Путеводная звезда для телескопа

За пределами нашей солнечной системы существует более 3900 подтвержденных планет. Большинство из них были обнаружены из-за «транзитов» — случаев, когда планета пересекает свою звезду, на мгновение блокируя ее свет. Эти провалы в звездном свете могут немного рассказать астрономам о размере планеты и ее расстоянии от звезды.

Но чтобы узнать больше о планете, в том числе о том, есть ли у нее кислород, вода и другие признаки жизни, нужны гораздо более мощные инструменты. В идеале, это были бы гораздо большие телескопы в космосе с такими же светорассеивающими зеркалами, как у крупнейших наземных обсерваторий. Инженеры НАСА в настоящее время разрабатывают проекты для таких космических телескопов следующего поколения, в том числе «сегментированные» телескопы с несколькими небольшими зеркалами, которые можно собрать или развернуть, чтобы сформировать один очень большой телескоп после запуска в космос.

Будущий космический телескоп Джеймса Уэбба, созданный НАСА, является примером сегментированного основного зеркала диаметром 6,5 метра и 18 шестиугольных сегментов. Ожидается, что космические телескопы следующего поколения будут иметь диаметр зеркала свыше 15 метров и содержать более 100 зеркальных сегментов.

Одна из проблем для сегментированных космических телескопов заключается в том, как сохранить стабильность зеркальных сегментов и направить их в одну сторону к экзопланетной системе. Такие телескопы будут оснащены коронографами — инструментами, которые достаточно чувствительны, чтобы различать свет, излучаемый звездой, и значительно более слабый свет, излучаемый экзопланетой. Но малейший сдвиг в любой части телескопа может привести к сбоям измерений на коронографе и нарушению измерений характеристик планеты.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института предлагают, чтобы второй космический аппарат размером с небольшую коробку (CubeSats), оснащенный простым лазером, мог летать на расстоянии от большого космического телескопа и выступать в роли «направляющей звезды», обеспечивая устойчивый яркий свет вблизи системы цели, который телескоп мог бы использовать в качестве ориентира в пространстве, чтобы сохранить себя в стабильном положении.

В статье, опубликованной сегодня в Astronomical Journal, исследователи показывают, что разработка такой лазерной направляющей звезды была бы осуществима с использованием существующих сегодня технологий. Исследователи говорят, что использование лазерного излучения от второго космического аппарата для стабилизации системы ослабляет потребность в точности в большом сегментированном телескопе, экономя время и деньги и позволяя создавать более гибкие конструкции телескопа.

«В нашем документе предполагается, что в будущем мы сможем построить телескоп, который будет немного более гибким и сможет использовать яркий источник в качестве эталона для поддержания его стабильности», — говорит Эван Дуглас, ученый из Отдел аэронавтики и космонавтики Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи.

В 1990-х годах ученые начали использовать лазеры на земле в качестве искусственных направляющих звезд, возбуждая натрий в верхних слоях атмосферы, направляя лазеры в небо, чтобы создать точку света в 60 километрах от земли. Астрономы могли затем стабилизировать телескоп, используя этот источник света, который мог генерироваться в любом направлении.

«Сейчас мы расширяем эту идею, но вместо того, чтобы направлять лазер с земли в космос, мы излучаем его из космоса на телескоп в космосе», — говорит Дуглас. Наземным телескопам необходимы направляющие звезды для противодействия атмосферным воздействиям, а космические телескопы для получения изображений экзопланет должны противостоять мелким изменениям температуры системы и любым помехам, вызванным движением.

E. S. Douglas et al. Laser Guide Star for Large Segmented-aperture Space Telescopes. I. Implications for Terrestrial Exoplanet Detection and Observatory Stability, The Astronomical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-3881/aaf385