Det finns fler än 3, 900 bekräftade planeter bortom vårt solsystem. De flesta av dem har upptäckts på grund av deras "transit" - tillfällen när en planet korsar sin stjärna, tillfälligt blockerar dess ljus. Dessa fall i stjärnljus kan berätta för astronomerna lite om en planets storlek och dess avstånd från dess stjärna.

Men att veta mer om planeten, inklusive om det innehåller syre, vatten, och andra tecken på liv, kräver mycket kraftfullare verktyg. Helst dessa skulle vara mycket större teleskop i rymden, med ljusinsamlingsspeglar lika breda som de i de största markobservatorierna. NASA-ingenjörer utvecklar nu konstruktioner för sådana nästa generations rymdteleskop, inklusive "segmenterade" teleskop med flera små speglar som kunde sättas ihop eller vecklas ut för att bilda ett mycket stort teleskop när det väl lanserades i rymden.

NASA:s kommande James Webb rymdteleskop är ett exempel på en segmenterad primärspegel, med en diameter på 6,5 meter och 18 sexkantiga segment. Nästa generations rymdteleskop förväntas bli så stora som 15 meter, med över 100 spegelsegment.

En utmaning för segmenterade rymdteleskop är hur man håller spegelsegmenten stabila och pekar kollektivt mot ett exoplanetärt system. Sådana teleskop skulle vara utrustade med koronagrafer – instrument som är tillräckligt känsliga för att skilja mellan ljuset som avges av en stjärna och det betydligt svagare ljuset som sänds ut av en planet i en omloppsbana. Men den minsta förskjutning i någon av teleskopets delar kan kasta av sig en koronagrafs mätningar och störa mätningar av syre, vatten, eller andra planetariska egenskaper.

Nu föreslår MIT-ingenjörer att en andra, rymdfarkoster i skokartong utrustade med en enkel laser kunde flyga på avstånd från det stora rymdteleskopet och fungera som en "ledstjärna, "ger en stadig, starkt ljus nära målsystemet som teleskopet skulle kunna använda som referenspunkt i rymden för att hålla sig stabilt.

I en tidning som publicerades idag i Astronomisk tidskrift , forskarna visar att designen av en sådan laserstyrstjärna skulle vara genomförbar med dagens befintliga teknik. Forskarna säger att användningen av laserljuset från den andra rymdfarkosten för att stabilisera systemet minskar kravet på precision i ett stort segmenterat teleskop, sparar tid och pengar, och möjliggör mer flexibla teleskopdesigner.

"Denna tidning föreslår att i framtiden, vi kanske kan bygga ett teleskop som är lite diskretare, lite mindre i sig stabil, men skulle kunna använda en ljuskälla som referens för att bibehålla dess stabilitet, " säger Ewan Douglas, en postdoc vid MIT:s avdelning för flygteknik och astronautik och en huvudförfattare på tidningen.

Tidningen inkluderar även Kerri Cahoy, docent i flygteknik och astronautik vid MIT, tillsammans med doktorander James Clark och Weston Marlow vid MIT, och Jared Males, Olivier Guyon, och Jennifer Lumbres från University of Arizona.

I hårkorset

I över ett sekel, astronomer har använt faktiska stjärnor som "guider" för att stabilisera markbaserade teleskop.

"Om brister i teleskopets motor eller kugghjul fick ditt teleskop att spåra något snabbare eller långsammare, du kan se din guide stjärna i ett hårkors med ögat, och håll det långsamt centrerat medan du tog en lång exponering, säger Douglas.

På 1990-talet forskare började använda lasrar på marken som konstgjorda ledstjärnor genom att excitera natrium i den övre atmosfären, pekar lasrarna mot himlen för att skapa en ljuspunkt cirka 40 miles från marken. Astronomer kunde sedan stabilisera ett teleskop med denna ljuskälla, som kunde genereras var som helst där astronomen ville rikta teleskopet.

"Nu förlänger vi den idén, men istället för att rikta en laser från marken ut i rymden, vi lyser upp det från rymden, på ett teleskop i rymden, " säger Douglas. Markteleskop behöver ledstjärnor för att motverka atmosfäriska effekter, men rymdteleskop för exoplanetavbildning måste motverka små förändringar i systemtemperaturen och eventuella störningar på grund av rörelse.

Den rymdbaserade laserguide-stjärnidén uppstod ur ett projekt som finansierades av NASA. Byrån har övervägt design för stora, segmenterade teleskop i rymden och gav forskarna i uppdrag att hitta sätt att få ner kostnaderna för de massiva observatorierna.

"Anledningen till att detta är relevant nu är att NASA måste bestämma sig under de närmaste åren om dessa stora rymdteleskop kommer att vara vår prioritet under de närmaste decennierna, " säger Douglas. "Det beslutsfattandet sker nu, precis som beslutsfattandet för rymdteleskopet Hubble skedde på 1960-talet, men den lanserades inte förrän på 1990-talet."

Stjärnflotta

Cahoys labb har utvecklat laserkommunikation för användning i CubeSats, som är satelliter i skokartong som kan byggas och skjutas upp i rymden till en bråkdel av kostnaden för konventionella rymdfarkoster.

För denna nya studie, forskarna tittade på om en laser, integrerad i en CubeSat eller något större SmallSat, kan användas för att upprätthålla stabiliteten hos en stor, segmenterat rymdteleskop modellerat efter NASA:s LUVOIR (för Large UV Optical Infrared Surveyor), en konceptuell design som inkluderar flera speglar som skulle monteras i rymden.

Forskare har uppskattat att ett sådant teleskop måste förbli helt stilla, inom 10 picometers – ungefär en fjärdedel av en väteatoms diameter – för att en koronagraf ombord ska kunna ta exakta mätningar av en planets ljus, förutom dess stjärna.

"Alla störningar på rymdfarkosten, som en liten förändring i solens vinkel, eller en bit elektronik som slår på och av och ändrar mängden värme som sprids över rymdfarkosten, kommer att orsaka lätt expansion eller sammandragning av strukturen, " säger Douglas. "Om du får störningar större än runt 10 picometer, du börjar se en förändring i mönstret av stjärnljus inuti teleskopet, och förändringarna innebär att du inte perfekt kan subtrahera stjärnljuset för att se planetens reflekterade ljus."

Teamet kom fram till en allmän design för en laserstyrstjärna som skulle vara tillräckligt långt bort från ett teleskop för att ses som en fixstjärna – cirka tiotusentals mil bort – och som skulle peka bakåt och skicka sitt ljus mot teleskopets speglar, var och en skulle reflektera laserljuset mot en inbyggd kamera. Den kameran skulle mäta fasen för detta reflekterade ljus över tiden. Varje förändring på 10 piometer eller mer skulle signalera en kompromiss med teleskopets stabilitet som, ställdon ombord kunde sedan snabbt korrigera.

För att se om en sådan laserstyrstjärndesign skulle vara genomförbar med dagens laserteknik, Douglas och Cahoy arbetade med kollegor vid University of Arizona för att komma på olika ljusstyrkakällor, att klura ut, till exempel, hur ljus en laser måste vara för att ge en viss mängd information om ett teleskops position, eller att ge stabilitet med hjälp av modeller av segmentstabilitet från stora rymdteleskop. De ritade sedan upp en uppsättning befintliga lasersändare och beräknade hur stabil, stark, och långt bort skulle varje laser behöva vara från teleskopet för att fungera som en pålitlig ledstjärna.

I allmänhet, de fann att design av laserstyrstjärnor är möjliga med befintlig teknik, och att systemet kunde passa helt och hållet i en SmallSat ungefär lika stor som en kubikfot. Douglas säger att en enda ledstjärna kan tänkas följa ett teleskops "blick, " färdas från en stjärna till nästa när teleskopet byter observationsmål. detta skulle kräva att den mindre rymdfarkosten färdades hundratusentals miles parad med teleskopet på avstånd, när teleskopet ompositionerar sig för att titta på olika stjärnor.

Istället, Douglas säger att en liten flotta av ledstjärnor skulle kunna sättas in, överkomligt, och utspridda över himlen, för att hjälpa till att stabilisera ett teleskop när det övervakar flera exoplanetära system. Cahoy påpekar att den senaste framgången för NASA:s MARCO CubeSats, som stödde Mars Insight-landaren som kommunikationsrelä, visar att CubeSats med framdrivningssystem kan arbeta i interplanetariskt rymden, för längre tider och på stora avstånd.

"Nu analyserar vi befintliga framdrivningssystem och tar reda på det optimala sättet att göra detta, och hur många rymdfarkoster vi skulle vilja hoppa över varandra i rymden, " säger Douglas. "I slutändan, vi tror att detta är ett sätt att få ner kostnaderna för dessa stora, segmenterade rymdteleskop."