Molto prima che venisse dispiegato nell'orbita terrestre bassa dalla Stazione Spaziale Internazionale nel novembre 2017, la minuscola navicella spaziale ASTERIA aveva un grande obiettivo:dimostrare che un satellite delle dimensioni di una valigetta poteva svolgere alcuni dei compiti complessi che osservatori spaziali molto più grandi usano per studiare gli esopianeti, o pianeti al di fuori del nostro sistema solare. Un nuovo articolo di prossima pubblicazione su Giornale Astronomico descrive come ASTERIA (abbreviazione di Arcsecond Space Telescope Enabling Research in Astrophysics) non ha solo dimostrato di poter svolgere quei compiti, ma è andato ben oltre, rilevamento del noto pianeta extrasolare 55 Cancri e.

Caldo torrido e grande circa il doppio della Terra, 55 Cancri e orbita estremamente vicino alla sua stella madre simile al Sole. Gli scienziati conoscevano già la posizione del pianeta; cercarlo era un modo per testare le capacità di ASTERIA. Il minuscolo veicolo spaziale non è stato inizialmente progettato per eseguire attività scientifiche; piuttosto, come dimostrazione di tecnologia, l'obiettivo della missione era quello di sviluppare nuove capacità per le missioni future. Il salto tecnologico del team è stato quello di costruire un piccolo veicolo spaziale in grado di effettuare un controllo di puntamento preciso, essenzialmente la capacità di rimanere focalizzati molto costantemente su un oggetto per lunghi periodi.

Con sede presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California e presso il Massachusetts Institute of Technology, il team della missione ha progettato nuovi strumenti e hardware, spingendo oltre le barriere tecnologiche esistenti per creare il loro carico utile. Poi hanno dovuto testare il loro prototipo nello spazio. Sebbene la sua missione principale fosse di soli 90 giorni, ASTERIA ha ricevuto tre estensioni di missione prima che il team perdesse i contatti con essa lo scorso dicembre.

Il CubeSat ha utilizzato il controllo di puntamento fine per rilevare 55 Cancri e tramite il metodo di transito, in cui gli scienziati cercano cali nella luminosità di una stella causati da un pianeta di passaggio. Quando si effettuano rilevamenti di esopianeti in questo modo, i movimenti o le vibrazioni di una navicella spaziale possono produrre oscillazioni nei dati che potrebbero essere interpretati erroneamente come cambiamenti nella luminosità della stella. La navicella deve rimanere stabile e mantenere la stella centrata nel suo campo visivo. Ciò consente agli scienziati di misurare con precisione la luminosità della stella e identificare i piccoli cambiamenti che indicano che il pianeta le è passato davanti, bloccando parte della sua luce.

ASTERIA segue le orme di un piccolo satellite pilotato dall'Agenzia spaziale canadese chiamato MOST (Microvariability and Oscillations of Stars), che nel 2011 ha effettuato la prima rilevazione di transito di 55 Cancri e. MOST era circa sei volte il volume di ASTERIA, ancora incredibilmente piccolo per un satellite di astrofisica. Dotato di un telescopio da 5,9 pollici (15 centimetri), MOST era anche in grado di raccogliere sei volte più luce di ASTERIA, che trasportava un telescopio da 2,4 pollici (6 centimetri). Perché 55 Cancri e blocca solo lo 0,04% della luce della sua stella ospite, era un obiettivo particolarmente impegnativo per ASTERIA.

"Rilevare questo esopianeta è eccitante, perché mostra come queste nuove tecnologie si fondono in una reale applicazione, " ha detto Vanessa Bailey, il ricercatore principale per il team scientifico degli esopianeti di ASTERIA al JPL. "Il fatto che ASTERIA sia durata più di 20 mesi oltre la sua missione principale, dandoci del tempo extra prezioso per fare scienza, mette in evidenza la grande ingegneria che è stata fatta al JPL e al MIT."

Grande impresa

La missione ha effettuato quello che è noto come un rilevamento marginale, il che significa che i dati del transito non lo sarebbero, da solo, hanno convinto gli scienziati dell'esistenza del pianeta. (Segnali deboli che sembrano simili al transito di un pianeta possono essere causati da altri fenomeni, quindi gli scienziati hanno uno standard elevato per dichiarare il rilevamento di un pianeta.) Ma confrontando i dati del CubeSat con le precedenti osservazioni del pianeta, il team ha confermato che stavano effettivamente vedendo 55 Cancri e. Come dimostrazione tecnica, ASTERIA inoltre non si è sottoposta ai tipici preparativi pre-lancio per una missione scientifica, il che significava che il team doveva svolgere un lavoro aggiuntivo per garantire l'accuratezza del rilevamento.

"Abbiamo inseguito un obiettivo difficile con un piccolo telescopio che non era nemmeno ottimizzato per effettuare rilevamenti scientifici e l'abbiamo ottenuto, anche se appena, " disse Mary Knapp, lo scienziato del progetto ASTERIA presso l'Osservatorio Haystack del MIT e autore principale dello studio. "Penso che questo documento convalidi il concetto che ha motivato la missione ASTERIA:che una piccola navicella spaziale può contribuire in qualche modo all'astrofisica e all'astronomia".

Sebbene sarebbe impossibile racchiudere tutte le capacità di un veicolo spaziale più grande per la caccia di esopianeti come il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA in un CubeSat, il team di ASTERIA immagina che questi piccoli pacchetti giochino un ruolo di supporto per loro. Piccoli satelliti, con meno richieste sul loro tempo, potrebbe essere usato per monitorare una stella per lunghi periodi nella speranza di rilevare un pianeta sconosciuto. O, dopo che un grande osservatorio scopre un pianeta in transito sulla sua stella, un piccolo satellite potrebbe osservare i successivi transiti, liberando il telescopio più grande per fare il lavoro che i satelliti più piccoli non possono.

L'astrofisica Sara Seager, ricercatore principale per ASTERIA al MIT, è stato recentemente insignito di una borsa di studio della NASA Astrofisica Science SmallSat Studies per sviluppare un concetto di missione per un follow-on di ASTERIA. La proposta descrive una costellazione di sei satelliti grandi circa il doppio di ASTERIA che cercherebbero esopianeti di dimensioni simili alla Terra attorno a stelle simili al Sole vicine.

Pensare in piccolo

Per costruire il più piccolo satellite per la caccia al pianeta della storia, l'ASTERIA non stava semplicemente riducendo l'hardware utilizzato su veicoli spaziali più grandi. In molti casi, hanno dovuto adottare un approccio più innovativo. Per esempio, il satellite MOST utilizzava una telecamera con un rilevatore di dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD), che è comune per i satelliti spaziali; ASTERIA, d'altra parte, è stato dotato di un rivelatore complementare a semiconduttore a ossido di metallo (CMOS), una tecnologia consolidata tipicamente utilizzata per effettuare misurazioni di precisione della luminosità nella luce infrarossa, luce non visibile. Basato su CMOS di ASTERIA, la telecamera a luce visibile offriva molteplici vantaggi rispetto a un CCD. Uno grande:ha contribuito a mantenere ASTERIA piccolo perché funzionava a temperatura ambiente, eliminando la necessità del grande sistema di raffreddamento richiesto da un CCD funzionante a freddo.

"Questa missione ha riguardato principalmente l'apprendimento, " disse Akshata Krishnamurthy, co-investigatore e co-responsabile dell'analisi dei dati scientifici per ASTERIA al JPL. "Abbiamo scoperto così tante cose che i futuri piccoli satelliti saranno in grado di fare meglio perché abbiamo dimostrato prima la tecnologia e le capacità. Penso che abbiamo aperto le porte".