Quiconque a déjà vu des aéronefs en vol en formation peut apprécier l'exploit de rester parfaitement synchronisé en vol. Dans le cadre d'un travail parrainé par le programme d'exploration des exoplanètes (ExEP) de la NASA, ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, Californie, prennent le vol en formation à un nouvel extrême.

Leur travail marque une étape importante dans un programme plus vaste visant à tester la faisabilité d'une technologie appelée ombre stellaire. Bien que les étoiles n'aient jamais volé dans l'espace, ils ont le potentiel de permettre des observations révolutionnaires de planètes au-delà de notre système solaire, y compris des images de planètes aussi petites que la Terre.

Une future mission Starshade impliquerait deux engins spatiaux. L'un serait un télescope spatial à la recherche de planètes en orbite autour d'étoiles en dehors de notre système solaire. L'autre vaisseau spatial en volerait environ 25, 000 milles (40, 000 kilomètres) devant elle, portant un grand, ombre plate. L'ombre se déploierait comme une fleur épanouie - avec des "pétales - et bloquerait la lumière d'une étoile, permettant au télescope d'avoir un aperçu plus clair de toutes les planètes en orbite. Mais cela ne fonctionnerait que si les deux vaisseaux spatiaux restaient, malgré la grande distance qui les sépare, alignés à moins de 3 pieds (1 mètre) l'un de l'autre. Plus, et la lumière des étoiles s'infiltrerait autour de l'ombre des étoiles dans la vue du télescope et submergerait les exoplanètes faibles.

"Les distances dont nous parlons pour la technologie des étoiles sont un peu difficiles à imaginer, " a déclaré l'ingénieur du JPL Michael Bottom. " Si l'ombre des étoiles était réduite à la taille d'un sous-verre, le télescope aurait la taille d'une gomme à crayon et ils seraient séparés d'environ 100 kilomètres. Imaginez maintenant que ces deux objets flottent librement dans l'espace. Ils subissent tous les deux ces petits tiraillements et coups de coude de la gravité et d'autres forces, et sur cette distance, nous essayons de les garder tous les deux alignés avec précision à environ 2 millimètres. »

Les chercheurs ont trouvé des milliers d'exoplanètes sans l'utilisation d'un abat-jour, mais dans la plupart des cas, les scientifiques ont découvert ces mondes indirectement. Le mode transit, par exemple, détecte la présence d'une planète lorsqu'elle passe devant son étoile mère et provoque une baisse temporaire de la luminosité de l'étoile. Ce n'est que dans relativement peu de cas que les scientifiques ont pris des images directes d'exoplanètes.

Bloquer la lumière des étoiles est essentiel pour effectuer une imagerie plus directe et, finalement, à mener des études approfondies des atmosphères planétaires ou à trouver des indices sur les caractéristiques de surface des mondes rocheux. De telles études ont le potentiel de révéler pour la première fois des signes de vie au-delà de la Terre.

À la recherche de l'ombre

L'idée d'utiliser un ombre stellaire pour étudier les exoplanètes a été initialement proposée dans les années 1960, quatre décennies avant la découverte des premières exoplanètes. Et bien que la capacité de pointer un seul vaisseau spatial de manière constante vers un objet distant ne soit pas nouvelle, Soit, garder deux vaisseaux spatiaux alignés l'un avec l'autre vers un objet d'arrière-plan représente un autre type de défi.

Les chercheurs travaillant sur le développement de la technologie Starshade d'ExEP, connu sous le nom de S5, ont été chargés par la NASA de développer une technologie d'ombre stellaire pour d'éventuelles futures missions de télescope spatial. L'équipe S5 comble trois lacunes technologiques qui devraient être comblées avant qu'une mission Starshade puisse être prête à aller dans l'espace.

Le travail effectué par Bottom et son collègue ingénieur du JPL, Thibault Flinois, comble l'une de ces lacunes en confirmant que les ingénieurs pourraient produire de manière réaliste une mission d'ombre stellaire répondant à ces exigences strictes de "détection et de contrôle de la formation". Leurs résultats sont décrits dans le rapport S5 Milestone 4, disponible sur le site de l'ExEP.

Se former

Les spécificités d'une mission d'ombre stellaire particulière, y compris la distance exacte entre les deux vaisseaux spatiaux et la taille de l'ombre, dépendraient de la taille du télescope. Le rapport S5 Milestone 4 a examiné principalement une plage de séparation comprise entre 12, 500 à 25, 000 milles (20, 000 à 40, 000 kilomètres), avec un abat-jour de 85 pieds (26 mètres) de diamètre. Ces paramètres fonctionneraient pour une mission de la taille du Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) de la NASA, un télescope avec un miroir primaire de 2,4 mètres de diamètre qui devrait être lancé au milieu des années 2020.

WFIRST proposera une technologie différente de blocage de la lumière des étoiles, appelé un coronographe, qui se trouve à l'intérieur du télescope et offre ses propres atouts uniques dans l'étude des exoplanètes. Cette démonstration technologique sera le premier coronographe stellaire à haut contraste à aller dans l'espace, permettant à WFIRST d'imager directement des exoplanètes géantes similaires à Neptune et Jupiter.

Les technologies Starshade et Coronograph fonctionnent séparément, mais Bottom a testé une technique par laquelle WFIRST pouvait détecter quand une ombre stellaire hypothétique dérivait subtilement de son alignement. Une petite quantité de lumière stellaire se plierait inévitablement autour de l'ombre des étoiles et formerait un motif clair et sombre à l'avant du télescope. Le télescope verrait le motif en utilisant une caméra pupillaire, qui peut imager l'avant du télescope de l'intérieur, ce qui revient à photographier un pare-brise de l'intérieur d'une voiture.

Les enquêtes précédentes sur les étoiles avaient envisagé cette approche, mais Bottom en a fait une réalité en créant un programme informatique capable de reconnaître quand le motif clair et sombre était centré sur le télescope et quand il avait dérivé hors du centre. Bottom a découvert que la technique fonctionne extrêmement bien comme moyen de détecter le mouvement de l'ombre.

"Nous pouvons sentir un changement dans la position de l'ombre des étoiles jusqu'à un pouce, même sur ces immenses distances, " dit Bas.

Mais détecter quand l'ombre des étoiles n'est pas alignée est une proposition entièrement différente de la maintenir réellement alignée. À cette fin, Flinois et ses collègues ont développé un ensemble d'algorithmes qui utilisent les informations fournies par le programme de Bottom pour déterminer quand les propulseurs Starshade doivent tirer pour le remettre en position. Les algorithmes ont été créés pour maintenir de manière autonome l'ombre des étoiles alignée avec le télescope pendant des jours.

Combiné avec le travail de Bottom, cela montre qu'il est possible de maintenir les deux engins spatiaux alignés à l'aide de capteurs automatisés et de commandes de propulseur. En réalité, the work by Bottom and Flinois demonstrates that engineers could reasonably meet the alignment demands of an even larger starshade (in conjunction with a larger telescope), positioned up to 46, 000 miles (74, 000 kilometers) from the telescope.

"With such an unusually large range of scales at play here, it can be very counterintuitive that this would be possible at first glance, " Flinois said.

A starshade project has not yet been approved for flight, but one could potentially join WFIRST in space in the late 2020s. Meeting the formation-flying requirement is just one step toward demonstrating that the project is feasible.

"This to me is a fine example of how space technology becomes ever more extraordinary by building upon its prior successes, " said Phil Willems, manager of NASA's Starshade Technology Development activity. "We use formation flying in space every time a capsule docks at the International Space Station. But Michael and Thibault have gone far beyond that, and shown a way to maintain formation over scales larger than Earth itself."