År 2021, en rymdfarkost lika stor som en Cheerios-låda kommer att bära ett litet teleskop in i jordens omloppsbana på ett ovanligt uppdrag. Dess uppgift är att övervaka små stjärnors bloss och solfläckar för att bedöma hur beboelig rymdmiljön är för planeter som kretsar kring dem.

Rymdfarkosten, känd som Star-Planet Activity Research CubeSat, eller SPARCS för kort, är ett nytt NASA-finansierat rymdteleskop. Uppdraget, inklusive rymdfarkostdesign, integration och resulterande vetenskap, leds av Arizona State Universitys School of Earth and Space Exploration (SESE).

"Detta är ett uppdrag till gränslandet för astrofysik och astrobiologi, sade Evgenya Shkolnik, biträdande professor i SESE och huvudutredare för SPARCS-uppdraget. "Vi kommer att studera beboelighet och högenergimiljö runt stjärnor som vi kallar M-dvärgar."

Hon tillkännagav uppdraget 10 januari, 2018, vid det 231:a mötet i American Astronomical Society, i Washington, D.C.

Stjärnorna som SPARCS kommer att fokusera på är små, dämpa, och sval i jämförelse med solen. Har mindre än hälften av solens storlek och temperatur, de lyser med knappt en procent av dess ljusstyrka.

Valet av målstjärnor för SPARCS kan verka kontraintuitivt. Om astronomer letar efter exoplaneter i beboeliga miljöer, varför bry sig om stjärnor som är så olika från solen? Svaret ligger i siffrorna.

Till att börja med, M-dvärgar är mycket vanliga. De utgör tre fjärdedelar av alla stjärnor i vår Vintergatans galax, fler än solliknande stjärnor 20 till 1.

Astronomer har upptäckt att i princip varje M dvärgstjärna har minst en planet som kretsar kring den, och ungefär ett system av fyra har en stenig planet som ligger i stjärnans beboeliga zon. Detta är den potentiellt livsvänliga regionen där temperaturen varken är för varm eller för kall för livet som vi känner det, och flytande vatten kan finnas på planetens yta.

Eftersom det finns så många M-dvärgar, astronomer uppskattar att vår galax enbart innehåller ungefär 40 miljarder – det är miljarder med en B – steniga planeter i beboeliga zoner runt sina stjärnor. Det betyder att de flesta planeterna i den beboeliga zonen i vår galax kretsar kring M-dvärgar. Faktiskt, den närmaste, dubbad Proxima b, ligger bara 4,2 ljusår bort, som ligger utanför vår tröskel i astronomiska termer.

Så när astronomer börjar utforska miljön för exoplaneter som vistas i andra stjärnors beboeliga zoner, M dvärgstjärnor är stora i sökandet.

Tar pulsen på aktiva stjärnor

Enligt Shkolnik, medan M dvärgstjärnor är små och coola, de är mer aktiva än solen, med bloss och andra utbrott som skjuter ut kraftig strålning i rymden runt dem. Men ingen vet exakt hur aktiva dessa små stjärnor är. Under sitt ettåriga nominella uppdrag, SPARCS kommer att stirra på målstjärnor i veckor i taget i hopp om att lösa pusslet.

Hjärtat i rymdfarkosten SPARCS kommer att vara ett teleskop med en diameter på 9 centimeter, eller 3,6 tum, plus en kamera med två ultraviolettkänsliga detektorer som ska utvecklas av NASA:s Jet Propulsion Laboratory. Både teleskopet och kameran kommer att optimeras för observationer med ultraviolett ljus, som starkt påverkar planetens atmosfär och dess potential att hysa liv på ytan.

"Människor har övervakat M-dvärgar så gott de kan i synligt ljus. Men stjärnornas starkaste bloss förekommer främst i ultraviolett ljus, som jordens atmosfär mest blockerar, " sa Shkolnik.

Även om det kretsande rymdteleskopet Hubble kan se stjärnor vid ultravioletta våglängder obehindrat, dess överfulla observationsschema skulle låta den ägna endast de kortaste ansträngningarna till M dvärgar.

"Hubble ger oss massor av detaljer om några stjärnor under en kort tid. Men för att förstå deras aktivitet behöver vi långa blickar på många stjärnor istället för ögonblicksbilder av ett fåtal, sa Shkolnik.

Att fånga långa observationer av M-dvärgar kommer att låta astronomer studera hur stjärnaktivitet påverkar planeter som kretsar runt stjärnan.

"M-dvärgar är inte bara mer aktiva än solen när de är gamla, de förblir mer aktiva längre, " Sa Shkolnik. "När den var 10 miljoner år gammal, solen hade blivit mycket mindre aktiv och den har sjunkit stadigt sedan dess. Men M-dvärgar kan förbli aktiva i 300 till 600 miljoner år, med några av de minsta M-stjärnorna som ofta blossar i princip för evigt."

Bygg lokalt, flyga globalt

SPARCS kommer att följa i fotspåren av andra rymdinstrument och sonder som kommer från SESE. Redan på väg till asteroiden Bennu (ankomst augusti 2018) är OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer (OTES).

I pipelinen är Phoenix CubeSat (byggd av ett team av studenter för att studera de lokala klimateffekterna av städer på jorden), LunaH-Map (för att mäta månens väte som en proxy för vatten), Europa Thermal Emission Imaging System (för att söka temperaturavvikelser på Jupiters måne Europa), Lucy Thermal Emission Spectrometer (för att mäta ytegenskaper bland Jupiters familj av trojanska asteroider), och Psyche, ett uppdrag att studera en asteroid helt gjord av nickel och järn.

Som LunaH-Map, SPARCS är en CubeSat byggd av sex kubiska enheter, var och en cirka fyra tum på en sida. Dessa är sammanfogade för att göra en rymdfarkost två enheter bred och tre lång i vad som kallas en 6U rymdfarkost. Solenergipaneler sträcker sig som vingar från ena änden.

"I storlek och form, SPARCS liknar mest en låda med Cheerios i familjestorlek, " sa Shkolnik.

Rymdfarkosten kommer att innehålla tre stora system - teleskopet, kameran, och den operativa och vetenskapliga programvaran. Tillsammans med Shkolnik, SESE-astronomerna Paul Scowen, Daniel Jacobs, och Judd Bowman kommer att övervaka utvecklingen av teleskopet och kameran, plus programvaran och systemtekniken för att dra ihop allt.

Teleskopet använder ett spegelsystem med beläggningar optimerade för ultraviolett ljus. Tillsammans med kameran, systemet kan mäta mycket små förändringar i ljusstyrkan hos M dvärgstjärnor för att utföra uppdragets primära vetenskap. Instrumentet kommer att testas och kalibreras vid ASU som förberedelse för flygning innan det integreras i resten av rymdfarkosten.

"Vi kommer att ha begränsad radiokommunikation med SPARCS, så vi planerar att göra en hel del databehandling ombord med den centrala datorn, " sa Jacobs. "Vi kommer att skriva den programvaran här på ASU, använder en prototyp av rymdfarkosten och kameran för att testa vår kod."

Efter lanseringen, Jacobs sa att laget kommer att göra vetenskapliga operationer på ASU, anslutning till SPARCS via ett globalt markstationsnätverk.

En viktig del av uppdragsplanen, Shkolnik sa, är att involvera doktorander och studenter i olika roller. Detta kommer att ge dem utbildnings- och träningsmöjligheter att bli framtida ingenjörer, vetenskapsmän, och missionsledare.

"Den snabba utvecklingstakten – från labb till lansering kan vara så kort som ett par år – fungerar bra med studenternas tidsskalor, " Sa Shkolnik. "De kan jobba på det, börja till slut, under tiden de är här på ASU."

Litet paket, stor vetenskap

Forskare från University of Washington ansluter sig till ASU i SPARCS-uppdraget, University of Arizona, Lowell Observatory, SouthWest Research Institute, och NASA:s Jet Propulsion Laboratory.

"SPARCS-uppdraget kommer att visa hur, med rätt teknik, små rymdteleskop kan svara på stora vetenskapliga frågor, " sa Shkolnik.

Dessa inkluderar, Hon sa, "Hur troligt är det att vi människor är ensamma i universum? Var ska vi leta efter beboeliga planeter? Och kan vi hitta en ny och mer fruktbar förståelse för vad som gör ett exoplanetsystem beboeligt?"