缩小太空望远镜的探索
当天文学家首先将望远镜发射到太空中以更好地观察宇宙时,它们的体积相对较小。当时的想法是确保这项技术能在投入时间和金钱之前,花更多的时间和金钱去购买像Nancy Grace Roman和Lyman Spitzer这样的更大天文望远镜。几十年来,目标是制造更大,更复杂,功能更强大的太空望远镜。但是,除了詹姆斯·韦伯(James Webb)太空望远镜这样的大型项目之外,一些科学家在过去的几年中一直在致力于使太空望远镜变得越来越小的方法,并且它们取得了成功。美国宇航局喷气推进实验室的天文学家和工程师最近证明,只有一个手提箱大小的立方体(仅配备6厘米(2.4英寸)望远镜)可以探测到一颗绕着遥远恒星运行的行星。
自2004年以来,我们就已经知道遥远而深奥的怪星55 Cancri e,所以这并不是一个新发现。ASTERIA(天体物理学中的Arcsecond空间望远镜使能研究)背后的团队刚刚使用了著名的系外行星来测试他们的小型空间望远镜及其技术。他们想证明立方体卫星实际上可以发现距地球40光年的行星经过其恒星前方的那一刻,从而仅使恒星的光暗淡了0.04%。
特别是,ASTERIA小组希望证明他们的[大小]卫星可以瞄准天空中一个遥远的微小点,并使其自身足够稳定,以测量像55 Cancri e这样的系外行星通过时发生的微小的光变化在星星前。这种精确的指向控制至关重要,因为在错误的时刻出现偏移或摆动可能会使望远镜的数据混乱,从而使天文学家认为他们实际上正在看到一颗昏暗的恒星,而实际上这只是一颗烦躁的航天器。自从第一台太空望远镜问世以来,这一直是工程师面临的主要挑战。
指向问题。
当美国国家航空航天局(NASA)开始研究将成为第一批被称为轨道天文观测台的太空望远镜的卫星时,从未有人建造过太空望远镜,最困难的部分是将望远镜对准天空中的正确位置。这要求在三个维度上控制航天器的方向,这并非易事。
“除了进行粗略的搜索以找出其中是否存在某些东西外,在您没有三轴指向控件之前,我认为在非太阳能天文学中不可能做很多事情,”NASA天文学负责人Nancy Grace Roman写道。在她于2018年去世前不久的OAO计划期间。“以地球作为稳定的参考平台,在地面上这并不困难,但在轨道上也不容易实现。”
为了将其拉开,航天器需要能够非常精确地控制自身,进行微小的调整以使其指向目标,然后使其保持稳定–在三个维度和微重力下。而且它必须能够识别恒星群并将其用作地标,以确保其指向正确。
正如罗曼(Roman)在2018年所解释的那样:“随着卫星在发射后旋转,卫星发现了太阳,自旋减小为仅围绕该方向旋转。接下来,卫星检测到一个或多个明亮的恒星,告诉其方向。停止了自旋,并且根据已知的方向,卫星从太阳移向了要观察的第一颗恒星的方向。然后,将观测到的星场与预期场相匹配,以定位目标,只要地球没有阻碍,精细的跟踪器就可以将指向稳定在正确的方向上。”
从小处开始似乎最安全,所以罗曼和她在NASA的团队所做的就是:OAO卫星宽约2.1米(7英尺),长3米(10英尺),重约2,000公斤(4,000磅),它们携带的望远镜具有30.5厘米(12英寸)宽的主镜-与最大的地球观测站的镜相比并不算大,但是能够在不妨碍地球大气层的情况下窥视太空,从而弥补了其体积小的缺点。到1968年OAO-2发射时,由于指向性问题已经解决,天文学家已经在计划更多,更大的太空望远镜。
剩下的就是历史了:哈勃望远镜于1990年发射升空,其主镜宽2.4米(近8英尺),卫星长13.3米(43.5英尺)。当它最终发射升空后,延迟很大的詹姆斯·韦伯太空望远镜将拥有一个6.5米(21.3英尺)宽的主镜,长20.2米(66.3英尺),宽14.2米(49.5英尺)。更大,更强大的太空望远镜帮助我们发现了遥远的行星,并将很快帮助我们直接观察它们的大气。
小包装大科学
但是,即使在过去的十年中,天文学家花费了一定的时间来扩展太空望远镜,最近的几年中,其他天文学家却朝着相反的方向工作,设计了更小巧的太空望远镜,这些望远镜的制造和发射成本更低,可用于支持太空望远镜的工作。他们更大的表亲。
2011年,加拿大航天局发射了MOST,即星际望远镜的微变率和振荡,该望远镜携带15厘米(5.9英寸)望远镜,总体上仅比ASTERIA大6倍。MOST还检测到55 Cancrie掠过其母恒星的表面,在此过程中,它创下了有史以来最小的卫星探测记录,即直到ASTERIA为止。
设计和制造10厘米x 20厘米x 30厘米(3.9英寸x 7.8英寸x 11.8英寸)的ASTERIA要求工程师开发用于仪器和硬件的新技术,这可能会在下一代cubesat上终止。这些未来的立方体卫星不仅可以证明该技术能够奏效,还可以充当微小的帮助者,从James Webb,TESS(过渡系外行星调查卫星)和Hubble等大型天文台转移一些工作量。
立方体卫星无法进行大型太空望远镜所能进行的强大观测–它们只是无法聚集足够多的光线而无法向太空看得那么远,也看不到那么多细节。但是ASTERIA证明,他们可以专注于单点观察,几乎没有耐心。从技术上讲,这是大型太空望远镜可以做到的,但通常这并不是他们所拥有的奢侈品。许多天文学家需要进入这些大天文台进行研究,因此,即使他们可以观察24/7,他们的时间也是非常非常热门的商品。但是,像天文学家萨拉·西格(Sara Seager)一样正在研究的每一个微小的立方体卫星,每个都将是ASTERIA的两倍大小—可以指向特定的恒星,并观察可能标志着系外行星通过的微小的俯冲。