В ближайшие десять лет НАСА отправит в космос несколько значимых объектов, включая космические телескопы нового поколения, например, телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) и широкодиапазонный инфракрасный телескоп (WFIRST). На базе опыта Хаббла WFIRST с помощью передовых инструментов изучит самые глубокие тайны Вселенной.
Коронограф – один из инструментов, который позволит телескопу получить четкое изображение внесолнечных планет. Прибор недавно прошел предварительную проверку проекта, проведенную НАСА, что является важной вехой в его разработке. Это означает, что инструмент соответствует всем требованиям дизайна, графика и бюджета и может перейти к следующему этапу разработки.
Хронограф – важнейший инструмент в арсенале WFIRST для поиска экзопланет. Прямое наблюдение таких объектов затруднено из-за яркости звезд, вокруг которых вращаются планеты. Свет от звезды в разы мощнее света, отражаемого от поверхности или атмосферы самой планеты. Из-за этого следы света, указывающие на наличие экзопланет, остаются незаметными для обычных приборов.
Устранив яркий свет звезды, астрономы смогут обнаружить планеты, вращающиеся вокруг нее. Это позволит изучать экзопланеты непосредственно, а не полагаться на косвенные методы: отслеживание падения яркости звезд (метод транзита) или признаков движения вперед и назад, указывающих на присутствие планетной системы (метод радиальной скорости).
Метод прямого изображения обладает рядом преимуществ: позволяет получать спектры с поверхности и атмосферы планеты, что повышает точность оценки ее состава и атмосферного состава. Это дает возможность определить наличие поверхностных вод, кислородно-азотную атмосферу и т. д., что критически важно для определения потенциальной обитаемости планеты.
Как сообщил Джейсон Родс, научный сотрудник проекта широкодиапазонного инфракрасного обзорного телескопа (WFIRST) в Лаборатории реактивного движения НАСА:
Мы стремимся исключить миллиард фотонов от звезды для каждого захваченного с планеты. С WFIRST мы получим изображения и спектры этих крупных планет для проверки технологий, которые будут использоваться в будущей миссии – чтобы в конечном итоге взглянуть на маленькие каменистые планеты с возможностью наличия жидкой воды или даже признаков жизни.
Инструмент коронографа WFIRST («звездные очки») — это многослойная и сложная технология из систем масок, призм, детекторов и двух самосгибающихся зеркал.
Эти зеркала играют ключевую роль, меняя форму в режиме реального времени для адаптации к свету и компенсации микроизменений оптики телескопа.
Сочетание зеркал с «активным управлением волновым фронтом», включающим высокотехнологичные «маски» и другие компоненты, позволяет устранить помехи, вызванные световыми волнами, которые отклоняются от краев светоблокирующих элементов коронографа. В результате звездный свет становится тусклым, а ранее невидимые слабо светящиеся объекты становятся заметными.
В дополнение к тому что коронограф WFIRST обладает способностью в 100-1000 раз большей, чем у предыдущих коронографов, он выполняет роль технологического демонстратора, проверяя свою эффективность при поиске экзопланет. Эти испытания откроют дорогу для создания увеличенных версий для телескопов еще больших размеров, включая четыре предлагаемые обсерватории, которые будут запущены в космос к 2030 годам.
К ним относятся Большой ультрафиолетовый / оптический / инфракрасный геодезист (LUVOIR), космический телескоп Origins (OST) и рентгеновский топограф Lynx. С помощью больших и более продвинутых коронографов эти телескопы смогут создавать однопиксельные «изображения» планет меньшего размера, вращающихся ближе к звездам (в этом месте наиболее вероятны каменистые планеты).
После анализа света от этих изображений с помощью спектрометра астрономы получат возможность искать признаки жизни (биосигнатуры) лучше, чем когда-либо прежде.
С помощью WFIRST мы сможем получать изображения и спектры этих больших планет для отработки технологий, которые пригодятся в будущей миссии: в конечном итоге взглянуть на маленькие каменистые планеты с возможностью наличия жидкой воды или даже признаков жизни, подобных нашим собственным.
Включение коронографа в миссию WFIRST важно, так как это будет первая миссия такого рода после Хаббла (на орбите с 1990 года), единственной флагманской миссии НАСА по астрофизике, включающей эту технологию. Коронографы Хаббла были значительно проще и менее сложны, чем то, что применит WFIRST.
Космический телескоп Джеймса Уэбба, планируемый к запуску в 2021 году и оснащенный такой же технологией, не сможет обеспечить такого же уровня подавления звездного света, как WFIRST. В результате, несмотря на то, что WFIRST станет третьей флагманской миссией по использованию коронографических технологий, она окажется самой сложной.
«WFIRST должен быть в два или три раза мощнее любого работавшего ранее коронографа [в своей способности отличать планету от звезды], — сказал Родс. — У какой-либо убедительной науки должен быть шанс, хотя это всего лишь техническая демонстрация».
Данный тип коронографа позволяет получать самые детализированные изображения звездных систем на ранней стадии формирования. Такие системы характеризуются звездой, окруженной облаком пыли и газа, при этом планеты медленно формируются из этого вещества. На сегодняшний день лучшим способом изучения этих дисков являются инфракрасные исследования, которые позволяют увидеть тепло, поглощенное родительской звездой.
Как рассказала астроном из JPL и технолог по инструменту для WFIRST коронограф Ванесса Бейли.
Диски мусора около других звезд ярче и массивнее тех, что есть в нашей солнечной системе. Инструмент коронографа WFIRST способен изучать более слабый, более рассеянный материал диска, напоминающий пояс главного астероида. пояс Койпераи другую пыль, движущуюся по орбите вокруг Солнца.
Исследования могут показать историю формирования нашей Солнечной системы. После успешной демонстрации технологии в первые 18 месяцев миссии НАСА запустит программу «Участие ученого». В рамках программы коронограф станет доступен научному сообществу, увеличив число наблюдателей и экспериментов.
Проект оценивают в рамках нескольких предварительных обзоров, направленных на изучение всех аспектов миссии. Каждый обзор комплексный и призван обеспечить взаимодействие каждой части проекта. После завершения данного обзора график разработки коронографа ускоряется.
Второй важный компонент миссии WFIRST для получения разрешения — широкополосный инструмент. Очищенный в июне инструмент – 288-мегапиксельная многодиапазонная ближняя инфракрасная камера, которая обеспечит резкость изображений, сравнимую с той, что достигла Хаббл, но в поле, в 100 раз большем. Эту камеру считают главным инструментом космического телескопа.
Как отметил Родс, первая миссия WFIRST будет исторической, подобной миссии Mars Pathfinder, приземлившейся на Марсе в 1997 году. Эта была первая миссия НАСА по развертыванию марсохода (Sojourner) на Марсе, которая подтвердила ключевые технологии и методы, которые в конечном итоге вошли в состав марсоходов Spirit, Opportunity, Curiosity и Mars 2020.
«Это была техническая демонстрация», — заявил Родос. «Цель заключалась в том, чтобы показать, что марсоход функционирует на Марсе. Однако марсоход продолжал заниматься весьма интересными научными исследованиями. Поэтому мы надеемся, что то же самое будет верно и в отношении демонстрации технологии коронографа WFIRST».