La NASA a fait tourner beaucoup de têtes ces dernières années grâce à son concept New Worlds Mission - alias. Starshade. Composé d'un géant en forme de fleur, ce vaisseau spatial proposé est destiné à être déployé à côté d'un télescope spatial (probablement le télescope spatial James Webb). Il bloquera ensuite l'éclat des étoiles lointaines, créant une éclipse artificielle pour faciliter la détection et l'étude des planètes en orbite autour.
Le seul problème est que ce concept devrait coûter assez cher - environ 750 millions à 3 milliards de dollars à ce stade! C’est pourquoi le professeur Simone D’Amico de Stanford (avec l’aide de Bruce Macintosh, expert en exoplanètes) propose une version réduite du concept pour démontrer son efficacité. Connu sous le nom de mDot, cet occulter fera le même travail, mais à une fraction du coût.
Le but derrière un occulteur est simple. Lors de la chasse aux exoplanètes, les astronomes sont obligés de s'appuyer principalement sur des méthodes indirectes - la plus courante étant la méthode de transit. Cela implique de surveiller les étoiles pour les creux de luminosité, qui sont attribués aux planètes passant entre elles et l'observateur. En mesurant le taux et la fréquence de ces creux, les astronomes sont capables de déterminer la taille des exoplanètes et leurs périodes orbitales.
Comme l'explique Simone D'Amico, dont le laboratoire travaille sur ce système d'éclipsage, dans un communiqué de presse de l'Université de Stanford:
«Avec des mesures indirectes, vous pouvez détecter des objets près d'une étoile et déterminer leur période d'orbite et leur distance par rapport à l'étoile. Ce sont toutes des informations importantes, mais avec l'observation directe, vous pourriez caractériser la composition chimique de la planète et potentiellement observer des signes d'activité biologique - la vie. »
Cependant, cette méthode souffre également d'un taux substantiel de faux positifs et nécessite généralement qu'une partie de l'orbite de la planète coupe une ligne de vue entre l'étoile hôte et la Terre. L'étude des exoplanètes elles-mêmes est également assez difficile, car la lumière provenant de l'étoile est probablement plusieurs milliards de fois plus brillante que la lumière réfléchie par la planète.
La capacité d'étudier cette lumière réfléchie présente un intérêt particulier, car elle fournirait des données précieuses sur l'atmosphère des exoplanètes. À ce titre, plusieurs technologies clés sont en cours de développement pour bloquer la lumière parasite des étoiles. Un vaisseau spatial équipé d'un occulteur est l'une de ces technologies. Associé à un télescope spatial, ce vaisseau spatial créerait une éclipse artificielle devant l'étoile afin que les objets autour d'elle (c'est-à-dire les exoplanètes) soient clairement visibles.
Mais en plus du coût important de sa construction, il y a aussi le problème de la taille et du déploiement. Pour qu'une telle mission fonctionne, l'occulteur lui-même devrait avoir la taille d'un diamant de baseball - 27,5 mètres (90 pieds) de diamètre. Il devrait également être séparé du télescope d’une distance égale à plusieurs diamètres terrestres et devrait être déployé au-delà de l’orbite terrestre. Tout cela s'ajoute à une mission assez coûteuse!
À ce titre, D'Amico - professeur adjoint et chef du Space Rendezvous Laboratory (SRL) à Stanford - et Bruce Macintosh (professeur de physique à Stanford) se sont associés pour créer une version plus petite appelée Miniaturized Distributed Occulter / Telescope ( mDOT). Le but principal de mDOT est de fournir une démonstration de vol à faible coût de la technologie, dans l'espoir d'accroître la confiance dans une mission à grande échelle.
Comme Adam Koenig, un étudiant diplômé de la SRL, l'a expliqué:
«Jusqu'à présent, aucune mission n'a été effectuée avec le degré de sophistication qui serait requis pour l'un de ces observatoires d'imagerie exoplanète. Lorsque vous demandez au siège quelques milliards de dollars pour faire quelque chose comme ça, il serait idéal de pouvoir dire que nous avons déjà fait tout cela auparavant. Celui-ci est juste plus grand. "
Composé de deux parties, le système mDOT tire parti des développements récents de la miniaturisation et de la technologie des petits satellites (smallsat). Le premier est un microsatellite de 100 kg équipé d'une ombre à étoiles de 3 mètres de diamètre. Le second est un nanosatellite de 10 kg qui porte un télescope mesurant 10 cm (3,937 pouces) de diamètre. Les deux composants seront déployés en orbite terrestre haute avec une séparation nominale de moins de 1 000 kilomètres (621 mi).
Avec l’aide de collègues du SRL, la forme de l’obscurité du mDOT a été reformulée pour s’adapter aux contraintes d’un vaisseau spatial beaucoup plus petit. Comme l'a expliqué Koenig, cette ombre à l'échelle réduite et spécialement conçue sera en mesure de faire le même travail que la version à grande échelle en forme de fleur - et à un budget limité!
"Avec cette forme géométrique spéciale, vous pouvez faire en sorte que la lumière se diffractant autour de l'ombre pour s'annuler", a-t-il déclaré. «Ensuite, vous obtenez une ombre très, très profonde en plein centre. L'ombre est suffisamment profonde pour que la lumière de l'étoile n'interfère pas avec les observations d'une planète proche. "
Cependant, étant donné que l'ombre créée par la nuance d'étoile de mDOT n'a que quelques dizaines de centimètres de diamètre, le nanosatellite devra faire quelques manœuvres prudentes pour rester à l'intérieur. À cette fin, D’Amico et le SRL ont également conçu un système autonome pour le nanosatellite, qui lui permettrait de mener des manœuvres de formation avec l’obscurité, de rompre la formation si nécessaire et de le retrouver plus tard.
Une limitation malheureuse à la technologie est le fait qu'elle ne pourra pas résoudre des planètes semblables à la Terre. Surtout en ce qui concerne les étoiles de type M (naine rouge), ces planètes sont susceptibles d'orbiter trop près de leurs étoiles parentes pour être clairement observées. Cependant, il sera en mesure de résoudre les géantes gazeuses de la taille de Jupiter et d'aider à caractériser les concentrations de poussières exozodiacales autour des étoiles proches - qui sont toutes deux des priorités pour la NASA.
Entre-temps, D’Amico et ses collègues utiliseront le banc d’essai pour rendez-vous et navigation optique (TRON) pour tester leur concept mDOT. Cette installation a été spécialement conçue par D’Amico pour reproduire les types de conditions d’éclairage complexes et uniques rencontrées par les capteurs dans l’espace. Au cours des prochaines années, lui et son équipe travailleront pour s'assurer que le système fonctionne avant de créer un prototype éventuel.
Comme D’Amico l’a dit à propos du travail que lui et ses collègues du SNL accomplissent:
«Je suis enthousiasmé par mon programme de recherche à Stanford parce que nous relevons des défis importants. Je veux aider à répondre aux questions fondamentales et si vous regardez dans toutes les directions actuelles de la science et de l'exploration spatiales - que nous essayions d'observer des exoplanètes, d'en apprendre davantage sur l'évolution de l'univers, d'assembler des structures dans l'espace ou de comprendre notre planète - formation de satellites - le vol est le principal catalyseur. »
D’Amico et la SNL participent actuellement à d’autres projets, notamment le développement de plus grandes formations de minuscules engins spatiaux (alias «satellites en essaim»). Dans le passé, D'Amico a également collaboré avec la NASA sur des projets tels que GRACE - une mission qui a cartographié les variations du champ de gravité de la Terre dans le cadre du programme NASP Earth System Science Pathfinder (ESSP) - et TanDEM-X, parrainé par la MER. mission qui a produit des cartes 3D de la Terre.
Ces projets et d'autres qui cherchent à tirer parti de la miniaturisation pour l'exploration spatiale promettent une nouvelle ère de coûts plus bas et d'une plus grande accessibilité. Avec des applications allant des essaims de minuscules satellites de recherche et de communication aux nanocraft capables de se rendre à Alpha Centauri à des vitesses relativistes (Breakthrough Starshot), l'avenir de l'espace s'annonce plutôt prometteur!
N'oubliez pas de regarder également cette vidéo de l'installation TRON, gracieuseté de l'Université Standford:
