte di luce, che potrebbe essere generato ovunque l'astronomo volesse puntare il telescopio.

"Ora stiamo estendendo quell'idea, ma invece di puntare un laser da terra nello spazio, lo stiamo brillando dallo spazio, su un telescopio nello spazio, " dice Douglas. I telescopi terrestri hanno bisogno di stelle guida per contrastare gli effetti atmosferici, ma i telescopi spaziali per l'imaging di esopianeti devono contrastare piccoli cambiamenti nella temperatura del sistema e qualsiasi disturbo dovuto al movimento.

L'idea della stella guida laser spaziale è nata da un progetto finanziato dalla NASA. L'agenzia ha preso in considerazione progetti per grandi, telescopi segmentati nello spazio e hanno incaricato i ricercatori di trovare modi per ridurre il costo degli enormi osservatori.

"La ragione per cui questo è pertinente ora è che la NASA deve decidere nei prossimi due anni se questi grandi telescopi spaziali saranno la nostra priorità nei prossimi decenni, " dice Douglas. "Quel processo decisionale sta accadendo ora, proprio come il processo decisionale per il telescopio spaziale Hubble è avvenuto negli anni '60, ma non è stato lanciato fino agli anni '90.'"

Flotta stellare

Il laboratorio di Cahoy ha sviluppato comunicazioni laser da utilizzare in CubeSats, che sono satelliti delle dimensioni di una scatola da scarpe che possono essere costruiti e lanciati nello spazio a una frazione del costo dei veicoli spaziali convenzionali.

Per questo nuovo studio, i ricercatori hanno esaminato se un laser, integrato in un CubeSat o SmallSat leggermente più grande, potrebbe essere utilizzato per mantenere la stabilità di un grande, telescopio spaziale segmentato modellato sul LUVOIR della NASA (per Large UV Optical Infrared Surveyor), un design concettuale che include più specchi che sarebbero assemblati nello spazio.

I ricercatori hanno stimato che un telescopio del genere dovrebbe rimanere perfettamente fermo, entro 10 picometri, circa un quarto del diametro di un atomo di idrogeno, in modo che un coronografo di bordo possa effettuare misurazioni accurate della luce di un pianeta, a parte la sua stella.

"Qualsiasi disturbo sulla navicella spaziale, come un leggero cambiamento nell'angolo del sole, o un pezzo di elettronica che si accende e si spegne e cambia la quantità di calore dissipata attraverso il veicolo spaziale, causerà una leggera espansione o contrazione della struttura, " dice Douglas. "Se si ottengono disturbi maggiori di circa 10 picometri, inizi a vedere un cambiamento nel modello della luce delle stelle all'interno del telescopio, e i cambiamenti significano che non puoi sottrarre perfettamente la luce delle stelle per vedere la luce riflessa del pianeta."

Il team ha ideato un progetto generale per una stella guida laser che fosse abbastanza lontana da un telescopio da essere vista come una stella fissa, a circa decine di migliaia di chilometri di distanza, e che punti indietro e invii la sua luce verso il telescopio specchi, ognuno dei quali rifletterebbe la luce laser verso una telecamera di bordo. Quella fotocamera misurerebbe la fase di questa luce riflessa nel tempo. Qualsiasi cambiamento di 10 picometri o più segnalerebbe un compromesso alla stabilità del telescopio che, gli attuatori di bordo potrebbero quindi correggere rapidamente.

Per vedere se un tale progetto di stella guida laser sarebbe fattibile con la tecnologia laser odierna, Douglas e Cahoy hanno lavorato con i colleghi dell'Università dell'Arizona per trovare diverse sorgenti di luminosità, per capire, ad esempio, quanto dovrebbe essere luminoso un laser per fornire una certa quantità di informazioni sulla posizione di un telescopio, o per fornire stabilità utilizzando modelli di stabilità del segmento da grandi telescopi spaziali. Hanno quindi elaborato una serie di trasmettitori laser esistenti e hanno calcolato quanto stabile, forte, e lontano ogni laser dovrebbe essere dal telescopio per agire come una stella guida affidabile.

Generalmente, hanno scoperto che i progetti di stelle guida laser sono fattibili con le tecnologie esistenti, e che il sistema potrebbe adattarsi interamente a un SmallSat delle dimensioni di un piede cubo. Douglas afferma che una singola stella guida potrebbe plausibilmente seguire lo "sguardo, " viaggiando da una stella all'altra mentre il telescopio cambia i suoi obiettivi di osservazione. Tuttavia, ciò richiederebbe che l'astronave più piccola percorre centinaia di migliaia di miglia in coppia con il telescopio a distanza, mentre il telescopio si riposiziona per guardare stelle diverse.

Anziché, Douglas dice che una piccola flotta di stelle guida potrebbe essere schierata, conveniente, e spaziati nel cielo, per aiutare a stabilizzare un telescopio mentre rileva più sistemi esoplanetari. Cahoy sottolinea che il recente successo dei MARCO CubeSats della NASA, che ha supportato il lander Mars Insight come relè di comunicazione, dimostra che CubeSat con sistemi di propulsione può funzionare nello spazio interplanetario, per lunghi periodi e a grandi distanze.

"Ora stiamo analizzando i sistemi di propulsione esistenti e cercando di capire il modo ottimale per farlo, e quante astronavi vorremmo scavalcarsi a vicenda nello spazio, " dice Douglas. "Alla fine, pensiamo che questo sia un modo per abbattere il costo di questi grandi, telescopi spaziali segmentati."