Mise nových světů - New Worlds Mission

Hvězdný stín s vesmírnou observatoří během nasazení
Video ukázka hvězdného stínu
Test okuláru hvězdného stínu, 2014

The New Worlds Mission je navrhovaný projekt zahrnující velké okultní létání ve formaci určené k blokování světla blízkých hvězd za účelem pozorování jejich obíhajících exoplanet . Pozorování lze provádět pomocí existujícího vesmírného dalekohledu, případně vesmírného dalekohledu Jamese Webba při jeho spuštění, nebo speciálního optického dalekohledu viditelného světla, který je optimálně navržen pro hledání exoplanet. Předběžný výzkumný projekt byl financován v letech 2005 až 2008 NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) a vedl jej Webster Cash z University of Colorado v Boulderu ve spolupráci s Ball Aerospace & Technologies Corp. , Northrop Grumman , Southwest Research Institute a dalšími. Od roku 2010 projekt hledá další financování ze strany NASA a dalších zdrojů ve výši zhruba 3 miliard USD, včetně vlastního čtyřmetrového dalekohledu, nebo 750 milionů USD na jednu hvězdnou clonu pro použití s ​​vesmírným dalekohledem Jamese Webba. Pokud bude financován a spuštěn, bude fungovat pět let.

Účel

V současné době je přímá detekce extrasolárních planet (nebo exoplanet) extrémně obtížná. Důvodem je především:

  • Exoplanety, které se při pozorování v astronomických vzdálenostech objevují extrémně blízko svých hvězd. I nejbližší hvězdy jsou vzdálené několik světelných let . To znamená, že při hledání exoplanet, dalo by se obvykle pozoruje velmi malé úhly od hvězdy, v řádu několika desítek Milli - arcseconds . Tyto malé úhly nelze z astronomického pohledu vyřešit ze země .
  • Exoplanety jsou extrémně slabé ve srovnání s hostitelskými hvězdami. Hvězda bude obvykle přibližně miliardkrát jasnější než obíhající planeta. Díky tomu je téměř nemožné vidět planety proti záři hvězdy.

Obtížnost pozorovat tak temnou planetu tak blízko jasné hvězdě je překážkou, která bránila astronomům v přímém fotografování exoplanet. K dnešnímu dni byla vyfotografována jen hrstka exoplanet. První exoplaneta, která má být vyfotografována, 2M1207b , je na oběžné dráze kolem hvězdy zvané 2M1207 . Astronomové dokázali tuto planetu vyfotografovat jen proto, že se jedná o velmi neobvyklou planetu, která je velmi daleko od své hostitelské hvězdy, přibližně 55 astronomických jednotek (přibližně dvojnásobek vzdálenosti Neptunu ). Planeta navíc obíhá kolem velmi matné hvězdy, známé jako hnědý trpaslík .

Aby překonala obtížnost rozlišit více planet podobných Zemi v blízkosti jasné hvězdy, Mise nových světů zablokovala světlo hvězdy pomocí occulter . Occulter by blokoval veškeré světlo hvězd v přístupu k pozorovateli a zároveň by umožnilo nerušenému průchodu světla planety. Hvězdný stín měl průměr desítek metrů a byl pravděpodobně vyroben z Kaptonu , lehkého materiálu podobného Mylaru .

Metody

Hlavní článek: Metody detekce extrasolárních planet

Tradiční metody detekce exoplanet se spoléhají na nepřímé prostředky k odvození existence orbitálních těles. Mezi tyto metody patří:

Všechny tyto metody poskytují přesvědčivé důkazy o existenci extrasolárních planet, ale žádná z nich neposkytuje skutečné snímky planet.

Žlutý kruh představuje hvězdu, jejíž světlo je cloněno occulterem. Modrý kruh představuje planetu, jejíž světlo nerušeně přechází k pozorovateli.

Cílem mise New Worlds je zablokovat clonu světlo přicházející z blízkých hvězd. To by umožnilo přímé pozorování obíhajících planet. Occulter by byl velký kotoučový kotouč, který letěl tisíce kilometrů podél zorného pole. Disk by pravděpodobně měl průměr několik desítek metrů a zapadl by do stávajících spotřebních nosných raket a byl by po startu nasazen.

Jedním z problémů tohoto konceptu je, že světlo přicházející z cílové hvězdy by se rozptýlilo kolem disku a konstruktivně rušilo podél centrální osy. Světlo hvězd by tak bylo stále snadno viditelné, což by znemožnilo detekci planety. Tento koncept poprvé skvěle zformuloval Siméon Poisson , aby vyvrátil vlnovou teorii světla, protože považoval existenci jasného bodu ve středu stínu za nesmyslnou. Nicméně Dominique Arago experimentálně ověřena existence místě Arago . Tento efekt lze vyvrátit konkrétním tvarováním okuláru. Přidáním speciálně tvarovaných okvětních lístků na vnější okraj disku zmizí bod Arago, což umožní potlačení světla hvězdy.

Tato technika by umožnila planetární detekci hvězdám ve vzdálenosti přibližně 10 parseků (asi 32 světelných let ) od Země. Odhaduje se, že v této vzdálenosti by mohlo být až několik tisíc exoplanet . Stín hvězd je podobný, ale neměl by být zaměňován s Aragoscope , což je navrhované zobrazovací zařízení určené k použití difrakce světla kolem dokonale kruhového světelného štítu k vytvoření obrazu. Hvězdný stín je navržený koronografický disk ve tvaru slunečnice, který byl navržen tak, aby blokoval hvězdné světlo, které interferuje s teleskopickými pozorováními jiných světů. „Okvětní lístky“ hvězdicového tvaru „slunečnice“ jsou navrženy tak, aby eliminovaly difrakci, která je ústředním prvkem aragoskopu .

Hvězdný stín je kosmická loď navržená Websterem Cashem, astrofyzikem z University of Colorado v Boulderově středisku pro astrofyziku a vesmírnou astronomii. Navrhovaná kosmická loď je navržena tak, aby spolupracovala s vesmírnými dalekohledy, jako je dalekohled Jamese Webba nebo nový 4metrový dalekohled. Letěl by 72 000 km (45 000 mil) před vesmírným dalekohledem (mezi dalekohledem a cílovou hvězdou ) a přibližně 234 600 mil (384 000 km) od Země, mimo heliocentrickou oběžnou dráhu Země . Po rozvinutí hvězdný stín připomíná slunečnici se špičatými výstupky po celém obvodu. Hvězdný stín funguje jako velmi velký koronograf : blokuje světlo vzdálené hvězdy, což usnadňuje pozorování souvisejících planet . Rozvinutý hvězdný stín mohl snížit shromážděné světlo jasných hvězd až 10 miliardkrát. Světlo, které „prosakuje“ kolem okrajů, by použil dalekohled, protože skenuje v cílovém systému planety . S redukcí ostrého světla budou astronomové schopni zkontrolovat exoplanetové atmosféry vzdálené několik desítek bilionů kilometrů, zda neobsahují potenciální chemické podpisy života .

Cíle

Umělecké vidění ukazující obrys occulter před kosmickým dalekohledem se stylově přidanými oběžnými dráhami exoplanet (ne v měřítku)

Cílem mise New Worlds je objevit a analyzovat suchozemské extrasolární planety :

  1. Detekce: Nejprve pomocí kosmického dalekohledu a „hvězdného stínění“ neboli clony budou přímo detekovány exoplanetární systémy.
  2. Mapování systému: Po detekci by mapování systému zahrnovalo přímé mapování planetárních systémů prostřednictvím detekce planetárního světla odděleně od mateřské hvězdy. Na dostatečně kvalitním snímku by se planety objevily jako jednotlivé objekty podobné hvězdám. Řada snímků planetárního systému by umožňovala měření planetárních oběžných drah a jas a širokopásmové barvy planet by poskytovaly informace o jejich základní povaze.
  3. Planetové studie: V této fázi by probíhalo podrobné studium jednotlivých planet. S nízkou úrovní šumu a skromným signálem lze provádět spektroskopii a fotometrii . Spektroskopie umožňuje vědcům provádět chemickou analýzu atmosféry a povrchů , což by mohlo vést k vodítkům o existenci života jinde ve vesmíru . Fotometrie ukáže rozdíly v barvě a intenzitě, jak se povrchové prvky otáčejí dovnitř a ven ze zorného pole, což umožňuje detekci oceánů, kontinentů, polárních čepic a mraků.
  4. Planetové zobrazování: K dosažení skutečného zobrazování planet je nutné velké zvýšení kapacity. Techniky interferometrie však ukazují, že je toho v zásadě možné dosáhnout. Padesát až sto procent povrchu planety lze teoreticky zmapovat, v závislosti na sklonu planety .
  5. Planetární hodnocení: Posledním krokem ve studiích extrasolárních planet by byla schopnost studovat tyto vzdálené světy stejným způsobem, jakým systémy pro pozorování Země studují zemský povrch. Takový dalekohled by musel být extrémně velký, aby nashromáždil dostatek světla k rozlišení a analýze malých detailů na povrchu planety. Tyto druhy studií však nespočívají v dohledné budoucnosti, protože k zachycení potřebného signálu je zapotřebí kilometrů čtverečních sběrné oblasti.

Kromě hledání a analýzy pozemských planet může také objevovat a analyzovat plynné obry . Mise nových světů také najde měsíce a prsteny obíhající kolem extrasolárních planet. Tato technika bude zahrnovat přímé zobrazování planet blokováním hvězdného světla hvězdným stínem. Bude podrobně studovat měsíce a prstence a zjistit, zda mohou měsíce také podporovat život, pokud obíhají planety plynných obrů v obyvatelných zónách mateřských hvězd.

Architektura

Existuje mnoho možností pro různé mise nových světů, z nichž tři jsou:

  1. Společnost New Worlds Discoverer navrhla k vyhledání exoplanet použít existující vesmírný dalekohled (například dalekohled James Webb, který bude brzy uveden na trh). Velikost hvězdného stínu mohla být optimalizována pro pozorovací dalekohled.
  2. New Worlds Observer by k nalezení exoplanet použil dvě kosmické lodě, jednu s vyhrazeným dalekohledem a druhou s hvězdnou clonou. Rovněž je třeba zvážit možnost dvou hvězdných stínů. Jeden hvězdný stín směřuje k požadovanému cíli, zatímco druhý se pohybuje do polohy pro další cíl. To by eliminovalo část časového zpoždění při pozorování různých systémů a umožnilo pozorovat mnohem více cílů ve stejném časovém rozmezí.
  3. New Worlds Imager by používal mnoho kosmických lodí / hvězdných stínů. To by umožnilo pozorovatelům vyřešit planetu a získat skutečné planetární zobrazování.

Viz také

Reference

externí odkazy