Chiunque abbia mai visto aerei impegnati in voli in formazione può apprezzare l'impresa di rimanere altamente sincronizzati mentre si è in volo. Nel lavoro sponsorizzato dall'Exoplanet Exploration Program (ExEP) della NASA, ingegneri del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, California, stanno prendendo la formazione volando a un nuovo estremo.

Il loro lavoro segna un'importante pietra miliare all'interno di un programma più ampio per testare la fattibilità di una tecnologia chiamata ombra stellare. Sebbene le ombre delle stelle non abbiano mai volato nello spazio, hanno il potenziale per consentire osservazioni rivoluzionarie di pianeti oltre il nostro sistema solare, comprese le immagini di pianeti piccoli come la Terra.

Una futura missione all'ombra delle stelle coinvolgerebbe due veicoli spaziali. Uno sarebbe un telescopio spaziale a caccia di pianeti in orbita attorno a stelle al di fuori del nostro sistema solare. L'altro veicolo spaziale volerebbe circa 25, 000 miglia (40, 000 chilometri) davanti ad esso, portando un grande, ombra piatta. L'ombra si dispiegherebbe come un fiore che sboccia, completo di "petali", e bloccherebbe la luce di una stella, permettendo al telescopio di avere una visione più chiara di qualsiasi pianeta in orbita. Ma funzionerebbe solo se le due astronavi restassero, nonostante la grande distanza che li separa, allineati entro 3 piedi (1 metro) l'uno dall'altro. Più, e la luce delle stelle si sarebbe infiltrata attorno all'ombra nella vista del telescopio e avrebbe sopraffatto deboli esopianeti.

"Le distanze di cui stiamo parlando per la tecnologia Starshade sono un po' difficili da immaginare, ", ha affermato l'ingegnere JPL Michael Bottom. "Se l'ombra delle stelle fosse ridotta alle dimensioni di un sottobicchiere, il telescopio avrebbe le dimensioni di una gomma da matita e sarebbero separati da circa 100 chilometri. Ora immagina che quei due oggetti fluttuano liberamente nello spazio. Stanno entrambi sperimentando questi piccoli strattoni e spinte dalla gravità e da altre forze, e su quella distanza stiamo cercando di mantenerli entrambi allineati con precisione entro circa 2 millimetri."

I ricercatori hanno trovato migliaia di esopianeti senza l'uso di un'ombra stellare, ma nella maggior parte dei casi gli scienziati hanno scoperto questi mondi indirettamente. Il metodo di transito, Per esempio, rileva la presenza di un pianeta mentre passa davanti alla sua stella madre e provoca un calo temporaneo della luminosità della stella. Solo in relativamente pochi casi gli scienziati hanno preso immagini dirette di esopianeti.

Bloccare la luce delle stelle è la chiave per ottenere immagini più dirette e, infine, allo svolgimento di studi approfonditi delle atmosfere planetarie o alla ricerca di indizi sulle caratteristiche superficiali dei mondi rocciosi. Tali studi hanno il potenziale per rivelare per la prima volta segni di vita oltre la Terra.

In cerca di ombra

L'idea di utilizzare un'ombra stellare spaziale per studiare gli esopianeti è stata inizialmente proposta negli anni '60, quattro decenni prima della scoperta dei primi pianeti extrasolari. E mentre la capacità di puntare stabilmente un singolo veicolo spaziale verso un oggetto distante non è nuova, o, mantenere due veicoli spaziali allineati tra loro verso un oggetto sullo sfondo rappresenta un diverso tipo di sfida.

I ricercatori che lavorano allo sviluppo della tecnologia Starshade di ExEP, noto come S5, sono stati incaricati dalla NASA di sviluppare la tecnologia starshade per possibili future missioni di telescopi spaziali. Il team S5 sta affrontando tre lacune tecnologiche che dovrebbero essere colmate prima che una missione Starshade possa essere pronta per andare nello spazio.

Il lavoro svolto da Bottom e dal collega ingegnere del JPL Thibault Flinois colma una di queste lacune confermando che gli ingegneri potrebbero realisticamente produrre una missione di ombra stellare che soddisfi questi rigorosi requisiti di "rilevamento e controllo della formazione". I loro risultati sono descritti nel rapporto S5 Milestone 4, disponibile sul sito ExEP.

Entra in formazione

Le specifiche di una particolare missione di ombra stellare, compresa la distanza esatta tra i due veicoli spaziali e la dimensione dell'ombra, dipenderebbero dalle dimensioni del telescopio. Il rapporto S5 Milestone 4 ha esaminato principalmente un intervallo di separazione compreso tra 12, da 500 a 25, 000 miglia (20, 000 a 40, 000 chilometri), con un'ombra di 85 piedi (26 metri) di diametro. Questi parametri funzionerebbero per una missione delle dimensioni del Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) della NASA. un telescopio con uno specchio primario di 2,4 metri di diametro impostato per il lancio a metà degli anni '20.

WFIRST trasporterà una diversa tecnologia di blocco della luce stellare, chiamato un coronografo, che si trova all'interno del telescopio e offre i suoi punti di forza unici nello studio degli esopianeti. Questa dimostrazione tecnologica sarà il primo coronografo stellare ad alto contrasto ad andare nello spazio, consentendo a WFIRST di visualizzare direttamente esopianeti giganti simili a Nettuno e Giove.

Le tecnologie Starshade e coronografo funzionano separatamente, ma Bottom ha testato una tecnica con cui WFIRST poteva rilevare quando un'ipotetica ombra stellare si spostava leggermente fuori allineamento. Una piccola quantità di luce stellare si piegherebbe inevitabilmente attorno all'ombra stellare e formerebbe uno schema chiaro e scuro sulla parte anteriore del telescopio. Il telescopio vedrebbe il modello utilizzando una fotocamera pupillare, che può fotografare la parte anteriore del telescopio dall'interno, come fotografare un parabrezza dall'interno di un'auto.

Precedenti indagini sull'ombra delle stelle avevano preso in considerazione questo approccio, ma Bottom lo ha reso realtà costruendo un programma per computer in grado di riconoscere quando il modello chiaro-scuro era centrato sul telescopio e quando si era spostato fuori centro. Bottom ha scoperto che la tecnica funziona molto bene come modo per rilevare il movimento dell'ombra stellare.

"Possiamo percepire un cambiamento nella posizione dell'ombra stellare fino a un pollice, anche su queste enormi distanze, " ha detto il basso.

Ma rilevare quando l'ombra stellare è fuori allineamento è una proposta completamente diversa dal mantenerla effettivamente allineata. A quello scopo, Flinois e i suoi colleghi hanno sviluppato una serie di algoritmi che utilizzano le informazioni fornite dal programma di Bottom per determinare quando i propulsori stellari dovrebbero attivarsi per riportarli in posizione. Gli algoritmi sono stati creati per mantenere autonomamente l'ombra stellare allineata con il telescopio per giorni interi.

In combinazione con il lavoro di Bottom, ciò dimostra che mantenere allineati i due veicoli spaziali è fattibile utilizzando sensori automatizzati e controlli del propulsore. Infatti, the work by Bottom and Flinois demonstrates that engineers could reasonably meet the alignment demands of an even larger starshade (in conjunction with a larger telescope), positioned up to 46, 000 miles (74, 000 kilometers) from the telescope.

"With such an unusually large range of scales at play here, it can be very counterintuitive that this would be possible at first glance, " Flinois said.

A starshade project has not yet been approved for flight, but one could potentially join WFIRST in space in the late 2020s. Meeting the formation-flying requirement is just one step toward demonstrating that the project is feasible.

"This to me is a fine example of how space technology becomes ever more extraordinary by building upon its prior successes, " said Phil Willems, manager of NASA's Starshade Technology Development activity. "We use formation flying in space every time a capsule docks at the International Space Station. But Michael and Thibault have gone far beyond that, and shown a way to maintain formation over scales larger than Earth itself."