Деформируемые зеркала в космосе: ключевая технология для прямого изображения экзопланет

Наблюдение за удаленными объектами — непростая задача из-за плотной атмосферы нашей планеты. Когда свет проходит через ее верхние слои, он преломляется и искажается, что значительно затрудняет различение объектов на космологических расстояниях (миллиарды световых лет) и небольших объектов в соседних звездных системах, таких как экзопланеты.

У астрономов есть только два пути решения этой проблемы: отправить телескопы в космос или оснастить телескопы зеркалами, способными компенсировать атмосферные искажения.

С 1970 года НАСА и ЕКА запустили на орбиту более 90 космических телескопов, и 29 из них все еще активны. Но в ближайшие годы все большее число наземных телескопов будет оснащено адаптивной оптикой (АО), которая позволит им проводить передовые астрономические исследования.

Сюда входит изучение экзопланет, которые телескопы следующего поколения смогут наблюдать напрямую с помощью коронографов и самонастраивающихся зеркал. Это позволит астрономам получать спектры непосредственно из их атмосфер и охарактеризовать их, чтобы определить, пригодны ли они для жизни.

НАСА занимается разработкой адаптивной оптики в рамках своего проекта «Технология деформируемых зеркал», который реализуется в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института и спонсируется программами Стратегических астрофизических технологий (SAT) Отдела астрофизики НАСА и программами НАСА по инновационным исследованиям (SBIR).

Непосредственное изображение экзопланет

В последние годы область исследований экзопланет резко возросла: 5539 подтвержденных кандидатов в 4129 системах и еще более 10 000 ожидают подтверждения.

Поиск пригодных для жизни планет среди множества кандидатов имеет решающее значение для решения одной из величайших загадок всех времен: одни ли мы во Вселенной? Благодаря достижениям в области приборостроения, расширенной аналитики и обмена данными эта область перешла от открытий к определению характеристик. Однако на сегодняшний день большинство экзопланет обнаружено косвенными методами.

Чтобы сделать изучение эффективным, ученым необходимо иметь возможность напрямую наблюдать за экзопланетами. Это известно как метод прямого изображения, при котором астрономы изучают свет, отраженный непосредственно от атмосферы и/или поверхности экзопланеты. Затем этот свет анализируется с помощью спектрометров для определения его химического состава, что позволяет астрономам ограничить обитаемость. К сожалению, очень сложно определить меньшие, каменистые планеты, которые вращаются ближе к своим родительским звездам – именно там, как ожидается, будут обнаружены планеты земного типа – из-за сильного яркого света от их звезд.

Вероятно, ситуация изменится с появлением передовых телескопов, таких как Джеймс Уэбб, а также телескопов следующего поколения, таких как Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT), Гигантский Магелланов Телескоп (GMT) и Тридцатиметровый Телескоп (TMT).

Эти наземные комплексы будут сочетать в себе 30-метровые главные зеркала, современные спектрометры и коронографы (приборы, блокирующие звездный свет). Деформируемые зеркала являются важным компонентом коронографа, поскольку они могут исправить мельчайшие недостатки телескопа и удалить оставшееся загрязнение звездного света.

Это важно, поскольку смещение между зеркалами или изменение формы зеркала – то есть, что приводит к нестабильности оптики телескопа – может привести к появлению бликов, которые затруднят обнаружение более мелких скалистых экзопланет. Более того, обнаружение планеты, похожей на Землю, требует чрезвычайно точного оптического качества в 10 пикометров (пм) – примерно такого же размера, как атом водорода. Это требует очень точного управления зеркалами телескопа в режиме реального времени, которое может корректировать любой источник помех.

Деформируемые зеркала

Деформируемые зеркала (DM) основаны на точно управляемых приводах, изменяющих форму отражающего зеркала. Что касается наземных телескопов, DM позволяют им регулировать оптический путь падающего света, чтобы исправить внешние возмущения (например, атмосферную турбулентность), оптические смещения или дефекты в телескопе. Для космических телескопов DМ не требуется вносить поправку на атмосферу Земли, но необходимо вносить поправку на очень небольшие оптические возмущения, которые возникают, когда космический телескоп и его инструменты нагреваются и остывают на орбите.

Наземные деформируемые зеркала были протестированы и обладают самыми современными характеристиками, но необходимы дальнейшие разработки для космических DM, которые будут использовать будущие миссии.

В настоящее время для космических миссий разрабатываются две основные технологии приводов DM: электрострикционная технология и электростатически-принудительные микроэлектромеханические системы (MEMS).

В первом случае приводы механически соединены с DM и сжимаются, изменяя поверхность зеркала при подаче напряжения. Второй состоит из зеркальных поверхностей, деформируемых электростатической силой между электродом и зеркалом.

Несколько команд подрядчиков, спонсируемых НАСА, продвигают технологию DM, в том числе DM MEMS производства Boston Micromachines Corporation (BMC) и электрострикционные DM производства AOA Xinetics (AOX).

Оба зеркала BMC были протестированы в условиях вакуума и прошли вибрационные испытания при запуске, а зеркала AOX также прошли вакуумные испытания и были сертифицированы для космических полетов. Хотя наземные DM подтвердили эту технологию – как, например, коронограф BMC в обсерватории Джемини – необходимо предпринять шаги по разработке DM для будущих космических телескопов.

Обсерватории будущего

НАСА планирует продемонстрировать эффективность DM с помощью демонстратора технологии хронографа, который будет запущен на борту космического телескопа Нэнси Грейс Роман (RST) в мае 2027 года.

Уроки, извлеченные из этой демонстрации, помогут создать еще более сложную систему для Обсерватории обитаемых миров — Habitable Worlds Observatory (HWO).

Предлагаемая миссия НАСА будет непосредственно отображать планетные системы вокруг звезд, подобных Солнцу (запуск запланирован на 2035 год). Для HWO потребуются DM с примерно 10 000 приводами, каждый из которых будет опираться на высоковольтные соединения, что станет серьезной проблемой при проектировании.

HWO также потребует беспрецедентных требований к управлению волновым фронтом вплоть до смещения на ~10 пикометров и стабильность поверхности DМ ~ 10 пм/час. Эти требования будут способствовать развитию не только технологий DM, но и управляющей ими электроники, поскольку разрешение и стабильность во многом зависят от качества командных сигналов, отправляемых контроллером.

Для обеспечения этого необходимо использование фильтров для удаления любого электронного шума. Эту работу будет контролировать отдел астрофизики НАСА, который готовит технологическую дорожную карту для дальнейшего повышения производительности DM для обеспечения возможности HWO.