In het komende decennium zal NASA een aantal werkelijk indrukwekkende faciliteiten de ruimte in sturen. Deze omvatten de ruimtetelescopen van de volgende generatie, zoals de James Webb Space Telescope (JWST) en de Wide-Field Infrared Space Telescope (WFIRST). Voortbouwend op het door HubbleZal WFIRST zijn geavanceerde reeks instrumenten gebruiken om enkele van de diepste mysteries van het heelal te onderzoeken.
Een van deze instrumenten is de coronagraaf waarmee de telescoop een duidelijk beeld kan krijgen van buitenzonne-planeten. Dit instrument voltooide onlangs een voorlopig ontwerponderzoek, uitgevoerd door NASA, een belangrijke mijlpaal in zijn ontwikkeling. Dit betekent dat het instrument aan alle ontwerp-, planning- en budgetvereisten heeft voldaan en nu kan doorgaan naar de volgende ontwikkelingsfase.
De chronograaf is een belangrijk onderdeel van de planeetjachtinstrumenten van WFIRST. Gewoonlijk is het direct afbeelden van exoplaneten moeilijk vanwege de intense schittering die afkomstig is van hun moedersterren. Dit licht is vele malen krachtiger dan het licht dat wordt gereflecteerd door het oppervlak of de atmosfeer van een planeet. Om deze reden zijn de kleine sporen van licht die de aanwezigheid van exoplaneten aangeven, voor conventionele instrumenten verborgen.
Maar door de intense schittering van een ster op te heffen, hebben astronomen een veel betere kans om planeten te zien die er omheen draaien. Dit biedt het verdere voordeel dat het direct exoplaneten kan bestuderen, in plaats van te vertrouwen op indirecte methoden waarbij sterren worden gecontroleerd op dalingen in helderheid (de Transit-methode) of tekenen van beweging heen en weer, wat de aanwezigheid van een planetair systeem aangeeft (de Radial Velocity Method).
Ter vergelijking: de Direct Imaging-methode biedt veel voordelen, zoals de mogelijkheid om spectra rechtstreeks van het oppervlak en de atmosfeer van een planeet te verkrijgen. Dit maakt een nauwkeurigere beoordeling mogelijk van de samenstelling van een planeet en de samenstelling van zijn atmosfeer - d.w.z. heeft hij oppervlaktewater, een zuurstof-stikstof
Zoals Jason Rhodes, de projectwetenschapper voor de Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, uitlegde:
"Wat we proberen te doen is een miljard fotonen van de ster uitschakelen voor elke foto die we van de planeet maken ... Met WFIRST kunnen we afbeeldingen en spectra van deze grote planeten krijgen, met als doel technologieën te bewijzen die zal worden gebruikt in een toekomstige missie - om uiteindelijk te kijken naar kleine rotsachtige planeten met vloeibaar water op hun oppervlak, of zelfs tekenen van leven, zoals het onze. ”
Het coronagraaf-instrument van de WFIRST (ook bekend als de "starglasses") is een meerlagig en zeer complex stuk technologie, bestaande uit een systeem van maskers, prisma's, detectoren en twee zelf-buigende spiegels. Deze spiegels zijn de belangrijkste componenten, die in realtime van vorm veranderen om inkomend licht op te vangen om kleine veranderingen in de optiek van de telescoop te compenseren.
In combinatie met hightech "maskers" en andere componenten - gezamenlijk bekend als "active wavefront control" - verwijderen deze spiegels de interferentie die wordt veroorzaakt door lichtgolven die rond de randen van de lichtblokkerende elementen van de coronagraaf buigen. Het eindresultaat hiervan is dat sterrenlicht gedimd wordt terwijl er vaag gloeiende objecten (die voorheen onzichtbaar waren) zullen verschijnen.
De WFIRST-coronagraaf is niet alleen 100 tot 1.000 keer capabeler dan eerdere coronagrafen, maar dient ook als een technologiedemonstrator die de doeltreffendheid ervan zal testen om exoplaneten te helpen vinden. Deze tests zullen de weg vrijmaken voor opgeschaalde versies die worden toegevoegd aan nog grotere telescopen, waaronder de vier voorgestelde observatoria die tegen 2030 de ruimte in zullen worden gestuurd.
Deze omvatten de Grote ultraviolette / optische / infrarood landmeter (LUVOIR), de Origins Space Telescope (OST), en de Lynx X-ray Surveyor. Met behulp van grotere en geavanceerdere coronagrafen zullen deze telescopen in staat zijn om 'pixel'-beelden van één pixel te genereren van kleinere planeten die dichter bij hun zonnen cirkelen (dit is waar rotsachtige planeten waarschijnlijk worden gevonden).
Zodra het licht van deze beelden is geanalyseerd met een spectrometer, zullen astronomen als nooit tevoren kunnen jagen op tekenen van leven (ook bekend als biosignaturen). Zoals Rhodos zei:
"Met WFIRST kunnen we afbeeldingen en spectra van deze grote planeten krijgen, met als doel technologieën te bewijzen die zullen worden gebruikt in een toekomstige missie - om uiteindelijk te kijken naar kleine rotsachtige planeten die vloeibaar water op hun oppervlak kunnen hebben, of zelfs tekenen van leven, zoals die van ons. '
De opname van een coronagraaf op WFIRST is belangrijk omdat het de eerste missie zal zijn, aangezien Hubble (in een baan sinds 1990) de enige NASA-astrofysica-vlaggenschipmissie is die deze technologie omvat. Natuurlijk waren de coronagrafen van Hubble veel eenvoudiger en minder geavanceerde versies van de technologie dan wat WFIRST zal gebruiken.
Hoewel de James Webb-ruimtetelescoop eerder zal worden gelanceerd (momenteel gepland voor lancering in 2021) en ook zal worden uitgerust met de technologie, zal deze niet dezelfde capaciteit voor het onderdrukken van sterrenlicht hebben als WFIRST. Dus hoewel WFIRST de derde vlaggenschipmissie zal zijn die coronagraaftechnologie gebruikt, zal het ook de meest geavanceerde zijn.
"WFIRST zou twee of drie grootteordes krachtiger moeten zijn dan welke andere coronagraaf ooit gevlogen [in zijn vermogen om een planeet van zijn ster te onderscheiden]", zei Rhodes. "Er zou een kans moeten zijn voor echt boeiende wetenschap, ook al is het maar een technische demo."
Dit soort coronagraaftechnologie zou ook de helderste beelden ooit kunnen maken van een sterrensysteem dat zich in de vroege stadia van vorming bevindt. Dit wordt gekenmerkt door een ster omringd door een enorme schijf van stof en gas, terwijl planeten zich langzaam vormen uit geaccumuleerd materiaal. Momenteel is de beste manier om deze schijven te bestuderen door middel van infraroodonderzoeken die de warmte kunnen absorberen die door hun moederster wordt geabsorbeerd.
Zoals Vanessa Bailey, astronoom bij JPL en instrumenttechnoloog voor de WFIRST
'De puinschijven die we tegenwoordig rond andere sterren zien, zijn helderder en massiever dan wat we in ons eigen zonnestelsel hebben. WFIRST's coronagraaf-instrument zou zwakker, diffuser schijfmateriaal kunnen bestuderen dat meer lijkt op de Main Asteroid Belt, de Kuiper Belt en ander stof dat in een baan om de zon draait. "
Deze studies kunnen inzicht geven in hoe ons zonnestelsel is ontstaan. Zodra de technologie met succes is gedemonstreerd gedurende de eerste 18 maanden van de missie, kan NASA beginnen met wat bekend staat als een "Participating Scientist Program". In het kader van een dergelijk programma zou de coronagraaf openstaan voor de wetenschappelijke gemeenschap, waardoor een grotere verscheidenheid aan waarnemers en experimenten mogelijk zou zijn.
De voorlopige ontwerpbeoordeling is een van de vele die zijn ontworpen om elk aspect van de missie te onderzoeken. Elke beoordeling is uitgebreid en bedoeld om ervoor te zorgen dat elk afzonderlijk onderdeel met de andere samenwerkt. Nu deze ontwerpbeoordeling is voltooid, gaat het ontwikkelingsschema van de coronagraaf in een snel tempo vooruit.
Dit is het tweede belangrijke onderdeel van de WFIRST-missie om goedkeuring te krijgen. Het Wide-Field Instrument werd in juni vrijgegeven, een 288-megapixel multi-band nabij-infraroodcamera die een scherpte zal bieden van beelden die vergelijkbaar zijn met die van Hubble over een veld dat 100 keer groter is. Deze camera wordt beschouwd als het belangrijkste instrument van de ruimtetelescoop.
Zoals Rhodos aangaf, zal de WFIRST-missie een historische missie zijn die lijkt op de Mars Pathfinder missie die in 1997 op Mars landde. Dit was de eerste NASA-missie die een rover (Sojourner) op Mars, die belangrijke technologieën en methoden valideerde die uiteindelijk in de Geest, Kans, nieuwsgierigheid, en Mars 2020 rovers.
'Dat was een technische demo', zei Rhodes. 'Het doel was om te laten zien dat een rover op Mars werkt. Maar tijdens zijn leven deed het een aantal zeer interessante wetenschap. Dus we hopen dat hetzelfde geldt voor WFIRST's coronagraaf tech demo. "
