Pequeños satélites podrían servir ‘estrellas guía’ para enormes telescopios de próxima generación

Hay más de 3,900 planetas más allá de nuestro sistema solar. Muchos de ellos han sido detectados debido a sus “tránsitos”, es decir, cuando un planeta cruza su estrella, bloqueando momentáneamente su luz. Estas caídas a la luz de las estrellas pueden decirle a los astrónomos un poco sobre el tamaño de un planeta y su distancia de la estrella.

Así como saber más del mismo, incluso si alberga oxígeno, agua y otros signos de vida, requiere herramientas mucho más poderosas. Idealmente, estos serían telescopios mucho más grandes en el espacio, con espejos de captación de luz tan anchos como los de los observatorios terrestres más grandes. Los ingenieros de la NASA ahora están desarrollando diseños para los telescopios espaciales de próxima generación, incluidos los telescopios “segmentados” con múltiples espejos pequeños que podrían ensamblarse o desplegarse para formar un telescopio muy grande.

El próximo Telescopio Espacial James Webb de la NASA es un ejemplo de un espejo primario segmentado, con un diámetro de 6,5 metros y 18 segmentos hexagonales. Se espera que los telescopios espaciales de la próxima generación sean tan grandes como 15 metros, con más de 100 segmentos de espejos.

Un desafío para los telescopios espaciales segmentados es cómo mantener los segmentos del espejo estables y apuntar colectivamente hacia un sistema exoplanetario. Tales telescopios estarían equipados con coronógrafos, instrumentos que son lo suficientemente sensibles para distinguir entre la luz emitida por una estrella y la luz considerablemente más débil emitida por un planeta en órbita. Pero el cambio más leve en cualquiera de las partes del telescopio podría desviar las mediciones de un coronágrafo e interrumpir las mediciones de oxígeno, agua u otras características planetarias.

Ahora los ingenieros del MIT proponen que una segunda nave espacial del tamaño de una caja de zapatos esté equipada con láser que podría volar a una distancia del gran telescopio espacial y actuar como una “estrella guía”, proporcionando una luz constante y brillante cerca del sistema objetivo que el telescopio podría usar como punto de referencia en el espacio para mantenerse estable.

Durante más de un siglo, los astrónomos han estado usando cuerpos celestes como “guías” para estabilizar los telescopios terrestres.

“Si las imperfecciones en el motor del telescopio o los engranajes causaran que su telescopio se desplace un poco más rápido o más lento, podría observar a su estrella guía en un punto de mira y mantenerlo centrado lentamente mientras tomaba una exposición prolongada”, dice Douglas.

En la década de 1990, los científicos comenzaron a usar láseres en el suelo como estrellas de guía artificiales al excitar el sodio en la atmósfera superior, apuntando los láseres hacia el cielo para crear un punto de luz a unas 40 millas del suelo. Los astrónomos podrían entonces estabilizar un telescopio utilizando esta fuente de luz, que podría generarse en cualquier lugar donde el astrónomo quisiera apuntar con el telescopio.

“Ahora estamos extendiendo esa idea, pero en lugar de apuntar un láser desde el suelo al espacio, lo estamos enfocando desde un espacio, hacia un telescopio en el espacio”, dice Douglas. Los telescopios terrestres necesitan estrellas de guía para contrarrestar los efectos atmosféricos, pero los telescopios espaciales para la obtención de imágenes de exoplanetas deben contrarrestar los cambios mínimos en la temperatura del sistema y cualquier perturbación debida al movimiento.

La idea de la estrella guía láser basada en el espacio surgió de un proyecto financiado por la NASA. La agencia ha estado considerando diseños para telescopios grandes y segmentados en el espacio y encargó a los investigadores encontrar formas de reducir el costo de los observatorios masivos.

Flota estelar

El laboratorio de Cahoy ha estado desarrollando comunicaciones láser para su uso en CubeSats, que son satélites del tamaño de una caja de zapatos que se pueden construir y lanzar al espacio a una fracción del costo de las naves espaciales convencionales.

Para este nuevo estudio, los investigadores observaron si un láser, integrado en un CubeSat o un SmallSat ligeramente más grande, podría usarse para mantener la estabilidad de un gran telescopio espacial segmentado modelado después del LUVOIR de la NASA (para el topógrafo infrarrojo óptico grande de la UV), una Diseño conceptual que incluye múltiples espejos que se ensamblarían en el espacio.

Los investigadores han estimado que un telescopio de este tipo tendría que permanecer perfectamente quieto, dentro de los 10 picómetros (aproximadamente una cuarta parte del diámetro de un átomo de hidrógeno) para que un párrafo coronado a bordo tome medidas precisas de la luz de un planeta, aparte de su estrella.

“Cualquier perturbación en la nave espacial, como un ligero cambio en el ángulo del sol o una pieza electrónica que se enciende y se apaga y cambia la cantidad de calor disipado a través de la nave espacial, causará una ligera expansión o contracción de la estructura”, Douglas dice. “Si obtienes perturbaciones más grandes que alrededor de 10 picómetros, comienzas a ver un cambio en el patrón de luz estelar dentro del telescopio, y los cambios significan que no puedes restar la luz estelar perfectamente para ver la luz reflejada del planeta”.

El equipo ideó un diseño general para una estrella guía láser que estaría lo suficientemente lejos de un telescopio para ser visto como una estrella fija, a unas decenas de miles de kilómetros de distancia, y que apuntaría hacia atrás y enviaría su luz hacia el telescopio. espejos, cada uno de los cuales reflejaría la luz láser hacia una cámara a bordo. Esa cámara mediría la fase de esta luz reflejada a lo largo del tiempo. Cualquier cambio de 10 picómetros o más indicaría un compromiso con la estabilidad del telescopio que los actuadores a bordo podrían corregir rápidamente.

Para ver si tal diseño de estrella guía láser sería factible con la tecnología láser de hoy, Douglas y Cahoy trabajaron con colegas de la Universidad de Arizona para encontrar diferentes fuentes de brillo, para descubrir, por ejemplo, qué tan brillante tendría que ser un láser. debe proporcionar cierta cantidad de información sobre la posición de un telescopio, o proporcionar estabilidad utilizando modelos de estabilidad de segmento de telescopios espaciales grandes. Luego, dibujaron un conjunto de transmisores láser existentes y calcularon cuán estable, fuerte y lejano tendría que ser cada láser desde el telescopio para actuar como una estrella guía confiable.



En general, encontraron que los diseños de estrella guía láser son factibles con las tecnologías existentes, y que el sistema podría encajar completamente dentro de un SmallSat del tamaño de un pie cúbico. Douglas dice que una sola estrella guía posiblemente podría seguir la “mirada” de un telescopio, viajando de una estrella a otra mientras el telescopio cambia sus objetivos de observación. Sin embargo, esto requeriría que las naves espaciales más pequeñas viajen a una distancia de cientos de miles de millas emparejadas con el telescopio, ya que el telescopio se posiciona para observar diferentes estrellas.

En su lugar, Douglas dice que se podría desplegar una pequeña flota de estrellas guías, a un precio razonable, y espaciadas a través del cielo, para ayudar a estabilizar un telescopio mientras examina múltiples sistemas exoplanetarios. Cahoy señala que el reciente éxito de MARCO CubeSats de la NASA, que apoyó el aterrizaje Mars Insight como retransmisión de comunicaciones, demuestra que los sistemas CubeSats con propulsión pueden funcionar en el espacio interplanetario, durante más tiempo y a grandes distancias.

“Ahora estamos analizando los sistemas de propulsión existentes y descubriendo la forma óptima de hacer esto, y cuántas naves espaciales queremos que nos saltemos en el espacio”, dice Douglas. “En última instancia, creemos que esta es una manera de reducir el costo de estos grandes y segmentados espacio telescopios “.

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