Det romerska Coronagraph-instrumentet på NASA:s romerska rymdteleskop Nancy Grace kommer att hjälpa till att bana väg i sökandet efter beboeliga världar utanför vårt solsystem genom att testa nya verktyg som blockerar stjärnljus och avslöjar planeter dolda av deras moderstjärnors bländning. Teknikdemonstrationen skickades nyligen från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien till byråns Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, där den har anslutit sig till resten av rymdobservatoriet som förberedelse för uppskjutning i maj 2027.
Innan sin längdresa genomgick Roman Coronagraph det mest kompletta testet av sina stjärnljusblockerande förmågor hittills - vad ingenjörer kallar "gräva det mörka hålet". I rymden kommer denna process att göra det möjligt för astronomer att observera ljus direkt från planeter runt andra stjärnor, eller exoplaneter. När den väl har demonstrerats på romersk, kan liknande teknologier på ett framtida uppdrag göra det möjligt för astronomer att använda det ljuset för att identifiera kemikalier i en exoplanets atmosfär, inklusive sådana som potentiellt indikerar närvaron av liv.
Låt testningen börja
För testet med mörka hål placerade teamet koronagrafen i en förseglad kammare utformad för att simulera det kalla, mörka vakuumet i rymden. Med hjälp av lasrar och speciell optik replikerade de ljuset från en stjärna som det skulle se ut när det observerades av det romerska teleskopet. När ljuset når koronagrafen använder instrumentet små cirkulära förmörkelser som kallas masker för att effektivt blockera stjärnan, som ett bilvisir som blockerar solen eller att månen blockerar solen under en total solförmörkelse. Detta gör det lättare att se svagare föremål nära stjärnan.
Koronagrafer med masker flyger redan i rymden, men de kan inte upptäcka en jordliknande exoplanet. Från ett annat stjärnsystem skulle vår hemplanet verka ungefär 10 miljarder gånger mörkare än solen, och de två är relativt nära varandra. Så att försöka avbilda jorden direkt skulle vara som att försöka se en fläck av självlysande alger bredvid en fyr på 3 000 miles (cirka 5 000 kilometer) bort. Med tidigare koronagrafisk teknologi överväldigar även en maskerad stjärnas bländning en jordliknande planet.
The Roman Coronagraph kommer att demonstrera tekniker som kan ta bort mer oönskat stjärnljus än tidigare rymdkoronagrafer genom att använda flera rörliga komponenter. Dessa rörliga delar kommer att göra den till den första "aktiva" koronagrafen som flyger i rymden. Dess huvudsakliga verktyg är två deformerbara speglar, var och en endast 2 tum (5 centimeter) i diameter och stöds av mer än 2 000 små kolvar som rör sig upp och ner. Kolvarna samverkar för att ändra formen på de deformerbara speglarna så att de kan kompensera för det oönskade ströljuset som rinner ut runt kanterna på maskerna.
De deformerbara speglarna hjälper också till att korrigera för brister i det romerska teleskopets övriga optik. Även om de är för små för att påverka Romans andra mycket exakta mått, kan defekterna sända bort stjärnljus i det mörka hålet. Exakta ändringar gjorda av varje deformerbar spegels form, omärklig för blotta ögat, kompenserar för dessa brister.
"Brekerna är så små och har en så liten effekt att vi var tvungna att göra över 100 iterationer för att få det rätt", säger Feng Zhao, biträdande projektledare för Roman Coronagraph på JPL. "Det är ungefär som när du går till en optiker och de sätter upp olika linser och frågar dig:'Är den här bättre? Vad sägs om den här?' Och koronagrafen presterade ännu bättre än vi hade hoppats."
Under testet visar avläsningarna från koronagrafens kamera en munkformad region runt den centrala stjärnan som långsamt blir mörkare när teamet riktar mer stjärnljus bort från den – därav smeknamnet "gräva det mörka hålet". I rymden skulle en exoplanet som lurar i denna mörka region sakta dyka upp när instrumentet gör sitt arbete med sina deformerbara speglar.
Beboeliga världar
Mer än 5 000 planeter har upptäckts och bekräftats runt andra stjärnor under de senaste 30 åren, men de flesta har upptäckts indirekt, vilket innebär att deras närvaro kan antas baserat på hur de påverkar sin moderstjärna. Att upptäcka dessa relativa förändringar i moderstjärnan är mycket lättare än att se signalen från den mycket svagare planeten. Faktum är att färre än 70 exoplaneter har avbildats direkt.
Planeterna som hittills har avbildats direkt är inte som jorden:de flesta är mycket större, varmare och vanligtvis längre bort från sina stjärnor. Dessa funktioner gör dem lättare att upptäcka men också mindre gästvänliga för livet som vi känner det.
För att leta efter potentiellt beboeliga världar måste forskare avbilda planeter som inte bara är miljarder gånger mörkare än deras stjärnor, utan också kretsar runt dem på rätt avstånd för att flytande vatten ska existera på planetens yta - en föregångare till den typ av liv som hittats. på jorden.
Att utveckla förmågan att direkt avbilda jordliknande planeter kommer att kräva mellanliggande steg som den romerska Coronagraph. Med sin maximala förmåga kunde den avbilda en exoplanet som liknar Jupiter runt en stjärna som vår sol:en stor, sval planet strax utanför stjärnans beboeliga zon.
Vad NASA lär sig av den romerska Coronagraph kommer att hjälpa till att skapa en väg för framtida uppdrag som är utformade för att direkt avbilda planeter i jordstorlek som kretsar i de beboeliga zonerna av solliknande stjärnor. Byråns koncept för ett framtida teleskop kallat Habitable Worlds Observatory syftar till att avbilda minst 25 planeter som liknar jorden med hjälp av ett instrument som kommer att bygga på vad det romerska Coronagraph Instrument demonstrerar i rymden.
"De aktiva komponenterna, som deformerbara speglar, är viktiga om du vill uppnå målen för ett uppdrag som Habitable Worlds Observatory", säger JPL:s Ilya Poberezhskiy, projektsystemingenjör för Roman Coronagraph. "Den aktiva karaktären hos det romerska Coronagraph Instrumentet gör att du kan ta vanlig optik till en annan nivå. Det gör hela systemet mer komplext, men vi skulle inte kunna göra dessa otroliga saker utan det."
Tillhandahålls av NASA
