Plannen voor NASA's Habitable World Observatory onderweg Begin augustus kwamen wetenschappers en ingenieurs bijeen in een kleine zaal in Caltech om te praten over de bouw van de eerste ruimtetelescoop die leven op planeten vergelijkbaar met de aarde kan detecteren. Het voorgestelde missieconcept, het Habitable World Observatory (HWO) genoemd, zou een krachtig astrofysica-observatorium zijn in navolging van NASA's James Webb Space Telescope (JWST).
Deze techniek wordt gebruikt om sterlicht te verduisteren en zo de aanwezigheid van planeten in een baan om de ster te onthullen.
Het zal de mogelijkheid hebben om sterren, sterrenstelsels en een groot aantal andere kosmische objecten te bestuderen, waaronder planeten buiten ons zonnestelsel, bekend als exoplaneten. Hoewel het ontdekken van leven op exoplaneten misschien een verre doelstelling is, was het doel van de Caltech-workshop om te beoordelen welk technologieniveau BGI nodig zou hebben om elders naar leven te zoeken.
"We moeten zo veel mogelijk sleuteltechnologieën ontwikkelen voordat we een missie ontwerpen", zegt Dimitri Mawet, lid van de HWO Technology Assessment Group (TAG), de David Morrisroe hoogleraar astronomie en een senior onderzoekswetenschapper bij het Jet Propulsion Laboratory (JPL), dat wordt beheerd door Caltech voor NASA. We bevinden ons in de technologische volwassenheidsfase. Het idee is om technologieën verder te ontwikkelen die een Habitable World Observatory in staat zullen stellen revolutionaire wetenschappelijke resultaten te leveren en tegelijkertijd het risico op kostenoverschrijdingen te minimaliseren."
Een artistieke impressie van de rotsachtige exoplaneet Kepler-186f, een van de meest veelbelovende kandidaten om een potentieel bewoonbare planeet te worden, maar hoe vergelijkbaar of verschillend zou het zijn met de aarde om leven te ondersteunen? Afbeelding tegoed: NASA/Ames/SETI Instituut/JPL-Caltech.
HWO zal eind jaren dertig of begin jaren veertig van de vorige eeuw van start gaan als onderdeel van de 2020 Decadal Survey of Astronomy and Astrophysics (Astro2020) van de National Academy of Sciences. De observatietijd van de missie zal worden verdeeld tussen algemene astrofysica en exoplaneetonderzoek.
"De Tenth Anniversary Survey beveelt deze missie aan als een topprioriteit vanwege de transformatieve mogelijkheden die het zal opleveren voor de astrofysica en tegelijkertijd het hele zonnestelsel buiten het onze zal begrijpen", zegt Fiona Harrison, Harold A. Rosen hoogleraar natuurkunde van Caltech en de Kent en Joyce Cresa Leadership Chair in de afdeling natuurkunde, wiskunde en astronomie en een van de twee covoorzitters van het Astro2020 Tenth Anniversary Report.
Technologische vooruitgang en uitdagingen
Het vermogen van ruimtetelescopen om de atmosfeer van exoplaneten te karakteriseren en zo naar mogelijke tekenen van leven te zoeken, hangt af van technologie die de schittering van verre sterren blokkeert. Er zijn twee manieren om sterlicht te blokkeren: de ene is een klein schot in de telescoop, een coronagraaf genoemd; de andere is een groot schot aan de buitenkant van de telescoop, een zogenaamde sterrenkap. In de ruimte breidt het sterrenschild zich uit tot een gigantische zonnebloemvormige structuur, zoals hieronder weergegeven.
De animatie toont een prototype van een sterrenschild, een gigantische structuur die is ontworpen om de schittering van een ster te blokkeren, zodat toekomstige ruimtetelescopen foto's van planeten kunnen maken. Bron: NASA
In beide gevallen wordt het licht van de ster geblokkeerd, waardoor het zwakke sterlicht dat door nabijgelegen planeten wordt weerkaatst, doorschijnt. Het proces is vergelijkbaar met het blokkeren van de zon met je hand wanneer je een lachende vriend fotografeert. Door het licht van de planeet rechtstreeks vast te leggen, kunnen onderzoekers andere instrumenten, spectrometers genaamd, gebruiken om die lichten nauwkeurig te onderzoeken, op zoek naar chemische kenmerken. Als er leven is op planeten die rond verre sterren draaien, kan het collectief in- en uitademen van dat leven waarneembaar zijn in de vorm van biosignaturen.
"We schatten dat er alleen al in de bewoonbare zone van onze Melkweg maar liefst miljarden planeten ter grootte van de aarde zijn", zegt Nick Siegler, hoofdtechnoloog voor NASA's exoplanetenverkenningsprogramma bij JPL. "De bewoonbare zone is het gebied rond een ster waar de temperaturen geschikt zijn voor vloeibaar water." Regio's van groei. We willen de atmosfeer van deze exoplaneten onderzoeken, op zoek naar zuurstof, methaan, waterdamp en andere chemicaliën die kunnen wijzen op de aanwezigheid van leven. In plaats van te zoeken naar kleine groene mannetjes, willen we spectrale handtekeningen zien van deze belangrijke chemicaliën, die we biosignaturen noemen."
Volgens Siegler heeft NASA besloten zich te concentreren op de coronagraafroute van het HWO-concept, dat voortbouwt op recente investeringen in NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope, die geavanceerde coronagrafen zal gebruiken om gasgigantische exoplaneten in beeld te brengen. (Caltech's IPAC is de thuisbasis van het Roman Science Support Center). Tegenwoordig worden coronagrafen gebruikt op verschillende andere telescopen, waaronder de in een baan om de aarde draaiende JWST, Hubble en observatoria op de grond.
Sara Seager van MIT hield een lezing op het Caltech Symposium met de titel "Starlight Suppression for a Habitable World Observatory." Bron: Caltech
Innovatie en toekomstperspectieven
Mavitt ontwikkelde de coronagraaf, een instrument dat wordt gebruikt bij het W.M. Keck Observatorium bovenop Mauna Kea op het Grote Eiland van Hawaï. De nieuwste versie van de coronagraaf, bekend als een vortex-coronagraaf, is uitgevonden door Mavitt en gehuisvest in het Keck Planetary Imaging and Characterization Instrument (KPIC), waarmee onderzoekers de thermische straling van jonge, warme gasgigantische exoplaneten rechtstreeks in beeld kunnen brengen en bestuderen. Een coronagraaf neutraliseert het licht van de ster, waardoor hij foto's kan maken van planeten die een miljoen keer zwakker zijn dan de ster. Hierdoor kunnen onderzoekers de atmosferen, banen en rotatiekarakteristieken van jonge gasgigantische exoplaneten in detail beschrijven, waardoor vragen over de vorming en evolutie van andere zonnestelsels kunnen worden beantwoord.
Maar het rechtstreeks in beeld brengen van een Tweelingaarde-planeet – de planeet waar het leven zoals wij dat kennen het meest waarschijnlijk zal gedijen – zou enorme verbeteringen in de bestaande technologie vereisen. Planeten zoals de aarde die in de bewoonbare zone rond zonachtige sterren draaien, worden gemakkelijk overschaduwd door de schittering van de ster. Onze zon is bijvoorbeeld 10 miljard keer krachtiger dan de aarde. Om dit niveau van sterlichtonderdrukking in een coronagraaf te bereiken, moesten onderzoekers hun technologie tot het uiterste drijven. "Naarmate we dichter bij de vereiste niveaus van sterlichtonderdrukking komen, neemt de uitdaging exponentieel toe", zei Marvitt.
Via de uitleg van Dr. Nick Siegler, technisch manager van NASA's exoplanetenverkenningsprogramma, introduceerde hij in detail het werkingsprincipe van de coronagraaf en hoe deze kan helpen exoplaneten direct in beeld te brengen. Bron: NASA
Deelnemers aan de Caltech-workshop bespraken coronagraaftechnologie, waarbij lichtgolven worden gecontroleerd met ultranauwkeurige vervormbare lenzen in het instrument (zie video hierboven). Hoewel een coronagraaf het grootste deel van het licht van een ster blokkeert, dringt strooilicht nog steeds door in het uiteindelijke beeld en verschijnt het als vlekken. Door duizenden duwstangen te gebruiken om op het reflecterende oppervlak van de vervormbare spiegel te duwen en te trekken, konden de onderzoekers de plekken met resterend sterlicht elimineren.
De komende Nancy Grace Roman Space Telescope zal de eerste zijn die dit type coronagraaf zal gebruiken, dat een "actief" type wordt genoemd omdat de spiegels actief vervormen. Na nog meer tests bij JPL zal de Romeinse coronagraaf uiteindelijk worden geïntegreerd in de laatste telescoop van het Goddard Space Flight Center van NASA en uiterlijk in 2027 de ruimte in worden gelanceerd. Met de Romeinse coronagraaf kunnen astronomen beelden maken van exoplaneten die een miljard keer zwakker zijn dan hun sterren. Dit omvat volwassen en jonge gasreuzen, evenals schijven van puin die zijn overgebleven na de vorming van planeten.
Vanessa Bailey, technisch expert op het gebied van de Romeinse coronagraaf bij JPL, zei: ‘De Romeinse coronagraaf is NASA’s volgende stap in de zoektocht naar leven buiten het zonnestelsel. De prestatiekloof tussen de huidige telescopen en bewoonbare wereldobservatoria is te groot om in één keer te worden overbrugd. Het doel van de Romeinse coronagraaf is om een springplank in het midden te zijn. laboratorium."
Het doel om de tweelingbroer van de aarde direct rond een zonachtige ster in beeld te brengen, betekent dat de technologie achter de coronagraaf van Roman nog verder moet worden ontwikkeld. "We moeten de spiegels kunnen vervormen tot op picometerniveau", legt Marvitt uit. "We moeten het sterrenlicht ongeveer 100 keer meer onderdrukken dan de Romeinse coronagraaf. Deze workshop helpt ons te achterhalen waar onze technologische hiaten liggen en waar we de komende tien jaar meer ontwikkeling nodig hebben."
Andere onderwerpen die tijdens de workshop werden besproken, waren onder meer de beste typen primaire spiegels voor gebruik met coronagrafen, spiegelcoatings, het omgaan met schade aan spiegels door micrometeoroïden, vervormbare spiegeltechnologie, en detectoren en geavanceerde tools voor geïntegreerde modellering en ontwerp. Ingenieurs gaven ook een update over het sterrenschild en de technische gereedheidsstatus ervan.
De weg naar de tweelingen van de aarde ontdekken
Tegelijkertijd, terwijl de technologie zich blijft ontwikkelen, richten andere wetenschappers ook hun aandacht op sterren, op zoek naar aardachtige planeten die HWO in beeld kan brengen. Tot nu toe zijn er meer dan 5.500 exoplaneten ontdekt, maar geen daarvan is echt op de aarde lijkend. Hulpmiddelen voor het zoeken naar planeten, zoals de nieuwe Keck Planet Probe (KPF) van het door Caltech geleide Keck Observatory, zijn al beter in het ontdekken van planeten door te kijken naar de aantrekkingskracht die ze uitoefenen op sterren terwijl ze eromheen draaien. Zwaardere planeten oefenen een grotere trekkracht uit, evenals planeten die dichter bij hun sterren staan. KPF is ontworpen om planeten ter grootte van de aarde te vinden in de bewoonbare zones van kleine rode sterren, die dichter bij hun sterren staan. De komende jaren zal KPF zich blijven verbeteren en mogelijk aardse tweelingen kunnen detecteren.
Tegen de tijd dat HWO eind jaren dertig of begin jaren veertig van start gaat, hopen wetenschappers een catalogus van minstens 25 aardachtige planeten te hebben om te verkennen.
Ondanks de lange weg die voor ons lag, wilden wetenschappers op het symposium deze uitdagingen graag bespreken met collega's die vanuit het hele land naar Pasadena waren gereisd. JPL-directeur Laurie Leshin (M.A. '89, Ph.D. '95) hield aan het begin van de bijeenkomst een inspirerende toespraak. "Dit is een spannende en moeilijke uitdaging. Maar dat is precies waar het ons om gaat. We vechten dit niet alleen. We moeten samenwerken", zei ze.