Långt innan den sattes ut i låg omloppsbana från den internationella rymdstationen i november 2017, den lilla rymdfarkosten ASTERIA hade ett stort mål:att bevisa att en satellit ungefär lika stor som en portfölj kunde utföra några av de komplexa uppgifter som mycket större rymdobservatorier använder för att studera exoplaneter, eller planeter utanför vårt solsystem. En ny tidning kommer snart att publiceras i Astronomisk tidskrift beskriver hur ASTERIA (förkortning för Arcsecond Space Telescope Enabling Research in Astrophysics) inte bara visade att det kunde utföra dessa uppgifter utan gick utöver det, detektera den kända exoplaneten 55 Cancri e.

Glödhett och ungefär dubbelt så stort som jorden, 55 Cancri e kretsar extremt nära sin solliknande moderstjärna. Forskare visste redan var planeten var; att leta efter det var ett sätt att testa ASTERIAs kapacitet. Den lilla rymdfarkosten var från början inte utformad för att utföra vetenskap; snarare, som en teknisk demonstration, uppdragets mål var att utveckla nya förmågor för framtida uppdrag. Teamets tekniska språng var att bygga en liten rymdfarkost som kunde utföra finpekningskontroll - i huvudsak förmågan att hålla sig mycket stadigt fokuserad på ett objekt under långa perioder.

Baserad vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien och vid Massachusetts Institute of Technology, uppdragsteamet konstruerade nya instrument och hårdvara, förbi befintliga tekniska barriärer för att skapa sin nyttolast. Sedan fick de testa sin prototyp i rymden. Även om dess främsta uppdrag bara var 90 dagar, ASTERIA fick tre uppdragsförlängningar innan teamet tappade kontakten med det i december förra året.

CubeSat använde finpekningskontroll för att upptäcka 55 Cancri e via transitmetoden, där forskare letar efter nedgångar i ljusstyrkan hos en stjärna orsakad av en passerande planet. När man gör exoplanetdetekteringar på detta sätt, en rymdfarkosts egna rörelser eller vibrationer kan skapa jigglingar i data som kan misstolkas som förändringar i stjärnans ljusstyrka. Rymdfarkosten måste hålla sig stadig och hålla stjärnan centrerad i sitt synfält. Detta gör det möjligt för forskare att noggrant mäta stjärnans ljusstyrka och identifiera de små förändringarna som indikerar att planeten har passerat framför den, blockerar en del av dess ljus.

ASTERIA följer i fotspåren av en liten satellit som flögs av den kanadensiska rymdorganisationen kallad MOST (Microvariability and Oscillations of Stars), som 2011 utförde den första transitdetekteringen av 55 Cancri e. MEST var ungefär sex gånger volymen av ASTERIA – fortfarande otroligt liten för en astrofysisk satellit. Utrustad med ett 5,9-tums (15-centimeter) teleskop, MOST kunde också samla sex gånger så mycket ljus som ASTERIA, som bar 2,4-tums (6-centimeter) teleskop. Eftersom 55 Cancri e bara blockerar 0,04 % av värdstjärnans ljus, det var ett särskilt utmanande mål för ASTERIA.

"Att upptäcka denna exoplanet är spännande, eftersom det visar hur dessa nya teknologier möts i en verklig tillämpning, sa Vanessa Bailey, huvudutredaren för ASTERIAs exoplanetvetenskapsteam vid JPL. "Det faktum att ASTERIA varade mer än 20 månader bortom sitt främsta uppdrag, ger oss värdefull extra tid att göra vetenskap, lyfter fram den fantastiska ingenjörskonst som gjordes vid JPL och MIT."

Stor bedrift

Uppdraget gjorde vad som är känt som en marginell upptäckt, vilket innebär att data från transiteringen inte skulle på egen hand, har övertygat forskare om att planeten existerade. (Svaga signaler som liknar en planettransit kan orsakas av andra fenomen, så forskare har en hög standard för att deklarera en planetdetektering.) Men genom att jämföra CubeSats data med tidigare observationer av planeten, teamet bekräftade att de verkligen såg 55 Cancri e. Som en teknisk demo, ASTERIA genomgick inte heller de typiska förlanseringsförberedelserna för ett vetenskapsuppdrag, vilket innebar att teamet var tvungen att göra ytterligare arbete för att säkerställa noggrannheten i deras upptäckt.

"Vi gick efter ett hårt mål med ett litet teleskop som inte ens var optimerat för att göra vetenskapliga upptäckter - och vi fick det, även om bara knappt, sa Mary Knapp, ASTERIA-projektets forskare vid MIT:s Haystack Observatory och huvudförfattare till studien. "Jag tror att det här dokumentet validerar konceptet som motiverade ASTERIA-uppdraget:att små rymdfarkoster kan bidra med något till astrofysik och astronomi."

Även om det skulle vara omöjligt att packa alla möjligheter hos en större exoplanetjaktande rymdfarkost som NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) i en CubeSat, ASTERIA-teamet föreställer sig att dessa små paket spelar en stödjande roll för dem. Små satelliter, med färre krav på sin tid, skulle kunna användas för att övervaka en stjärna under långa perioder i hopp om att upptäcka en oupptäckt planet. Eller, efter att ett stort observatorium upptäckt en planet som passerar sin stjärna, en liten satellit kunde se efter efterföljande transiter, frigöra det större teleskopet för att utföra arbete mindre satelliter kan inte.

Astrofysikern Sara Seager, huvudutredare för ASTERIA vid MIT, tilldelades nyligen ett NASA Astrophysics Science SmallSat Studies-stipendium för att utveckla ett uppdragskoncept för en uppföljning av ASTERIA. Förslaget beskriver en konstellation av sex satelliter ungefär dubbelt så stor som ASTERIA som skulle söka efter exoplaneter som liknar jordens storlek runt närliggande solliknande stjärnor.

Tänker litet

Att bygga historiens minsta planetjaktsatellit, ASTERIA var inte bara krympande hårdvara som användes på större rymdfarkoster. I många fall, de var tvungna att ta ett mer innovativt tillvägagångssätt. Till exempel, MOST-satelliten använde en kamera med en laddningskopplad enhet (CCD) detektor, vilket är vanligt för rymdsatelliter; ASTERIEN, å andra sidan, var utrustad med en komplementär metalloxid-halvledardetektor (CMOS) – en väletablerad teknik som vanligtvis används för att göra precisionsmätningar av ljusstyrka i infrarött ljus, inte synligt ljus. ASTERIAs CMOS-baserade, kamera med synligt ljus gav flera fördelar jämfört med en CCD. En stor:Den hjälpte till att hålla ASTERIA liten eftersom den fungerade i rumstemperatur, eliminerar behovet av det stora kylsystem som en kalldrift CCD skulle kräva.

"Det här uppdraget har mest handlat om att lära, sa Akshata Krishnamurthy, co-investigator och vetenskap dataanalys co-lead för ASTERIA vid JPL. "Vi har upptäckt så många saker som framtida små satelliter kommer att kunna göra bättre eftersom vi demonstrerade tekniken och kapaciteten först. Jag tror att vi har öppnat dörrar."