Konstnärens koncept av prototypen stjärnskärm, en gigantisk struktur designad för att blockera stjärnornas bländning så att framtida rymdteleskop kan ta bilder av planeter. Kredit:NASA/JPL
Området för exoplanetstudier har kommit långt under de senaste decennierna. Hittills har 5 063 exoplaneter bekräftats i 3 794 system bortom vårt eget, med ytterligare 8 819 kandidater som väntar på bekräftelse. Under de kommande åren förväntas tiotusentals fler planeter hittas, tack vare nästa generations observatorier. Det slutliga målet i denna sökning är att hitta planeter som är "jordlika", vilket betyder att de har en god chans att försörja liv. Detta är ingen lätt uppgift, eftersom steniga planeter som ligger inom deras moderstjärnas beboeliga zoner (HZ) tenderar att kretsa tätt, vilket gör dem svårare att se.
För att göra denna process enklare designar NASA ett hybridobservatorium som består av en "Starshade" som kommer att blockera en stjärnas ljus så att ett markbaserat teleskop direkt kan avbilda planeter som kretsar runt den. Konceptet är känt som Hybrid Observatory for Earth-like Exoplanets (HOEE), och NASA letar efter offentlig input för att göra det till verklighet. För det ändamålet har de lanserat Ultralight Starshade Structural Design Challenge, där deltagarna uppmanas att utveckla en design för en lättviktig stjärnskärmsstruktur som skulle kunna användas som en del av HOEE-konceptet.
Utmaningen är värd för GrabCAD, en Massachusetts-baserad startup som är värd för en gratis molnbaserad plattform som hjälper ingenjörsteam att samarbeta och hantera, visa och dela datorstödd design (CAD)-filer. NASA Tournament Lab hanterar utmaningen, som stöder NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) studie av HOEE-konceptet. Utmaningen är en del av NASA:s Prizes, Challenges, and Crowdsourcing-program, som övervakas av NASAs Space Technology Mission Directorate (STMD).
Hittills har de flesta kända exoplaneter bekräftats genom indirekta metoder. Dessa inkluderar Transit Method (aka. Transit Photometry), där periodiska dippar i en stjärnas ljusstyrka används för att upptäcka närvaron av en eller flera planeter som passerar framför den (transiterande) i förhållande till observatören. En annan är Radial Velocity Method (aka. Doppler Spectroscopy), där en stjärnas rörelse fram och tillbaka (i förhållande till observatören) används för att bestämma gravitationspåverkan som verkar på stjärnan (dvs. ett system av planeter).
När de används i kombination är dessa metoder mycket effektiva för att begränsa storleken och omloppsperioden för exoplaneter (Transitmetoden) och deras respektive massor (Radial Velocity Method). Men med nästa generations instrument som James Webb Space Telescope (JWST) kan astronomer utföra direktavbildningsstudier av exoplaneter. I det här fallet fångas ljus från avlägsna exoplaneter direkt och analyseras med en spektrometer. De erhållna spektra kan ge data om en planets ytmineraler och bestämma närvaron av hav, kontinenter, vädersystem, vegetation och de gaser som utgör dess atmosfär.
Dessa data kommer att göra det möjligt för astronomer och astrobiologer att karakterisera exoplaneter och med tillförsikt säga om en planet är "beboelig" eller inte. En viktig del av denna metod är coronagraph, ett instrument som blockerar bländningen från förälderstjärnor så att ljuset som reflekteras från exoplanetatmosfärer kan visualiseras och skannas med hjälp av spektrometrar för att bestämma den kemiska sammansättningen. Said Dr. John Mather, a senior astrophysicist at NASA's Goddard Space Flight Center and a senior project scientist for the JWST:
"The hybrid observatory might help us answer some of the most pressing questions about extraterrestrial life. Observing many systems would help answer the question of why configurations like our own are rare and why none is quite like home. It is truly exciting that the public can be part of this revolutionary effort. I can't wait to see what ideas they bring to the table."
The key to the HOEE is the "Starshade" spacecraft, a concept introduced by the Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) at NASA JPL back in 2016. Initially, it was thought that only space telescopes like the James Webb and the Nancy Grace Roman Space Telescope (RST) could benefit from a starshade-type spacecraft. But with the HOEE concept, ground-based telescopes that fall into the 30-meter-class (~100 ft) range could also conduct Direct Imaging surveys. This includes next-generation observatories like the Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), and the Thirty Meter Telescope (TMT).
For the Ultralight Starshade Structural Design Challenge, NASA is looking for ideas for a lightweight starshade that could accomplish that very task. According to NASA, the goal of this challenge is to develop an "innovative low-mass starshade structure that could meet the mass, shape, strength, and stiffness requirements." Participants are free to choose from four suggested designs (or a hybrid thereof), which include:
The ideal design, they state, will allow for compact packaging and successful deployment once in Earth's orbit. In other words, it must be able to collapse and fold up so the spacecraft can fit inside a rocket payload fairing, then unfurl once it reaches space. This is similar to what engineers accomplished with James Webb, especially where its primary mirror and sunshield were concerned. They also stress that it must have the lowest possible mass to be easier (and cheaper) to launch, that its chemical thrusters can keep it aligned during observations, and change its orbit to observe different targets.
These and other details (including orbital distance and the starshade's diameter) are specified on the challenge page:
"An orbiting starshade (170,000 km away) could cast a shadow of the central star without blocking the reflected light from its planets. So that it can be used with the largest ground-based telescopes, the starshade needs to be 100 m in diameter. This large structure must be tightly packaged so that it can fit inside the fairing of a large rocket (e.g., Falcon Heavy or Starship).
"It must also have the lowest possible mass so that chemical thrusters can keep it aligned during observations and solar electric propulsion system can change its orbit to observe many targets. NASA seeks breakthrough mechanical/structural concepts for a deployable, low mass, high stability, and high stiffness starshade structure."
In order to be eligible for this challenge, participants must either be U.S. citizens or from an eligible country (specified here). The top five submissions will share a prize purse of $7,000. The full list of the competition requirements and all relevant information and documentation are posted on the GrabCAD challenge page. + Utforska vidare
