I vår jakt på jordliknande planeter och utomjordiskt liv, vi har hittat tusentals exoplaneter som kretsar kring andra stjärnor än vår sol. Förbehållet är att de flesta av dessa planeter har detekterats med hjälp av indirekta metoder. På samma sätt som en person inte kan titta på något för nära solen, nuvarande teleskop kan inte observera potentiella jordliknande planeter eftersom de är för nära stjärnorna de kretsar kring, som är cirka 10 miljarder gånger ljusare än planeterna som omger dem.

En möjlig lösning kan vara att skapa en konstgjord solförmörkelse med två exakt placerade rymdskepp, enligt Simone D'Amico, biträdande professor i luftfart och astronautik vid Stanford och chef för Space Rendezvous Laboratory. En farkost – känd som en stjärnskärm – skulle placera sig som månen i en solförmörkelse, blockerar ljuset från en avlägsen stjärna, så ett andra rymdfarkoster med ett teleskop kunde se de närliggande exoplaneterna inifrån skuggan som kastades av stjärnskärmen.

"Med indirekta mätningar, du kan upptäcka objekt nära en stjärna och räkna ut deras omloppsperiod och avstånd från stjärnan, "sade D'Amico, vars labb arbetar med detta förmörkelsesystem. "Det här är all viktig information, men med direkt observation kan du karakterisera planetens kemiska sammansättning och eventuellt observera tecken på biologisk aktivitet - liv. "

Blir liten

Föreslagna observatorier som kan avbilda jordliknande planeter kräver en stjärnskärm som är tiotals meter i diameter skild från teleskopet med ett avstånd lika med flera jorddiametrar, och formationen måste distribueras bortom jordens bana. Sammanlagt, detta uppdrag skulle kosta miljarder dollar. Istället för att skicka en dyr, otestat system ut i rymden, D'Amicos labb, i samarbete med exoplanetexperten Bruce Macintosh, professor i fysik, har skapat en mindre version av denna formation, kommer sannolikt att kosta miljoner snarare än miljarder. Det huvudsakliga målet med detta uppdrag är att tillhandahålla en billig demonstration av flygskärmar med starshade-teknik för att öka det vetenskapliga samfundets förtroende för ett fullskaligt observatorium.

"Än så länge, det har inte gjorts något uppdrag med den grad av sofistikering som skulle krävas för ett av dessa exoplanetavbildningsobservatorier, sade Adam Koenig, en doktorand i rymdmöte -laboratoriet. "När du ber huvudkontoret om några miljarder dollar för att göra något sånt här, det skulle vara perfekt att kunna säga att vi redan har flugit allt detta förut. Den här är bara större. "

Kallas mDOT för miniatyriserat distribuerat ockulter/teleskop, systemet innehåller två delar:en stjärnskärm med 3 meter i diameter på en 100 kilogram mikrosatellit och ett teleskop med en diameter på 10 centimeter på en 10 kilogram nanosatellit. Stjärnskärmen och teleskopet kommer att placeras ut i hög omloppsbana om jorden med en nominell separation på mindre än 1, 000 kilometer.

Formen på starshade i mDOT är baserad på forskning av Robert Vanderbei från Princeton University, omformulerad av Space Rendezvous Laboratory för att passa begränsningarna för en mycket mindre rymdfarkost. Vid lanseringen, starshade kommer att vikas längs sidorna på den mikrovågsugnsstora mikrosatelliten. Väl i omloppsbana, shades kommer att vecklas ut till en blomliknande form.

"Med denna speciella geometriska form, du kan få ljuset att bryta runt stjärnskärmen för att ta bort sig själv, " förklarade Koenig. "Då, du får en mycket, mycket djup skugga mitt i mitten. Skuggan är tillräckligt djup för att ljuset från stjärnan inte ska störa observationer av en närliggande planet."

Exakt, autonom navigering

Skuggan som produceras av mDOTs stjärnskärm är bara tiotals centimeter i diameter, vilket innebär att teleskopets sidoposition i förhållande till stjärnskärmen måste kontrolleras till cirka 15 centimeter.

I sin design, forskarna låter båda rymdfarkosterna flyga i en stor omloppsbana med stjärnskärmen som förmörkar målstjärnan vid den punkt i omloppsbanan som är längst bort från jorden – den punkt där rymdfarkosterna rör sig långsammast i förhållande till varandra. Efter ungefär en timme av denna snäva positionering, de kommer att tillåta formationen att bryta upp tills det är nästan dags för rymdfarkosten att ställa upp igen för nästa observation. Forskarna räknar med att behöva tiotals timmars observationstid för att visa att stjärnskärmen fungerar som avsett.

På grund av de utmanande kraven, det enda sättet att förverkliga mDOT är genom ett autonomt system som inte påverkas av kommunikationsförseningarna mellan satelliterna och uppdragsoperatörerna på jorden. Autonoma rymdfarkoster formation-flygning är forskningsfokus för D'Amicos Space Rendezvous Laboratory.

Ny demonstration av vetenskap och teknik

Den miniatyriserade mDOT kommer inte att kunna lösa jordliknande planeter eftersom de fortfarande är för nära sina moderstjärnor. Det kunde, dock, ge oss en direkt glimt av ett annat stjärnsystems motsvarighet till Jupiter eller hjälp med att karakterisera exozodiakala dammkoncentrationer runt närliggande stjärnor, vilket är en prioritet för NASA.

Detta är ett av D'Amicos flera projekt fokuserat på att bättre förstå jorden och universum med hjälp av precisionsflygande rymdfarkoster. Två aktuella uppdrag han hjälpte till med är GRACE och TanDEM-X, som mäter förändringar i jordens tyngdkraftsfält och form, respektive. Labbet arbetar också med större formationer av rymdfarkoster som kallas svärmar. Dock, liknande mDOT, innan denna teknik kan flyga, det är nödvändigt att bevisa att de fungerar som förväntat med hjälp av testbäddar på marken. För detta ändamål, D'Amico har byggt en anläggning som exakt replikerar de komplexa och unika belysningsförhållandena som sensorer möter i rymden.

"Jag är entusiastisk över mitt forskningsprogram på Stanford eftersom vi tacklar viktiga utmaningar, ", sa D'Amico. "Jag vill hjälpa till att svara på grundläggande frågor och om du tittar i alla aktuella riktningar av rymdvetenskap och utforskning – om vi försöker observera exoplaneter, lär dig om universums utveckling, sätta ihop strukturer i rymden eller förstå vår planet-satellitbildningsflygning är den viktigaste möjliggöraren. "