Alla som någonsin sett flygplan engagerade i formationsflygning kan uppskatta bedriften att hålla sig mycket synkroniserad i luften. I arbete sponsrat av NASA:s Exoplanet Exploration Program (ExEP), ingenjörer vid Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, tar formation och flyger till en ny ytterlighet.

Deras arbete markerar en viktig milstolpe inom ett större program för att testa genomförbarheten av en teknik som kallas en stjärnskärm. Även om stjärnorna aldrig har flugit i rymden, de har potentialen att möjliggöra banbrytande observationer av planeter bortom vårt solsystem, inklusive bilder av planeter så små som jorden.

Ett framtida starshade-uppdrag skulle involvera två rymdskepp. En skulle vara ett rymdteleskop på jakt efter planeter som kretsar runt stjärnor utanför vårt solsystem. Den andra rymdfarkosten skulle flyga cirka 25, 000 miles (40, 000 kilometer) framför den, bär en stor, platt nyans. Skuggan skulle veckla ut sig som en blommande blomma - komplett med "kronblad - och blockera ljuset från en stjärna, gör det möjligt för teleskopet att få en tydligare inblick av alla planeter som kretsar runt. Men det skulle bara fungera om de två rymdfarkosterna skulle stanna, trots det stora avståndet mellan dem, inriktade inom 3 fot (1 meter) från varandra. Längre, och stjärnljus skulle läcka runt stjärnskärmen in i teleskopets vy och överväldiga svaga exoplaneter.

"Avstånden vi pratar om för stjärnskuggstekniken är ganska svåra att föreställa sig, " sa JPL-ingenjören Michael Bottom. "Om stjärnorna skulle skalas ner till storleken på en drinkunderlägg, teleskopet skulle vara lika stort som ett suddgummi och de skulle vara åtskilda med cirka 100 kilometer. Föreställ dig nu att de två objekten är fritt svävande i rymden. De upplever båda dessa små ryckningar och knuffar från gravitation och andra krafter, och över det avståndet försöker vi hålla dem båda exakt inriktade inom cirka 2 millimeter."

Forskare har hittat tusentals exoplaneter utan användning av en stjärnskärm, men i de flesta fall har forskare upptäckt dessa världar indirekt. Transitmetoden, till exempel, upptäcker närvaron av en planet när den passerar framför sin moderstjärna och orsakar en tillfällig minskning av stjärnans ljusstyrka. Endast i relativt få fall har forskare tagit direktbilder av exoplaneter.

Att blockera stjärnljus är nyckeln till att utföra mer direkt bildbehandling och, så småningom, till att genomföra djupstudier av planetariska atmosfärer eller hitta antydningar om klippvärldens ytegenskaper. Sådana studier har potential att avslöja tecken på liv bortom jorden för första gången.

Söker skugga

Idén att använda en rymdbaserad stjärnskärm för att studera exoplaneter föreslogs ursprungligen på 1960-talet, fyra decennier före upptäckten av de första exoplaneterna. Och även om förmågan att peka en enda rymdfarkost stadigt mot ett avlägset föremål inte är ny, antingen, att hålla två rymdfarkoster i linje med varandra mot ett bakgrundsobjekt representerar en annan sorts utmaning.

Forskare som arbetar med ExEP:s Starshade Technology Development, känd som S5, har fått i uppdrag av NASA att utveckla stjärnskärmsteknik för eventuella framtida rymdteleskopuppdrag. S5-teamet tar itu med tre tekniska luckor som skulle behöva stängas innan ett starshade-uppdrag kan vara redo att åka till rymden.

Arbetet som utförts av Bottom och andra JPL-ingenjör Thibault Flinois täpper till en av dessa luckor genom att bekräfta att ingenjörer realistiskt kunde producera ett stjärnskuggsuppdrag som uppfyllde dessa stränga krav på "formationsavkänning och kontroll". Deras resultat beskrivs i S5 Milestone 4-rapporten, tillgänglig på ExEP-webbplatsen.

Kom in i formation

Detaljerna för ett visst stjärnskuggsuppdrag - inklusive det exakta avståndet mellan de två rymdfarkosterna och storleken på skuggan - skulle bero på teleskopets storlek. S5 Milestone 4-rapporten tittade främst på ett separationsintervall på mellan 12, 500 till 25, 000 miles (20, 000 till 40, 000 kilometer), med en skärm 85 fot (26 meter) i diameter. Dessa parametrar skulle fungera för ett uppdrag av storleken på NASA:s Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), ett teleskop med en primärspegel på 2,4 meter i diameter som ska lanseras i mitten av 2020-talet.

WFIRST kommer att bära en annan stjärnljusblockerande teknik, kallas en coronagraph, som sitter inuti teleskopet och erbjuder sina egna unika styrkor i studiet av exoplaneter. Denna teknikdemonstration kommer att vara den första stjärnkoronagrafen med hög kontrast som går ut i rymden, gör det möjligt för WFIRST att direkt avbilda gigantiska exoplaneter som liknar Neptunus och Jupiter.

Starshade och coronagraph-teknologier fungerar separat, men Bottom testade en teknik med vilken WFIRST kunde upptäcka när en hypotetisk stjärnskärm drev subtilt ur linje. En liten mängd stjärnljus skulle oundvikligen böja sig runt stjärnskärmen och bilda ett ljus-och-mörkt mönster på framsidan av teleskopet. Teleskopet skulle se mönstret med hjälp av en pupillkamera, som kan avbilda framsidan av teleskopet från insidan - liknande att fotografera en vindruta inifrån en bil.

Tidigare starshade-undersökningar hade övervägt detta tillvägagångssätt, men Bottom gjorde det till verklighet genom att bygga ett datorprogram som kunde känna igen när ljus- och mörkermönstret var centrerat på teleskopet och när det hade glidit utanför mitten. Bottom fann att tekniken fungerar extremt bra som ett sätt att upptäcka stjärnskärmens rörelse.

"Vi kan känna en förändring i stjärnskärmens position ner till en tum, även över dessa enorma avstånd, sa Botten.

Men att upptäcka när stjärnskärmen är ur linje är ett helt annat förslag än att faktiskt hålla den i linje. För detta ändamål, Flinois och hans kollegor utvecklade en uppsättning algoritmer som använder information som tillhandahålls av Bottoms program för att avgöra när stjärnskyddspropellerna ska avfyras för att knuffa den tillbaka på plats. Algoritmerna skapades för att autonomt hålla stjärnskärmen i linje med teleskopet i dagar i taget.

I kombination med Bottoms arbete, detta visar att det är möjligt att hålla de två rymdfarkosterna i linje med hjälp av automatiserade sensorer och propellerkontroller. Faktiskt, the work by Bottom and Flinois demonstrates that engineers could reasonably meet the alignment demands of an even larger starshade (in conjunction with a larger telescope), positioned up to 46, 000 miles (74, 000 kilometers) from the telescope.

"With such an unusually large range of scales at play here, it can be very counterintuitive that this would be possible at first glance, " Flinois said.

A starshade project has not yet been approved for flight, but one could potentially join WFIRST in space in the late 2020s. Meeting the formation-flying requirement is just one step toward demonstrating that the project is feasible.

"This to me is a fine example of how space technology becomes ever more extraordinary by building upon its prior successes, " said Phil Willems, manager of NASA's Starshade Technology Development activity. "We use formation flying in space every time a capsule docks at the International Space Station. But Michael and Thibault have gone far beyond that, and shown a way to maintain formation over scales larger than Earth itself."