Телескоп WFIRST получает свой коронограф, чтобы блокировать свет звезд и раскрыть их планеты

В следующем десятилетии НАСА отправит в космос несколько действительно впечатляющих объектов. К ним относятся космические телескопы следующего поколения, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) и широкодиапазонный инфракрасный телескоп (WFIRST). Основываясь на фундаменте, созданном Хабблом , WFIRST будет использовать свой передовой набор инструментов, чтобы исследовать некоторые из самых глубоких загадок Вселенной.

Одним из таких инструментов является коронограф, который позволит телескопу получить четкое представление о внесолнечных планетах. Этот прибор недавно завершил предварительную проверку проекта, проведенную НАСА, что является важной вехой в его разработке. Это означает, что инструмент соответствует всем требованиям дизайна, графика и бюджета, и теперь может перейти к следующему этапу разработки.

Хронограф является важной частью охотничьих инструментов WFIRST. Обычно, прямое изображение экзопланет затруднено из-за интенсивного яркого света, исходящего от их родительских звезд. Этот свет во много раз мощнее света, отражаемого от поверхности или атмосферы планеты. По этой причине небольшие следы света, которые указывают на присутствие экзопланет, скрыты для обычных инструментов.

Но, устраняя интенсивный яркий свет звезды, астрономы будут иметь гораздо больше шансов обнаружить планеты, которые вращаются вокруг нее. Это дает дополнительное преимущество, заключающееся в возможности непосредственного изучения экзопланет, вместо того, чтобы полагаться на косвенные методы, где звезды отслеживаются на предмет падения яркости ( метод транзита ) или признаков движения назад и вперед, что указывает на присутствие планетной системы (Метод радиальной скорости).

Для сравнения, метод прямого изображения дает много преимуществ, таких как возможность получать спектры непосредственно с поверхности и атмосферы планеты. Это позволит более точно оценить состав планеты и состав ее атмосферы – т. е. есть ли у нее поверхностные воды, кислородно-азотная атмосфера и т.д. Все это имеет решающее значение для определения того, является ли планета потенциально обитаемой.

Как пояснил Джейсон Родс, научный сотрудник проекта для широкодиапазонного инфракрасного обзорного телескопа (WFIRST) в Лаборатории реактивного движения НАСА:

«То, что мы пытаемся сделать, - это исключить миллиард фотонов от звезды для каждого, который мы захватили с планеты ... С WFIRST мы сможем получать изображения и спектры этих больших планет с целью проверки технологий, которые будет использоваться в будущей миссии - чтобы в конечном итоге взглянуть на маленькие каменистые планеты, на поверхности которых может быть жидкая вода, или даже признаки жизни, такие как наша».

Инструмент коронографа WFIRST (он же «звездные очки») представляет собой многослойную и очень сложную технологию, состоящую из системы масок, призм, детекторов и двух самосгибающихся зеркал. Эти зеркала являются ключевыми компонентами, которые изменяют свою форму в режиме реального времени, чтобы приспособиться к входящему свету, чтобы компенсировать крошечные изменения в оптике телескопа.

В сочетании с высокотехнологичными «масками» и другими компонентами, которые в совокупности известны как «активное управление волновым фронтом», эти зеркала устраняют помехи, создаваемые световыми волнами, которые изгибаются вокруг краев светоблокирующих элементов коронографа. Конечным результатом этого является то, что звездный свет становится тусклым, в то время как слабо светящиеся объекты (которые ранее были невидимы) появятся.

Помимо того, что коронограф WFIRST обладает в 100-1000 раз большей способностью, чем предыдущие коронографы, он служит технологическим демонстратором, который проверит его эффективность при поиске экзопланет. Эти испытания проложат путь для добавления увеличенных версий к телескопам еще больших размеров, включая четыре предлагаемые обсерватории, которые будут отправлены в космос к 2030-м годам.

К ним относятся Большой ультрафиолетовый / оптический / инфракрасный геодезист (LUVOIR), космический телескоп Origins (OST) и рентгеновский топограф Lynx. Используя большие и более продвинутые коронографы, эти телескопы смогут генерировать однопиксельные «изображения» планет меньшего размера, которые вращаются ближе к своим солнцам (именно в этом месте наиболее вероятны каменистые планеты).

Как только свет от этих изображений будет проанализирован с помощью спектрометра, астрономы смогут охотиться на признаки жизни (или биосигнатуры), как никогда раньше. Как сказал Родос:

«С WFIRST мы сможем получать изображения и спектры этих больших планет с целью отработки технологий, которые будут использоваться в будущей миссии - в конечном итоге взглянуть на маленькие каменистые планеты, на поверхности которых может быть жидкая вода, или даже признаки жизни, как и наши собственные».

Включение коронографа в WFIRST важно, потому что это будет первая миссия, так как Хаббл (на орбите с 1990 года) - единственная флагманская миссия НАСА по астрофизике, включающая эту технологию. Конечно, коронографы Хаббла были гораздо более простой и менее сложной версией технологии, чем то, что будет использовать WFIRST.

Хотя космический телескоп Джеймса Уэбба будет запущен ранее (в настоящее время планируется запустить его в 2021 году) и будет также оснащен этой технологией, он не сможет похвастаться такими же возможностями подавления звездного света, как WFIRST. Таким образом, хотя WFIRST станет третьей флагманской миссией по использованию коронографических технологий, она также будет самой сложной.

«WFIRST должен быть на два-три порядка больше, чем любой другой когда-либо работавший коронограф [в своей способности отличать планету от ее звезды]», - сказал Родс. «У какой-то действительно убедительной науки должен быть шанс, хотя это всего лишь техническая демонстрация».

Этот вид технологии коронографа может также позволить получить самые четкие изображения, когда-либо сделанные звездной системой, которая находится на ранних стадиях формирования. Это характеризуется звездой, окруженной массивным диском пыли и газа, в то время как планеты медленно формируются из аккрецированного материала. В настоящее время лучший способ изучения этих дисков - это инфракрасные исследования, которые позволяют получить изображение тепла, поглощенного их родительской звездой.

Как Ванесса Бейли, астроном в JPL и технолог по инструменту для WFIRST коронограф,объяснил :

«Диски мусора, которые мы видим сегодня вокруг других звезд, ярче и массивнее, чем то, что мы имеем в нашей собственной солнечной системе. Инструмент коронографа WFIRST может изучать более слабый, более диффузный материал диска, который больше похож на пояс главного астероида, пояс Койпера и другую пыль, вращающуюся вокруг Солнца».

Эти исследования могут дать представление о том, как сформировалась наша Солнечная система. Как только технология будет успешно продемонстрирована в течение первых 18 месяцев миссии, НАСА может начать так называемую «Программу участия ученого». В рамках такой программы коронограф будет открыт для научного сообщества, что позволит расширить круг наблюдателей и экспериментов.

Предварительный обзор проекта - один из нескольких, предназначенных для изучения каждого аспекта миссии. Каждый обзор является всеобъемлющим и предназначен для обеспечения того, чтобы каждая отдельная часть работала с другими. После завершения этого обзора конструкции график разработки коронографа движется вперед быстрыми темпами.

Это второй важный компонент миссии WFIRST для получения разрешения. Широкополосный инструмент был очищен еще в июне, 288-мегапиксельная многодиапазонная ближняя инфракрасная камера, которая обеспечит резкость изображений, сравнимую с той, что была достигнута Хабблом в поле, в 100 раз большем. Эта камера считается основным инструментом космического телескопа.

Как указал Родс, первая миссия WFIRST будет исторической, аналогичной миссии Mars Pathfinder, которая приземлилась на Марсе в 1997 году. Это была первая миссия НАСА по развертыванию марсохода (Sojourner) на Марсе, которая подтвердила ключевые технологии и методы, которые в конечном итоге войдут в марсоходы Spirit, Opportunity, Curiosity и Mars 2020.

«Это была техническая демонстрация», сказал Родос. «Цель состояла в том, чтобы показать, что марсоход работает на Марсе. Но он продолжал заниматься очень интересной наукой при жизни. Поэтому мы надеемся, что то же самое будет верно и в отношении демонстрации технологии коронографа WFIRST».