I jakten på beboeliga planeter bortom vår egen, NASA studerar ett uppdragskoncept som heter Pandora, som så småningom kan hjälpa till att avkoda de atmosfäriska mysterierna i avlägsna världar i vår galax. Ett av fyra billiga astrofysikuppdrag som valts ut för vidare konceptutveckling under NASA:s nya Pioneers-program, Pandora skulle studera cirka 20 stjärnor och exoplaneter - planeter utanför vårt solsystem - för att ge exakta mätningar av exoplanetära atmosfärer.

Detta uppdrag skulle försöka fastställa atmosfäriska sammansättningar genom att observera planeter och deras värdstjärnor samtidigt i synligt och infrarött ljus under långa perioder. Mest anmärkningsvärt, Pandora skulle undersöka hur variationer i en värdstjärnas ljus påverkar exoplanetmätningar. Detta är fortfarande ett stort problem när det gäller att identifiera atmosfärens sammansättning av planeter som kretsar runt stjärnor täckta av stjärnfläckar, vilket kan orsaka ljusstyrkavariationer när en stjärna roterar.

Pandora är ett litet satellituppdrag känt som en SmallSat, ett av tre sådana orbitala uppdrag som får grönt ljus från NASA för att gå in i nästa utvecklingsfas i Pioneers-programmet. SmallSats är billiga rymdfärdsuppdrag som gör det möjligt för byrån att främja vetenskaplig utforskning och öka tillgången till rymden. Pandora skulle operera i solsynkron låg omloppsbana om jorden, som alltid håller solen direkt bakom satelliten. Denna omloppsbana minimerar ljusförändringar på satelliten och gör att Pandora kan få data över längre perioder. Av SmallSat-koncepten som valts ut för vidare studier, Pandora är den enda som fokuserar på exoplaneter.

"Exoplanetär vetenskap går från en era av planetupptäckt till en era av atmosfärisk karaktärisering, sa Elisa Quintana, en astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och huvudutredaren för Pandora. "Pandora är fokuserad på att försöka förstå hur stjärnaktivitet påverkar våra mätningar av exoplanetatmosfärer, som kommer att lägga grunden för framtida exoplanetuppdrag som syftar till att hitta planeter med jordliknande atmosfärer."

Maximera den vetenskapliga potentialen

Pandora koncentrerar sig på att studera exoplanetära och stjärnatmosfärer genom att undersöka planeter när de korsar framför - eller transiterar - sina värdstjärnor. För att åstadkomma detta, Pandora skulle dra fördel av en beprövad teknik som kallas transitspektroskopi, som innebär att mäta mängden stjärnljus som filtrerar genom en planets atmosfär, och dela upp det i färgband som kallas ett spektrum. Dessa färger kodar information som hjälper forskare att identifiera gaser som finns i planetens atmosfär, och kan hjälpa till att avgöra om en planet är stenig med en tunn atmosfär som jorden eller om den har ett tjockt gashölje som Neptunus.

Detta uppdrag, dock, skulle ta transitspektroskopi ett steg längre. Pandora är designad för att mildra ett av teknikens mest avgörande motgångar:stjärnkontamination. "Stjärnor har atmosfärer och förändrade ytegenskaper som fläckar som påverkar våra mätningar, sa Jessie Christiansen, biträdande vetenskapsledare vid NASA Exoplanet Archive på Caltech i Pasadena, Kalifornien, och en medutredare för Pandora. "För att vara säker på att vi verkligen observerar en exoplanets atmosfär, vi måste reda ut planetens variationer från stjärnans."

Pandora skulle separera stjärn- och exoplanetära signaler genom att observera dem samtidigt i infrarött och synligt ljus. Stjärnkontamination är lättare att upptäcka vid kortare våglängder av synligt ljus, och att erhålla atmosfäriska data genom både infrarött och synligt ljus skulle göra det möjligt för forskare att bättre skilja observationer från exoplanetatmosfärer och stjärnor.

"Stjärnkontamination är en problematik som komplicerar exakta observationer av exoplaneter, sa Benjamin Rackham, en 51 Pegasi b postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge och medutredare för Pandora. "Pandora skulle hjälpa till att bygga de nödvändiga verktygen för att lösa upp stjärn- och planetsignaler, så att vi bättre kan studera egenskaperna hos både stjärnfläckar och exoplanetära atmosfärer."

Synergi i rymden

Att gå samman med NASA:s större uppdrag, Pandora skulle fungera samtidigt med rymdteleskopet James Webb, planeras för lansering senare i år. Webb kommer att ge möjligheten att studera atmosfärerna hos exoplaneter så små som jorden med oöverträffad precision, och Pandora skulle försöka utöka teleskopets forskning och fynd genom att observera värdstjärnorna på tidigare identifierade planeter under längre perioder.

Uppdrag som NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), Hubble rymdteleskop, och de pensionerade rymdfarkosterna Kepler och Spitzer har gett forskare häpnadsväckande glimtar av dessa avlägsna världar, och lade en stark grund i exoplanetär kunskap. Dessa uppdrag, dock, har ännu inte helt åtgärdat problemet med stjärnkontamination, vars storlek är osäker i tidigare studier av exoplanetära atmosfärer. Pandora försöker fylla dessa kritiska luckor i NASA:s förståelse av planetariska atmosfärer och öka kapaciteten inom exoplanetforskning.

"Pandora är rätt uppdrag vid rätt tidpunkt eftersom tusentals exoplaneter redan har upptäckts, och vi är medvetna om många som är mottagliga för atmosfärisk karaktärisering som kretsar kring små aktiva stjärnor, sa Jessie Dotson, en astrofysiker vid NASA:s Ames Research Center i Kaliforniens Silicon Valley och biträdande huvudutredare för Pandora. "Nästa gräns är att förstå atmosfären på dessa planeter, och Pandora skulle spela en nyckelroll i att avslöja hur stjärnaktivitet påverkar vår förmåga att karakterisera atmosfärer. Det skulle vara ett bra komplement till Webbs uppdrag."

En startramp för utforskning

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), i Livermore, Kalifornien, leder Pandora-uppdraget tillsammans med NASA:s Goddard Space Flight Center. LLNL kommer att hantera uppdraget och hävstångskapaciteten som utvecklats för andra statliga myndigheter, inklusive ett billigt tillvägagångssätt för teleskopdesign och tillverkning som möjliggör denna banbrytande exoplanetvetenskap från en SmallSat-plattform.

NASA:s Pioneers-program, som består av SmallSats, nyttolaster kopplade till den internationella rymdstationen, och vetenskapliga ballongexperiment, främjar innovativa rymd- och suborbitala experiment för forskare i början till mitten av karriären genom låga kostnader, små hårdvaruuppdrag. Under detta nya program, Pandora skulle verka på en femårig tidslinje med ett budgettak på 20 miljoner dollar.

Trots snäva begränsningar, Pioneers-programmet gör det möjligt för Pandora att koncentrera sig på en fokuserad forskningsfråga samtidigt som de engagerar ett mångsidigt team av studenter och forskare i tidiga karriärer från mer än ett dussin universitet och forskningsinstitut. Denna SmallSat-plattform skapar en utmärkt ritning för småskaliga uppdrag för att göra intryck i astrofysikgemenskapen.

"Pandoras långvariga observationer i synligt och infrarött ljus är unika och väl lämpade för SmallSats, ", sa Quintana. "Vi är glada över att Pandora kommer att spela en avgörande roll i NASA:s strävan efter att hitta andra världar som potentiellt kan vara beboeliga."