Observatorio de exoplanetas vivientes
Telescopio espacial Observatorio de exoplanetas habitables
Impresión del artista
| Organización | JPL ( NASA ) |
|---|---|
| Campo | Astronomía |
| Estado | En estudio |
| Otros nombres | HabEx |
| Lanzamiento | alrededor de 2035 |
| Lanzacohetes |
Sistema de lanzamiento espacial (telescopio) Falcon Heavy (coronógrafo externo) |
| Duración |
5 años (misión principal) 10 años de consumibles |
| Sitio | https://www.jpl.nasa.gov/habex/ |
| Misa en el lanzamiento |
4H y 4C: 18 toneladas 3.2S: 7.3 toneladas + Coronógrafo externo (4H y 3.2S): 12.15 toneladas |
|---|---|
| Masa propulsora |
4H y 4C: 2,5 toneladas 3.2S: 756 kg |
| Control de actitud | estabilizado 3 ejes |
| Fuente de energía | paneles solares |
| Orbita | Órbita de halo |
|---|---|
| Apogeo | 780.000 kilometros |
| Localización | Punto de Lagrange L 2 |
| Tipo | Sistema anastigmático de tres espejos fuera del eje |
|---|---|
| Diámetro |
4H y 4C: 4 m. 3.2S: 3.2 m. |
| Focal | 4H y 4C: 9 m. (f / 2,25) |
| Longitud de onda | Visible , ultravioleta , infrarrojo cercano |
| HCG | Coronógrafo |
|---|---|
| HWC | Espectrómetro de imágenes |
| UVS | Espectrómetro ultravioleta |
| SSI | Coronógrafo externo ( sombra de estrella ) |
El Observatorio de Exoplanetas Habitables , generalmente designado por sus siglas Habex , es uno de los cuatro observatorios espaciales que la agencia espacial estadounidense , la NASA , planea desarrollar durante la década 2025-2035. HabEx es ofrecido por un equipo liderado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro . Este telescopio está diseñado para permitir la observación directa, en un radio de 15 parsecs alrededor de nuestra estrella, de exoplanetas de todos los tamaños y la caracterización de su atmósfera con el objetivo de determinar su habitabilidad. El método de detección utilizado permite identificar y caracterizar todos los planetas de un sistema solar dado y así iniciar un estudio estadístico que conduzca a una mejor comprensión del proceso de formación de las estrellas y sus planetas.
En la configuración que cumple con todos los objetivos, el telescopio tiene un espejo primario monolítico de 4 metros de diámetro. Para poder observar exoplanetas, el telescopio tendrá en su configuración más completa dos tipos de coronógrafos : un coronógrafo interno y un coronógrafo externo ( starhade ) de 52 metros de diámetro que se instalará en un satélite ubicado a 76.600 kilómetros del telescopio. Este dispositivo será el primero en el campo espacial. Para reducir costes y riesgos, se encuentran disponibles dos configuraciones degradadas: una versión sin coronógrafo externo y una versión con espejo primario de 3,4 metros y sin coronógrafo interno.
El telescopio se lanzaría alrededor de 2039 en dos etapas: el telescopio real (lanzador del sistema de lanzamiento espacial ) y el coronógrafo externo ( Falcon Heavy) y luego se colocaría en órbita alrededor del punto de Lagrange L 2. La duración de la misión principal es de 5 años y la nave espacial necesita 10 años de consumibles.
Contexto
Definición de proyectos prioritarios en astrofísica para la década 2025-2035
En el ámbito científico, la NASA elige los proyectos que pretende desarrollar basándose en un informe elaborado cada década. El próximo informe sobre astronomía y astrofísica ( The Astronomy and Astrophysics Decadal Survey 2020 ), que se publicará en 2020, definirá los ejes prioritarios en estas áreas para la década 2025-2035. En este contexto, la NASA ha financiado el estudio de cuatro proyectos de observatorios espaciales por equipos integrados por miembros de la agencia espacial, investigadores externos y representantes de la industria. Estos proyectos son: LUVOIR , HabEx, Lynx y OST ( Telescopio Espacial Origins ).
Las principales características de estos proyectos estudiados son las siguientes:
- LUVOIR ( Large UV / Optical / Infrared Surveyor ) es un telescopio espacial que observa en ultravioleta , visible e infrarrojo cercano . Tiene un espejo primario de 8 metros o 15 metros. La arquitectura es similar a la de JWST con un espejo segmentado y enviado al espacio en la posición plegada, así como un gran escudo térmico.
- HabEx ( Observatorio de exoplanetas habitables ) que se detalla a continuación.
- Lynx ( X-ray Surveyor ) debe observar la radiación X emitida por los fenómenos más energéticos del universo, en particular los agujeros negros supermasivos en el corazón de las galaxias. El objetivo es tener una resolución espacial de 0,5 segundos de arco, que es de 50 a 100 veces mejor que los observatorios existentes.
- OST ( Telescopio Espacial Origins ) propuesto por un equipo liderado por el Goddard Space Flight Center, está equipado con un espejo primario de 10 metros de diámetro, observará las partes más distantes del Universo en el infrarrojo lejano (8 a 800 micrones). Para lograrlo, el telescopio debe utilizar detectores particularmente potentes, el aspecto más avanzado del proyecto. Su espejo debe enfriarse a 4 Kelvin y sus detectores a 0.05 Kelvin usando un criorefrigerador, eliminando la necesidad de consumibles que limitarían la vida útil.
El impacto de los excesos de proyectos JWST y WFIRST
Cuando la NASA pidió inicialmente a los cuatro equipos en 2016 que detallaran su proyecto, se les indicó que no tomaran en cuenta ningún límite de costos. Como resultado, varios proyectos superan los US $ 5 mil millones, y el proyecto más caro alcanza los US $ 20 mil millones. Pero en 2018, los dos grandes proyectos astronómicos de la NASA en desarrollo encontraron problemas que repercutirán en estas propuestas: el telescopio infrarrojo JWST sigue sufriendo sobrecostos presupuestarios (costo multiplicado por 8 desde el origen y superando los US $ 8 mil millones) y calendario ( de 10 años), mientras que WFIRST también ve su costo duplicar, de US $ 2 mil millones a US $ 4 mil millones en 2018. En este contexto, la NASA pide másjunio 2018a los cuatro equipos para proponer dos versiones de su proyecto: la primera versión no tiene en cuenta las limitaciones presupuestarias, mientras que la segunda debe caber en un sobre de entre tres y cinco mil millones de dólares. Los cuatro estudios se finalizarán durante el verano de 2019. Se espera que su contenido sea tenido en cuenta por el informe decenal de la NASA que establece las prioridades para la década 2025-2035 que se publicará en la primavera de 2020. Este último, que sintetiza las expectativas de la comunidad de astrónomos y astrofísicos, podría recomendar un proyecto pero también podría renunciar al desarrollo de estos grandes telescopios para no volver a caer en los errores del proyecto JWST .
Objetivos de la misión
HabEx es un telescopio óptico con un espejo primario de 4 metros de diámetro que produce imágenes y espectros en ultravioleta , luz visible e infrarrojo cercano . Asume el control mejorando las capacidades del telescopio espacial Hubble .
Los objetivos científicos del telescopio HabEx son los siguientes:
- El objetivo principal es producir imágenes directas y espectros de exoplanetas habitables que orbitan estrellas con características cercanas a nuestro Sol (estrellas de tipo F, G y K) ubicadas dentro de los 15 parsecs (50 años luz ). De nuestro sistema solar . Durante su misión principal de 5 años, HabEx detectará y examinará varias docenas de exoplanetas rocosos, incluidos alrededor de 8 mundos similares a la Tierra, determinando su órbita y espectros en longitudes de onda de 0,1 a 1 micrones. Durante este período, HabEx también debe caracterizar más de un centenar de planetas de mayor tamaño. Usando su coronógrafo y haciendo 6 observaciones distintas, el telescopio podrá medir la órbita del planeta (distancia a su estrella, excentricidad, inclinación orbital) con una precisión de un pequeño porcentaje y así determinar si se encuentra en el área habitable. de la estrella. Los espectrómetros de a bordo permitirán determinar la presencia de vapor de agua, oxígeno molecular y ozono desde el momento en que la cantidad presente sea superior al 1% de la densidad observada en la Tierra así como la presencia de otros gases como el metano o dióxido de carbono.
- Gracias al método de observación directa, que no depende ni del período orbital del exoplaneta ni de la relación de masa con su estrella, HabEx es el primer observatorio capaz de realizar un inventario casi completo de los planetas alrededor de una estrella. HabEx podrá así dibujar un retrato de los sistemas solares cercanos, ya sean similares al nuestro o muy diferentes y compuestos de súper-Tierras o mini-Neptuno . Los instrumentos deberían permitir determinar el espectro de todos los planetas más brillantes que la Tierra. Los datos recopilados permitirán elaborar un primer catálogo de los diferentes tipos de sistemas solares y aportar nuevos elementos sobre la formación de sistemas planetarios, la migración planetaria y el papel de los gigantes gaseosos en el suministro de planetas rocosos. HabEx también permitirá probar las teorías sobre la diversidad planetaria, estudiar las interacciones entre los planetas y el disco protoplanetario y, por primera vez, situar la formación de nuestro sistema solar en un contexto más general.
- El gran espejo primario (4 metros) permitirá a HabEx producir las mejores imágenes disponibles (en términos de resolución espacial) en la década de 2030 en el dominio óptico y ultravioleta. Esta capacidad permitirá realizar investigaciones galácticas y extragalácticas.
Características técnicas
El telescopio en su configuración básica tiene una masa de aproximadamente 18,55 toneladas, incluidas 4,9 toneladas para la plataforma, 2,3 toneladas de propulsores y 7,9 toneladas para la carga útil (óptica e instrumentos científicos.
La energía es suministrada por paneles solares compuestos por células solares de GaAs de triple unión que deben proporcionar 7 kilovatios para alimentar el sistema de regulación térmica (el mayor consumidor con 3.650 vatios) y los instrumentos científicos (45-550 vatios) teniendo en cuenta la degradación de las células. durante los 20 años de la misión. Los paneles solares son fijos e integrales con el telescopio. Se colocan a lo largo del tubo óptico y en la parte posterior del telescopio. Su superficie debería rondar los 39 m², teniendo en cuenta una eficiencia del 29,5% y una incidencia de radiación solar del 40% con respecto a un eje perpendicular a los paneles. Dos baterías de iones de litio almacenan energía con una capacidad de 66 Ah.
La propulsión está a cargo de dos sistemas. El sistema principal utiliza propelentes motor de cohete líquido mono- propelente . Hay un motor cohete principal con un empuje de 445 newtons de empuje , cuatro motores 22N que se utilizan para controlar la dirección cuando el motor principal está funcionando y 16 propulsores pequeños para el control de actitud. HabEx transporta 2280 kilogramos de hidracina que se utilizan para las maniobras principales que permiten que el telescopio vuelva a su posición, para el mantenimiento de la órbita y para las correcciones de actitud. El segundo sistema está compuesto por 8 micropropulsores coloidales (empuje del orden de 100 micronewtons que funcionarán de forma permanente para compensar principalmente el empuje de los fotones solares. Estos propulsores serán suministrados por la Agencia Espacial Europea que ya los ha utilizado en Un contexto idéntico para el satélite experimental LISA Pathfinder Estos micropropulsores permiten que el sistema de control de actitud funcione sin tener que recurrir a ruedas de reacción generadoras de vibraciones.
El sistema de telecomunicaciones incluye un transceptor que permite que el telescopio espacial se comunique en banda S con el coronógrafo externo a una velocidad de 100 bits por segundo a través de una antena de parche y un sistema que permite intercambiar datos científicos con la Tierra sin interrumpir los datos. Progreso. El intercambio de datos tiene lugar en la banda Ka a través de dos antenas de escaneo electrónico fijadas a cada lado del tubo óptico. Esta elección de antena permite dirigir las transmisiones de radio hacia la Tierra sin ningún dispositivo mecánico que pueda generar vibraciones. Dos antenas de baja ganancia proporcionan una cobertura del cielo casi completa y se utilizan en banda X para la transferencia de comandos y telemetría . El tipo de cambio es de 6,5 megabits / segundo en la banda Ka y de 100 kilobits por segundo en la banda X.
Parte optica
La parte óptica del telescopio es de tipo anastigmático con tres espejos fuera del eje con un espejo primario de 4 metros, dimensión elegida porque permite identificar un exoplaneta de tipo terrestre, y un espejo secundario de 45 centímetros colocado a 2.5 off- medidores de eje para no oscurecer parte del campo de visión. El espejo terciario tiene un diámetro de 68 centímetros. La distancia focal es de 9 m (f / 2.25) es un compromiso entre las restricciones de peso (una distancia focal más larga implica una mayor masa) y las necesidades de contraste del coronógrafo que imponen una distancia focal que no es demasiado corta. El instrumento está diseñado para observar luz ultravioleta , luz visible , ultravioleta e infrarrojo cercano (0,115 a 2,5 micrones). Los actuadores permiten ajustar la posición de los espejos primario y secundario para ajustar su posición teniendo en cuenta los cambios que se han producido después del lanzamiento debido a los cambios térmicos vinculados a la exposición del telescopio en el espacio. Los sensores láser se utilizan para medir las deformaciones sufridas por la parte óptica y para determinar las correcciones a realizar.
Coronógrafo interno o externo ( starhade )
La configuración más completa del telescopio incluye tanto un coronógrafo interno tradicional como un coronógrafo externo ( pantalla estelar ) colocados a decenas de miles de kilómetros del telescopio. Hasta ahora, ningún telescopio espacial ha implementado este último dispositivo, pero ha sido objeto de mucha investigación dentro de la NASA (en particular dentro del marco de la Misión Nuevos Mundos ) y se está llevando a cabo un proyecto dentro de la agencia espacial para llevar el nivel de madurez de este dispositivo. tecnología hasta 5 para 2023 (tecnología validada en un entorno significativo). Ambas configuraciones ofrecen ventajas y desventajas y cada una es particularmente adecuada para ciertos tipos de observación.
- El coronógrafo interno es integral con el telescopio y por lo tanto permite modificar rápidamente la estrella observada, a diferencia del coronógrafo externo. Por otro lado, solo permite realizar observaciones en bandas espectrales estrechas y, por lo tanto, requiere cubrir un amplio rango de frecuencias o la multiplicación de los canales (el haz de luz se corta en varios cortes de frecuencia que son procesados por tantos detectores) o encadenar varias observaciones mediante filtros. El coronógrafo interno produce menos información, requiere instrumentos más complicados y requiere telescopios muy estables.
- El coronógrafo externo ( starshade ) es una nueva tecnología considerada menos madura. El coronógrafo externo intercepta la luz de la estrella que no llega al telescopio. Esto simplifica enormemente tanto el diseño del telescopio como del instrumento. Los requisitos de estabilidad del telescopio son menos importantes. La principal desventaja del coronógrafo externo es la necesidad de moverlo para observar una nueva estrella. Al estar ubicado a varias decenas de miles de kilómetros de distancia, este movimiento lleva tiempo y consume propulsores. Por esta razón, el coronógrafo externo solo se puede utilizar para la observación de un centenar de estrellas.
Características del coronógrafo externo
El coronógrafo externo consta del propio coronógrafo (2,1 toneladas) y una plataforma de 2,5 toneladas similar a la de un satélite. La plataforma incluye un sistema de propulsión mixto que consiste en motores de iones utilizados para reposicionar el coronógrafo cuando el telescopio apunta a una nueva estrella y propulsión de propulsor líquido que comprende 12 motores de 22 newtons de empuje para correcciones de rumbo y mantenimiento de vuelo. el telescopio. Seis motores iónicos con un empuje de 0,52 newtons y un impulso específico de 3000 segundos se distribuyen en cada cara del coronógrafo. La plataforma transporta 2,2 toneladas de propulsores líquidos y 3,5 toneladas de xenón.
Configuraciones degradadas estudiadas
Para permitir que los redactores del informe responsables de establecer las prioridades de la NASA para la década 2025-2035 refinen su elección, el estudio detallado del proyecto HabEx publicado en 2019 ofrece varias variantes más baratas y menos riesgosas pero menos eficientes del telescopio espacial. Estos se definieron combinando la reducción en el diámetro del espejo primario - 4 metros (configuración propuesta), 3,2 metros y 2,4 metros - y los tipos de coronógrafo a bordo - coronógrafo interno y externo (configuración propuesta), coronógrafo solo interno, coronógrafo externo solamente. Estas 8 configuraciones degradadas se compararon con los objetivos científicos para determinar en qué medida permitían alcanzarlos total, parcialmente o nada. Además de la configuración completa, dos configuraciones degradadas se detallaron más particularmente en el estudio: 4C (espejo de 4 metros y coronógrafo interno solamente) y 3.2S (espejo de 3,2 metros y coronógrafo externo solamente).
Instrumentos
El telescopio HabEx lleva cuatro instrumentos:
- HCG ( HabEx Coronagraph ) es un coronógrafo interno con un diámetro de 62 milisegundos de arco con tres canales, uno en el visible y dos en el infrarrojo cercano.
- SSI ( HabEx Starshade Instrument ) es un coronógrafo externo de 52 metros de diámetro que se instalaría en un satélite ubicado a 76.600 kilómetros del telescopio.
- UVS ( Espectrógrafo / Cámara UV ) es un espectrógrafo de imágenes que permite observar en ultravioleta (115-320 nm ) con un campo de visión de 3 × 3 minutos de arco y una resolución espectral de 60.000.
- HWC ( HabEx Workhorse Camera ) es un espectrógrafo de imágenes que permite observar en infrarrojo cercano y visible (115–320 nm ) con un campo de visión de 3 × 3 minutos de arco y una resolución espectral de 1000. Tiene dos canales (0.37–0.95 y 0,95-1,8 micrones).
Realización de la misión
Si la fase A del proyecto comienza en 2025, el lanzamiento de HabEx podría tener lugar en 2039 (período de desarrollo de 15 años). La duración de la misión primaria es de 5 años y el volumen de consumibles (propulsores) garantiza el funcionamiento durante 10 años. El telescopio está diseñado para permitir el mantenimiento durante su vida útil. El telescopio espacial se colocaría en órbita alrededor del punto L 2 de Lagrange del sistema Tierra-Sol. Este punto en el espacio, constantemente ubicado a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, nos permite beneficiarnos de un entorno térmico estable sin obstrucción significativa de nuestro planeta mientras nos mantenemos a una distancia del mismo compatible con altas velocidades de transferencia de datos. A pesar de la lejanía de la Tierra (4 veces la distancia Tierra-Luna), el telescopio estará diseñado para que pueda ser mantenido por una tripulación humana viva como lo fue el Hubble, que sin embargo está a solo 800 kilómetros de distancia. Habex será puesto en órbita por el gigante lanzador Space Launch System (SLS) mientras que el coronógrafo externo será lanzado por un cohete Falcon Heavy a SpaceX .
Durante su misión principal, el 50% del tiempo de observación estará reservado para investigadores ajenos al proyecto cuyas solicitudes hayan sido seleccionadas por un comité científico (Programa de Observadores Invitados).
Referencias
- (Es) Daniel Marin, " LUVOIR: un telescopio espacial gigante para estudiar el Universo " , en Eureka , The Planetary Society ,27 de agosto de 2019
- (en) Loren Grush, " los límites de los costos futuros del telescopio espacial de la NASA en medio de retrasos y la incertidumbre presupuesto Misión " en The Verge ,5 de junio de 2018
- (en) Lori Keesey, " los equipos de la NASA estudian el futuro de la agencia en la astrofísica; abordar desafíos tecnológicos formidables ” , en Phys Org ,24 de abril de 2018
- Remy Decourt, " Observatorios espaciales del futuro: la NASA ya está trabajando en ello " , en Futura Sciences ,19 de mayo de 2018
- (en) Monica Young, "Los astrónomos sueñan en grande, cuatro consideran telescopios espaciales del futuro " , en Cielo y telescopio ,31 de mayo de 2019
- (in) " Science " on Habex , Jet Propulsion Laboratory (consultado el 7 de septiembre de 2019 )
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. ES-2
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. ES-2 y ES-3
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. 6-63
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. 6-64 hasta 6-65
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. 6-65 hasta 6-66
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. 5-17 y 6-4
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. 11-2
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. 13-2
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. 7-17
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. ES-10 y ES-11
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. ES-6, ES-8
- Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , p. ES-5
Bibliografía
- (es) Laboratorio de propulsión a chorro, Informe final del Observatorio de exoplanetas habitables , NASA,2019, 469 p. ( leer en línea ) - Informe del grupo de trabajo HabEx publicado en 2019