Dans notre chasse aux planètes semblables à la Terre et à la vie extraterrestre, nous avons trouvé des milliers d'exoplanètes en orbite autour d'étoiles autres que notre soleil. La mise en garde est que la plupart de ces planètes ont été détectées à l'aide de méthodes indirectes. Semblable à la façon dont une personne ne peut rien regarder de trop près du soleil, les télescopes actuels ne peuvent pas observer les planètes potentielles semblables à la Terre car elles sont trop proches des étoiles sur lesquelles elles orbitent, qui sont environ 10 milliards de fois plus lumineuses que les planètes qui les entourent.

Une solution possible pourrait être de créer une éclipse solaire artificielle avec deux engins spatiaux positionnés avec précision, selon Simone D'Amico, professeur assistant d'aéronautique et d'astronautique à Stanford et directeur du Space Rendezvous Laboratory. Un engin – connu sous le nom d'ombre stellaire – se positionnerait comme la lune dans une éclipse solaire, bloquant la lumière d'une étoile lointaine, ainsi un deuxième vaisseau spatial avec un télescope pourrait voir les exoplanètes voisines depuis l'ombre projetée par l'ombre des étoiles.

"Avec des mesures indirectes, vous pouvez détecter des objets à proximité d'une étoile et déterminer leur période d'orbite et leur distance par rapport à l'étoile, " dit d'Amico, dont le laboratoire travaille sur ce système d'éclipse. "Ce sont toutes des informations importantes, mais avec une observation directe, vous pourriez caractériser la composition chimique de la planète et potentiellement observer des signes d'activité biologique – la vie. »

Devenir petit

Les observatoires proposés capables d'imager des planètes semblables à la Terre nécessitent une ombre de dizaines de mètres de diamètre séparée du télescope par une distance égale à plusieurs diamètres de la Terre, et la formation devrait être déployée au-delà de l'orbite terrestre. Tout à fait, cette mission coûterait des milliards de dollars. Au lieu d'envoyer un cher, système non testé dans l'espace, Le laboratoire de D'Amico, en collaboration avec l'expert des exoplanètes Bruce Macintosh, professeur de physique, a créé une version plus petite de cette formation, susceptible de coûter des millions plutôt que des milliards. L'objectif principal de cette mission est de fournir une démonstration en vol à faible coût de la technologie des ombres stellaires afin d'accroître la confiance de la communauté scientifique dans les capacités d'un observatoire à grande échelle.

"Jusque là, aucune mission n'a été effectuée avec le degré de sophistication requis pour l'un de ces observatoires d'imagerie d'exoplanètes, " a déclaré Adam Koenig, un étudiant diplômé du Space Rendezvous Laboratory. « Quand vous demandez au siège social quelques milliards de dollars pour faire quelque chose comme ça, ce serait idéal de pouvoir dire que nous avons déjà volé tout cela auparavant. Celui-ci est juste plus grand."

Appelé mDOT pour occulteur/télescope distribué miniaturisé, le système comprend deux parties :un abat-jour de 3 mètres de diamètre sur un microsatellite de 100 kilogrammes et un télescope de 10 centimètres de diamètre sur un nanosatellite de 10 kilogrammes. L'ombre et le télescope seront déployés en orbite terrestre haute avec une séparation nominale inférieure à 1, 000 kilomètres.

La forme de l'ombre dans mDOT est basée sur les recherches de Robert Vanderbei de l'Université de Princeton, reformulé par le Space Rendezvous Laboratory pour s'adapter aux contraintes d'un engin spatial beaucoup plus petit. Lors du lancement, l'abat-jour sera plié le long des côtés du microsatellite de la taille d'un lave-vaisselle. Une fois en orbite, le sharshade se déploiera en une forme de fleur.

"Avec cette forme géométrique particulière, vous pouvez faire diffracter la lumière autour de l'ombre pour s'annuler, " expliqua Koenig. " Alors, vous obtenez un très, ombre très profonde en plein centre. L'ombre est suffisamment profonde pour que la lumière de l'étoile n'interfère pas avec les observations d'une planète proche."

Précis, navigation autonome

L'ombre produite par l'ombre des étoiles de mDOT n'a que quelques dizaines de centimètres de diamètre, ce qui signifie que la position latérale du télescope par rapport à l'ombre doit être contrôlée à environ 15 centimètres.

Dans leur conception, les chercheurs ont fait voler les deux engins spatiaux sur une grande orbite, l'ombre des étoiles éclipsant l'étoile cible au point de l'orbite le plus éloigné de la Terre – le point auquel les engins spatiaux se déplacent le plus lentement l'un par rapport à l'autre. Après environ une heure de ce positionnement serré, ils permettront à la formation de se séparer jusqu'à ce qu'il soit presque temps pour le vaisseau spatial de se remettre en ligne pour la prochaine observation. Les chercheurs s'attendent à avoir besoin de dizaines d'heures d'observation pour démontrer que l'ombre des étoiles fonctionne comme prévu.

En raison des exigences difficiles, le seul moyen de réaliser le mDOT est de passer par un système autonome qui n'est pas affecté par les retards de communication entre les satellites et les opérateurs de mission sur Terre. Le vol en formation d'engins spatiaux autonomes est l'axe de recherche du laboratoire Space Rendezvous de D'Amico.

Démonstration de nouvelles sciences et technologies

Le mDOT miniaturisé ne pourra pas résoudre les planètes semblables à la Terre car elles sont encore trop proches de leurs étoiles mères. Ça pourrait, cependant, nous donner un aperçu direct de l'équivalent d'un autre système stellaire de Jupiter ou aider à caractériser les concentrations de poussière exozodiaque autour des étoiles proches, qui est une priorité pour la NASA.

Il s'agit de l'un des nombreux projets de D'Amico axés sur une meilleure compréhension de la Terre et de l'univers à l'aide d'engins spatiaux de précision volant en formation. GRACE et TanDEM-X sont deux missions en cours pour lesquelles il a aidé, qui mesurent les changements du champ de gravité et de la forme de la Terre, respectivement. Le laboratoire travaille également sur de plus grandes formations de vaisseaux spatiaux appelées essaims. Cependant, similaire au mDOT, avant que ces technologies puissent voler, il est nécessaire de prouver qu'ils fonctionnent comme prévu en utilisant des bancs d'essai au sol. À cette fin, D'Amico a construit une installation qui reproduit avec précision les conditions d'éclairage complexes et uniques rencontrées par les capteurs dans l'espace.

« Je suis enthousiasmé par mon programme de recherche à Stanford car nous relevons des défis importants, " a déclaré D'Amico. " Je veux aider à répondre à des questions fondamentales et si vous regardez dans toutes les directions actuelles de la science et de l'exploration spatiales - si nous essayons d'observer des exoplanètes, connaître l'évolution de l'univers, assembler des structures dans l'espace ou comprendre notre planète - le vol en formation par satellite est le principal catalyseur. »