Concept d'artiste du prototype starshade, une structure géante conçue pour bloquer l'éblouissement des étoiles afin que les futurs télescopes spatiaux puissent prendre des photos de planètes. Crédit :NASA/JPL
Le domaine de l'étude des exoplanètes a parcouru un long chemin au cours des dernières décennies. À ce jour, 5 063 exoplanètes ont été confirmées dans 3 794 systèmes au-delà du nôtre, avec 8 819 autres candidats en attente de confirmation. Dans les années à venir, des dizaines de milliers de planètes supplémentaires devraient être découvertes grâce aux observatoires de nouvelle génération. Le but ultime de cette recherche est de trouver des planètes "ressemblant à la Terre", ce qui signifie qu'elles ont de bonnes chances de supporter la vie. Ce n'est pas une tâche facile, car les planètes rocheuses situées dans les zones habitables (HZ) de leur étoile mère ont tendance à orbiter étroitement, ce qui les rend plus difficiles à voir.
Pour faciliter ce processus, la NASA conçoit un observatoire hybride composé d'un "Starshade" qui bloquera la lumière d'une étoile afin qu'un télescope au sol puisse directement imager les planètes qui l'orbitent. Le concept est connu sous le nom d'Observatoire hybride pour les exoplanètes semblables à la Terre (HOEE), et la NASA recherche la contribution du public pour en faire une réalité. À cette fin, ils ont lancé le Ultralight Starshade Structural Design Challenge, où les participants sont invités à développer une conception pour une structure légère en étoile qui pourrait être utilisée dans le cadre du concept HOEE.
Le défi est organisé par GrabCAD, une startup basée au Massachusetts qui héberge une plate-forme gratuite basée sur le cloud qui aide les équipes d'ingénierie à collaborer et à gérer, visualiser et partager des fichiers de conception assistée par ordinateur (CAO). Le NASA Tournament Lab gère le défi, qui soutient l'étude NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) du concept HOEE. Le défi fait partie du programme Prizes, Challenges, and Crowdsourcing de la NASA, supervisé par la Direction des missions de technologie spatiale (STMD) de la NASA.
À ce jour, la plupart des exoplanètes connues ont été confirmées par des méthodes indirectes. Celles-ci incluent la méthode de transit (aka. Photométrie de transit), où des baisses périodiques de la luminosité d'une étoile sont utilisées pour détecter la présence d'une ou plusieurs planètes passant devant elle (en transit) par rapport à l'observateur. Une autre est la méthode de la vitesse radiale (ou spectroscopie Doppler), où le mouvement d'une étoile d'avant en arrière (par rapport à l'observateur) est utilisé pour déterminer les influences gravitationnelles agissant sur l'étoile (c'est-à-dire un système de planètes).
Lorsqu'elles sont utilisées en combinaison, ces méthodes sont très efficaces pour contraindre la taille et la période orbitale des exoplanètes (méthode de transit) et leurs masses respectives (méthode de vitesse radiale). Cependant, avec des instruments de nouvelle génération comme le télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes peuvent mener des études d'imagerie directe sur les exoplanètes. Dans ce cas, la lumière des exoplanètes lointaines est capturée directement et analysée avec un spectromètre. Les spectres obtenus peuvent fournir des données sur les minéraux de surface d'une planète et déterminer la présence d'océans, de continents, de systèmes météorologiques, de végétation et des gaz qui composent son atmosphère.
Ces données permettront aux astronomes et aux astrobiologistes de caractériser les exoplanètes et de dire en toute confiance si une planète est "habitable" ou non. Une partie importante de cette méthode est le coronographe, un instrument qui bloque l'éblouissement des étoiles mères afin que la lumière réfléchie par les atmosphères d'exoplanètes puisse être visualisée et scannée à l'aide de spectromètres pour déterminer la composition chimique. Dit le Dr John Mather, astrophysicien senior au Goddard Space Flight Center de la NASA et scientifique senior du projet pour le JWST :
"The hybrid observatory might help us answer some of the most pressing questions about extraterrestrial life. Observing many systems would help answer the question of why configurations like our own are rare and why none is quite like home. It is truly exciting that the public can be part of this revolutionary effort. I can't wait to see what ideas they bring to the table."
The key to the HOEE is the "Starshade" spacecraft, a concept introduced by the Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) at NASA JPL back in 2016. Initially, it was thought that only space telescopes like the James Webb and the Nancy Grace Roman Space Telescope (RST) could benefit from a starshade-type spacecraft. But with the HOEE concept, ground-based telescopes that fall into the 30-meter-class (~100 ft) range could also conduct Direct Imaging surveys. This includes next-generation observatories like the Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), and the Thirty Meter Telescope (TMT).
For the Ultralight Starshade Structural Design Challenge, NASA is looking for ideas for a lightweight starshade that could accomplish that very task. According to NASA, the goal of this challenge is to develop an "innovative low-mass starshade structure that could meet the mass, shape, strength, and stiffness requirements." Participants are free to choose from four suggested designs (or a hybrid thereof), which include:
The ideal design, they state, will allow for compact packaging and successful deployment once in Earth's orbit. In other words, it must be able to collapse and fold up so the spacecraft can fit inside a rocket payload fairing, then unfurl once it reaches space. This is similar to what engineers accomplished with James Webb, especially where its primary mirror and sunshield were concerned. They also stress that it must have the lowest possible mass to be easier (and cheaper) to launch, that its chemical thrusters can keep it aligned during observations, and change its orbit to observe different targets.
These and other details (including orbital distance and the starshade's diameter) are specified on the challenge page:
"An orbiting starshade (170,000 km away) could cast a shadow of the central star without blocking the reflected light from its planets. So that it can be used with the largest ground-based telescopes, the starshade needs to be 100 m in diameter. This large structure must be tightly packaged so that it can fit inside the fairing of a large rocket (e.g., Falcon Heavy or Starship).
"It must also have the lowest possible mass so that chemical thrusters can keep it aligned during observations and solar electric propulsion system can change its orbit to observe many targets. NASA seeks breakthrough mechanical/structural concepts for a deployable, low mass, high stability, and high stiffness starshade structure."
In order to be eligible for this challenge, participants must either be U.S. citizens or from an eligible country (specified here). The top five submissions will share a prize purse of $7,000. The full list of the competition requirements and all relevant information and documentation are posted on the GrabCAD challenge page. Astronomers present a concept for the next NASA flagship mission
