Il y en a plus de 3, 900 planètes confirmées au-delà de notre système solaire. La plupart d'entre eux ont été détectés à cause de leurs « transits » - des cas où une planète croise son étoile, bloquant momentanément sa lumière. Ces creux dans la lumière des étoiles peuvent renseigner les astronomes sur la taille d'une planète et sa distance par rapport à son étoile.

Mais en savoir plus sur la planète, y compris s'il contient de l'oxygène, l'eau, et autres signes de vie, nécessite des outils beaucoup plus puissants. Idéalement, ce seraient des télescopes beaucoup plus gros dans l'espace, avec des miroirs collecteurs de lumière aussi larges que ceux des plus grands observatoires au sol. Les ingénieurs de la NASA développent actuellement des conceptions pour ces télescopes spatiaux de nouvelle génération, y compris des télescopes "segmentés" avec plusieurs petits miroirs qui pourraient être assemblés ou déployés pour former un très grand télescope une fois lancé dans l'espace.

Le prochain télescope spatial James Webb de la NASA est un exemple de miroir primaire segmenté, avec un diamètre de 6,5 mètres et 18 segments hexagonaux. Les télescopes spatiaux de nouvelle génération devraient mesurer jusqu'à 15 mètres, avec plus de 100 segments de miroir.

Un défi pour les télescopes spatiaux segmentés est de savoir comment maintenir les segments de miroir stables et pointer collectivement vers un système exoplanétaire. De tels télescopes seraient équipés de coronographes, des instruments suffisamment sensibles pour discerner entre la lumière émise par une étoile et la lumière considérablement plus faible émise par une planète en orbite. Mais le moindre changement dans l'une des pièces du télescope pourrait fausser les mesures d'un coronographe et perturber les mesures d'oxygène, l'eau, ou d'autres caractéristiques planétaires.

Maintenant, les ingénieurs du MIT proposent qu'une seconde, un vaisseau spatial de la taille d'une boîte à chaussures équipé d'un simple laser pourrait voler à distance du grand télescope spatial et agir comme une "étoile guide, " offrant une stabilité, une lumière vive près du système cible que le télescope pourrait utiliser comme point de référence dans l'espace pour se maintenir stable.

Dans un article publié aujourd'hui dans le Journal astronomique , les chercheurs montrent que la conception d'une telle étoile guide laser serait réalisable avec la technologie actuelle. Les chercheurs disent que l'utilisation de la lumière laser du deuxième vaisseau spatial pour stabiliser le système assouplit la demande de précision dans un grand télescope segmenté, gain de temps et d'argent, et permettant des conceptions de télescopes plus flexibles.

"Cet article suggère qu'à l'avenir, nous pourrions peut-être construire un télescope un peu plus souple, un peu moins intrinsèquement stable, mais pourrait utiliser une source lumineuse comme référence pour maintenir sa stabilité, " dit Ewan Douglas, un post-doctorant au département d'aéronautique et d'astronautique du MIT et un auteur principal de l'article.

Le document comprend également Kerri Cahoy, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique au MIT, avec les étudiants diplômés James Clark et Weston Marlow au MIT, et Jared Males, Olivier Guyon, et Jennifer Lumbres de l'Université de l'Arizona.

Dans la ligne de mire

Pour plus d'un siècle, les astronomes ont utilisé de véritables étoiles comme « guides » pour stabiliser les télescopes au sol.

"Si des imperfections du moteur ou des engrenages du télescope faisaient que votre télescope suivait un peu plus vite ou plus lentement, vous pourriez regarder votre étoile guide sur un réticule à l'œil, et gardez-le lentement centré pendant que vous avez pris une longue exposition, ", dit Douglas.

Dans les années 1990, les scientifiques ont commencé à utiliser des lasers au sol comme étoiles de guidage artificielles en excitant le sodium dans la haute atmosphère, pointant les lasers vers le ciel pour créer un point lumineux à environ 40 miles du sol. Les astronomes pourraient alors stabiliser un télescope à l'aide de cette source lumineuse, qui pourrait être généré n'importe où l'astronome voulait pointer le télescope.

"Maintenant, nous étendons cette idée, mais plutôt que de pointer un laser du sol vers l'espace, nous le faisons briller depuis l'espace, sur un télescope dans l'espace, ", dit Douglas. Les télescopes au sol ont besoin d'étoiles guides pour contrer les effets atmosphériques, mais les télescopes spatiaux pour l'imagerie des exoplanètes doivent contrer les changements infimes de la température du système et toute perturbation due au mouvement.

L'idée de l'étoile guide laser basée dans l'espace est née d'un projet financé par la NASA. L'agence a envisagé des conceptions pour de grandes, télescopes segmentés dans l'espace et chargé les chercheurs de trouver des moyens de réduire le coût des observatoires massifs.

« La raison pour laquelle cela est pertinent maintenant est que la NASA doit décider dans les deux prochaines années si ces grands télescopes spatiaux seront notre priorité au cours des prochaines décennies, ", dit Douglas. "Cette prise de décision a lieu maintenant, tout comme la prise de décision pour le télescope spatial Hubble s'est produite dans les années 1960, mais il n'a été lancé que dans les années 1990.'"

Flotte d'étoiles

Le laboratoire de Cahoy a développé des communications laser pour une utilisation dans CubeSats, qui sont des satellites de la taille d'une boîte à chaussures qui peuvent être construits et lancés dans l'espace à une fraction du coût des engins spatiaux conventionnels.

Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont examiné si un laser, intégré dans un CubeSat ou un SmallSat légèrement plus grand, pourrait être utilisé pour maintenir la stabilité d'un grand télescope spatial segmenté inspiré du LUVOIR de la NASA (pour Large UV Optical Infrared Surveyor), une conception conceptuelle qui comprend plusieurs miroirs qui seraient assemblés dans l'espace.

Les chercheurs ont estimé qu'un tel télescope devrait rester parfaitement immobile, à moins de 10 picomètres - environ un quart du diamètre d'un atome d'hydrogène - pour qu'un coronographe embarqué puisse prendre des mesures précises de la lumière d'une planète, à part son étoile.

"Toute perturbation sur le vaisseau spatial, comme un léger changement dans l'angle du soleil, ou un élément électronique qui s'allume et s'éteint et modifie la quantité de chaleur dissipée à travers le vaisseau spatial, provoquera une légère expansion ou contraction de la structure, " dit Douglas. " Si vous obtenez des perturbations supérieures à environ 10 picomètres, vous commencez à voir un changement dans la configuration de la lumière des étoiles à l'intérieur du télescope, et les changements signifient que vous ne pouvez pas soustraire parfaitement la lumière des étoiles pour voir la lumière réfléchie de la planète."

L'équipe a proposé une conception générale pour une étoile de guidage laser qui serait suffisamment éloignée d'un télescope pour être considérée comme une étoile fixe - à environ des dizaines de milliers de kilomètres - et qui pointerait en arrière et enverrait sa lumière vers le télescope. miroirs, dont chacun réfléchirait la lumière laser vers une caméra embarquée. Cette caméra mesurerait la phase de cette lumière réfléchie au fil du temps. Tout changement de 10 picomètres ou plus signalerait un compromis sur la stabilité du télescope qui, les actionneurs embarqués pourraient alors rapidement corriger.

Pour voir si une telle conception d'étoile de guidage laser serait réalisable avec la technologie laser d'aujourd'hui, Douglas et Cahoy ont travaillé avec des collègues de l'Université de l'Arizona pour trouver différentes sources de luminosité, se rendre compte, par exemple, quelle devrait être la luminosité d'un laser pour fournir une certaine quantité d'informations sur la position d'un télescope, ou pour assurer la stabilité en utilisant des modèles de stabilité de segment provenant de grands télescopes spatiaux. Ils ont ensuite établi un ensemble d'émetteurs laser existants et calculé la stabilité, fort, et loin, chaque laser devrait être du télescope pour agir comme une étoile de guidage fiable.

En général, ils ont découvert que les conceptions d'étoiles de guidage laser sont réalisables avec les technologies existantes, et que le système pouvait tenir entièrement dans un SmallSat de la taille d'un pied cube. Douglas dit qu'une seule étoile guide pourrait éventuellement suivre le "regard, " voyager d'une étoile à l'autre au fur et à mesure que le télescope change ses cibles d'observation. Cependant, cela nécessiterait que le plus petit vaisseau spatial parcoure des centaines de milliers de kilomètres jumelé au télescope à distance, alors que le télescope se repositionne pour regarder différentes étoiles.

Au lieu, Douglas dit qu'une petite flotte d'étoiles guides pourrait être déployée, à moindre coût, et espacés dans le ciel, pour aider à stabiliser un télescope lorsqu'il surveille plusieurs systèmes exoplanétaires. Cahoy souligne que le récent succès des MARCO CubeSats de la NASA, qui supportait l'atterrisseur Mars Insight comme relais de communication, démontre que les CubeSats avec des systèmes de propulsion peuvent fonctionner dans l'espace interplanétaire, pour des durées plus longues et à de grandes distances.

« Maintenant, nous analysons les systèmes de propulsion existants et trouvons le moyen optimal de le faire, et combien de vaisseaux spatiaux nous voudrions se sauter dessus dans l'espace, ", dit Douglas. "En fin de compte, nous pensons que c'est un moyen de réduire le coût de ces grands, télescopes spatiaux segmentés."