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Una nuova lente per telescopi spaziali alla ricerca della vita

Un team di scienziati dell’Università dell’Arizona sta sviluppando una nuova tecnologia e sta valutando la possibilità di mettere in orbita decine di telescopi spaziali “economici” che possono lavorare insieme e che potrebbero permettere di osservare, tra le altre cose, anche le atmosfere dei pianeti a grossa distanza.

Nautilus è un concetto rivoluzionario di telescopio spaziale che si basa su una nuova tecnologia, elementi ottici diffrattivi-trasmissivi in ​​materiale ingegnerizzato, per superare i maggiori limiti dei telescopi spaziali: specchi primari non scalabili. Fornendo aperture per telescopi grandi ma ultraleggere, la tecnologia Nautilus consentirà il lancio di una grande flotta di identici telescopi. Con una potenza di raccolta della luce equivalente a uno specchio di 50 m di diametro, Nautilus sarà in grado di sorvegliare migliaia di pianeti di zone abitabili di dimensioni terrestri per le caratteristiche atmosferiche della vita.

La ricerca della vita nella galassia

Negli ultimi due miliardi di anni la vita ha profondamente cambiato l’atmosfera del nostro pianeta: l’abbondanza dell’ossigeno molecolare libero e dell’ozono – entrambi gas altamente reattivi – insieme al vapore acqueo e al metano rappresentano una composizione atmosferica unica ma unica. La presenza combinata di questi gas, biosignature atmosferiche, nell’atmosfera del nostro pianeta è un tracciante della vita che potrebbe essere rilevato da remoto, anche su distanze galattiche. Ma identificare le impronte digitali spettrali di questi componenti atmosferici nella luce riflessa o trasmessa attraverso le atmosfere dei pianeti simili alla terra richiede telescopi molto grandi. Anche se la missione Keplera della NASA ha scoperto oltre 4.000 pianeti, nessun telescopio spaziale esistente o pianificato ha un diametro sufficiente per cercare la vita nelle loro atmosfere.

Trovare e interpretare correttamente le osservazioni della vita extraterrestre sarà molto difficile e un ampio campione di atmosfere planetarie di alta qualità che possono essere confrontate è probabilmente essenziale per risultati affidabili.

Il team Nautilus ha intrapreso una sfida per costruire un telescopio in grado di studiare migliaia di pianeti simili alla terra. Il nostro studio mostra che per raggiungere questo obiettivo è necessario un telescopio con una potenza di raccolta della luce equivalente a un telescopio da 50 m.

Un nuovo modo di collezionare Starlight

Dagli anni ’70 la complessità e, approssimativamente, la velocità dei circuiti elettrici integrati sono aumentate di oltre 5 milioni di volte, trasformando la maggior parte degli aspetti della nostra vita. Tuttavia, le dimensioni dei telescopi astronomici sono cambiate molto più modestamente: lo specchio primario del telescopio spaziale Hubble da 2,4 m (progettato a metà degli anni settanta e lanciato nel 1990) è stato sostituito solo dallo specchio da 3,6 m dell’osservatorio spaziale Herschel nel 2009, quasi tre decenni dopo . Il prossimo grande passo sarà il lancio del James Webb Space Telescope, con la sua apertura segmentata di 6,5 m nel 2019.

L’evoluzione da HST a JWST rappresenta un aumento di 7 volte del potere di raccolta della luce nell’arco di circa cinque decenni, dimostrando quanto sia estremamente difficile ridimensionare gli specchi astronomici. In effetti, la maggior parte degli aumenti delle dimensioni degli specchi sono dovuti a maggiori velocità di elaborazione computazionale: gli specchi segmentati possono essere allineati e controllati con cadenza e precisione sufficientemente elevate da consentire loro di formare una singola superficie ottica (Keck, JWST), mentre in altri grandi telescopi la superficie di specchi monolitici grandi, ma sottili è corretta da attuatori computerizzati.

Negli ultimi decenni l’astrofisica è stata limitata dalla nostra capacità di raccogliere la luce delle stelle con i nostri telescopi: qualsiasi tecnologia che consente di staccarsi dagli specchi primari di dimensioni difficili da ridimensionare è destinata a trasformare l’astronomia. Gli elementi ottici ultraleggeri su larga scala offrono tale alternativa agli specchi primari.

Il team Nautilus ha sviluppato una nuova tecnologia, lenti ingegnerizzate diffrattive a più ordini (obiettivi MODE), che forniscono elementi ottici replicabili di peso ridotto in grado di raccogliere la luce. Abbiamo dimostrato che gli obiettivi MODE possono essere fabbricati tramite fabbricazione ottica a forma libera, che sono prontamente scalabili a grandi diametri. Gli elementi ottici diffrattivi, come gli obiettivi MODE, sono stati replicati con successo tramite stampaggio ottico, consentendo una produzione economica e relativamente veloce di elementi ottici su larga scala.

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L’obiettivo del team Nautilus è quello di cambiare il paradigma di come i telescopi spaziali sono progettati, costruiti e lanciati. Non solo trasformerà le missioni astrofisiche della NASA, ma amplierà notevolmente le capacità della tecnologia satellitare commerciale e governativa.

Obiettivi scientifici

Una delle domande fondamentali e più antiche della scienza è: siamo soli ? I moderni metodi astrofisici ci consentono di analizzare la composizione chimica delle atmosfere dei pianeti che orbitano attorno ad altre stelle – tutto ciò di cui abbiamo bisogno è un telescopio abbastanza grande da raccogliere la luce che filtra attraverso le atmosfere.

L’obiettivo scientifico dell’array Nautilus è quello di effettuare una ricerca completa delle biosignature atmosferiche in circa 1.000 esopianeti di dimensioni terrestri in transito per misurare il tasso di occorrenza della vita fiorente su altri mondi.

Studieremo la composizione atmosferica di circa mille esopianeti abitabili di dimensioni terrestri per valutare la diversità delle loro atmosfere. Questo ampio campione consentirà uno studio statistico dettagliato degli esopianeti di dimensioni terrestri e l’identificazione di gemelli terrestri.

Anche se oggi sono noti oltre 4.000 esopianeti, nessun telescopio è ancora in grado di rilevare in modo affidabile la biosignatura atmosferica in nessuno di essi. Il James Webb Space Telescope, che sarà lanciato nel 2019, potrebbe essere in grado di ispezionare le atmosfere di un paio di pianeti delle dimensioni di una terra attorno alle stelle più piccole nelle immediate vicinanze del Sole. Nessun telescopio esistente o attualmente approvato è in grado di effettuare una ricerca sistematica della vita o di completare uno studio statistico sulla diversità dei pianeti simili alla terra.

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Spettro di trasmissione simulato di un pianeta Terra-analogo che transita su una stella a bassa massa a 50 pc, come osservato dall’Osservatorio Nautilus. Da Apai et al. Astron. J., in fase di revisione.

La matrice Nautilus consentirà il confronto delle composizioni atmosferiche di ciascun pianeta con la gamma di composizioni atmosferiche coerenti con i processi abiotici. Identificheremo atmosfere la cui composizione non è in linea con i processi abiotici e richiede l’esistenza della vita.

La tecnologia Nautilus consentirà un aumento della sensibilità degli ordini di grandezza nella spettroscopia di transito esopianeta a causa dell’ampia area di raccolta.

L’Array Nautilus

L’array Nautilus sarà costituito da circa 35 telescopi identici e leggeri. I telescopi dell’unità utilizzano componenti gonfiabili e sono dotati di due semplici strumenti non criogenici, uno spettrografo visivo / vicino all’infrarosso a bassa risoluzione e un’immagine, situata vicino al centro geometrico del veicolo spaziale sferico.

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L’alimentazione dei telescopi dell’unità è fornita da una pellicola flessibile a celle solari, integrata nel pallone gonfiabile. I film flessibili a celle solari forniscono una fonte di energia economica, leggera, affidabile e flessibile con un patrimonio spaziale.

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Schizzo preliminare di un telescopio dispiegato dell’unità Nautilus (a destra), l’unità si telescopica nella sua configurazione di lancio compatta nel contenitore di lancio (pannello centrale) e i contenitori di lancio multipli caricati in una carenatura spaziale SpaceX / BFR (a sinistra).

Lancio e distribuzione: i telescopi dell’unità sono lanciati in un formato compatto e dispiegati in orbita. Fondamentalmente, ogni telescopio unità è costituito da tre componenti: la lente MODALITÀ leggera, la confezione dello strumento e un pallone gonfiabile in mylar sferico. Con il palloncino sgonfiato, i telescopi dell’unità vengono riposti in contenitori di lancio cilindrici alti circa 1 me diametro 8,9 m. Una volta in orbita, l’inflazione del palloncino distribuisce il parasole e sposta i pacchetti di strumenti sul piano focale. A seconda del veicolo di lancio, possono essere lanciate contemporaneamente più di due dozzine di unità Nautilus .

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Operazioni:  l’Unità Nautilus opera in due modalità: la modalità di rilevamento , in cui effettuerà la ricerca di transito esopianeta più completa fino ad oggi; e la modalità di analisi atmosferica , in cui eseguirà gli studi più dettagliati sulla composizione atmosferica e sulla diversità climatica negli esopianeti simili alla terra.

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Modalità di rilevamento: i telescopi dell’unità effettuano una sensibile ricerca di transito di esopianeti monitorando in modo indipendente fino a cento campi target, ciascuno con una potenza di raccolta della luce quattro volte maggiore di quella del telescopio spaziale Hubble e circa venticinque volte maggiore della missione di Keplero . I telescopi delle unità saranno in grado di rilevare i transiti di pianeti delle dimensioni di una terra attorno a stelle simili al sole su scale galattiche (fino a circa 300 pezzi).

Modalità di analisi atmosferica: durante eventi di transito noti tutti i telescopi delle unità punteranno sulla stessa stella. Ogni telescopio sarà in grado di misurare individualmente piccoli cambiamenti nella luce delle stelle mentre filtra attraverso l’atmosfera del pianeta. Numerosi componenti chiave delle atmosfere planetarie hanno firme importanti nella luce trasmessa: misurando la profondità dei transiti dell’esopianeta a diverse lunghezze d’onda possiamo esplorare quali gas sono presenti nell’atmosfera. I dati dei singoli telescopi Nautilus possono essere combinati (aggiunti in digitale), creando una potenza di raccolta della luce e una qualità dei dati equivalenti a quelle di un telescopio spaziale di 50 m.

L’array Nautilus è ottimizzato per rilevare componenti atmosferici che emergono da processi biologici o possono testare l’abitabilità dei pianeti target: ad esempio, con la sua copertura della lunghezza d’onda di 0,5–1,7 micron l’array Nautilus sarà in grado di rilevare ossigeno molecolare (O2), ozono (O3) e acqua (H2O).

Riferimenti e approfondimenti

  1. University of Arizona (2 August 2019). “A new lens for life-searching space telescopes – University of Arizona researchers have designed a new kind of telescope that is a cheaper, lighter and more powerful option than creating telescopes using ever-larger mirrors. With a fleet of the newly designed space telescopes, they aim to scour a thousand potentially earth-like planets for signs of life”EurekAlert!. Retrieved 5 August 2019.
  2. “A Thousand Earths: A Very Large Aperture, Ultralight Space Telescope Array for Atmospheric Biosignature Surveys”The Astronomical Journal158 (2). 29 July 2019. doi:10.3847/1538-3881/ab2631. Retrieved 5 August 2019.
  3. Apai, D.; et al. (2018). “Nautilus DeepSpace Observatory: A Giant Segmented Space Telescope Array for a Galactic Biosignature Survey” (PDF)Universities Space Research Association
  4. A Thousand Earths: A Very Large Aperture, Ultralight Space Telescope Array for Atmospheric Biosignature Surveys – IOPscience (IA) (DOI: 10.3847/1538-3881/ab2631)

 

 

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