Araştırmacılar; uzak gezegenleri araştıran teleskoplar için sabit bir referans ışığı sağlayan küp şeklinde CubeSats’ı tasarladı.
Güneş sistemimizin ötesinde 3.900’den fazla doğrulanmış gezegen var. Birçoğu “geçişleri” sayesinde tespit edildi. Gezegen; önündeki yıldızı geçtiğinde; bir anda yıldızın ışığını engelliyordu. Yıldız ışığındaki bu zayıflıklar; astronomlara bir gezegenin büyüklüğü ve yıldızdan uzaklığı hakkında biraz bilgi verebilir.
Ancak gezegen hakkında daha fazla bilgi sahibi olmak; oksijen, su ve diğer yaşam belirtilerinin olup olmadığını içeren, çok daha güçlü araçlar gerektirir. İdeal olarak, bunlar; en büyük yer gözlemcilerininki kadar geniş ışık toplama aynaları olan, uzayda çok daha büyük teleskoplar olacaktır. NASA mühendisleri; uzaya fırlatıldıklarında çok büyük bir teleskop oluşturmak için birleştirilebilen veya açılabilen çok sayıda küçük aynalı “parçalara ayrılmış” teleskopları da içeren, bu tür yeni nesil uzay teleskopları için tasarımlar geliştiriyorlar.
NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu; 6,5 metre çapında ve 18 altıgen parçadan oluşan bölünmüş bir birincil ayna örneğidir. Yeni nesil uzay teleskoplarının 100’den fazla ayna parçasıyla 15 metreye kadar olması bekleniyor.
Parçalı uzay teleskoplarındaki sorun; ayna bölümlerinin nasıl sabit kaldığını ve topluca bir dış gezegen sistemine dönük tutulmasıdır. Bu tür teleskoplar; bir yıldızdan yayılan ışıkla, yörüngede dönen bir gezegen tarafından yayılan çok zayıf bir ışığı ayırt etmek için; yeterince hassas olan aletlerle (koronagraf=ara zaman ölçümü) donatılır. Ancak, teleskobun herhangi bir bölümündeki en ufak bir kayma; bir koronagrafın ölçümlerini durdurabilir ve oksijen, su veya diğer gezegensel özelliklerin ölçümlerini de bozabilir.
MIT mühendisleri bu sorunu çözmek için, basit bir lazerle donatılmış ikinci bir ayakkabı kutusu boyutunda bir uzay aracının, büyük uzay teleskobundan belli bir mesafede uçabileceğini ve hedef sistemin yakınında teleskobun yapabileceği sabit bir parlak ışık veren “kılavuz yıldız” olarak davranabileceğini öne sürüyor. Bir anlamda kendini sabit tutmak için uzayda bir referans noktası olarak kullanıyor.
Araştırmacılar yayınladıkları bilimsel makalede; böyle bir lazer rehber yıldızın tasarımının, günümüzün mevcut teknolojisi ile mümkün olduğunu göstermektedir. Sistemi dengelemek için ikinci uzay aracından gelen lazer ışığını kullanmanın, büyük parçalı bir teleskopta hassasiyeti, bir yandan da zaman ve para tasarrufu sağladığını ve daha esnek teleskop tasarımlarına izin verdiğini kanıtlanmıştır.
MIT Havacılık ve Uzay Bilimleri Bölümü’nden Ewan Douglas: “Bu çalışma; gelecekte biraz daha yumuşak, biraz daha az sabit, ancak dengesini korumak için referans olarak parlak bir kaynak kullanabileceğimiz bir teleskop inşa edebileceğimizi gösteriyor.”
Bir asırdan fazla bir süredir gökbilimciler; yer tabanlı teleskopları dengelemek, doğru yönlerini bulmak için gerçek yıldızları “rehber” olarak kullanıyorlar.
Douglas: “Teleskop motorundaki veya dişlilerdeki kusurlar; teleskopunuzun biraz daha hızlı veya daha yavaş izlemesine neden oluyorsa, rehber yıldızınızı bir (teleskop üzerinde orantıyı sağlayan) artı işareti üzerinde gözle izleyebilir ve uzun pozlama alırken yavaşça ortada tutabilirsiniz.”
1990’larda, bilim insanları yerdeki lazerleri yapay atmosfer yıldızlar olarak kullanmaya başladılar. Üst atmosferdeki sodyum ile lazerleri gökyüzüne işaret ederek, yerden yaklaşık 40 mil uzaklıkta bir ışık noktası oluşturmayı başardılar. Astronomlar daha sonra; teleskopu işaret etmek istediği herhangi bir yerde üretilebilen bu ışık kaynağını kullanarak, bir teleskobu stabilize edebilirler.
Douglas: “Üzerinde çalıştığımız bu fikri genişletiyoruz. Ancak bir lazeri yerden uzaya doğru işaret etmek yerine, onu uzaydan, uzayda bir teleskopa doğru yansıtıyoruz.”
Zemin teleskoplarının atmosferik etkilere karşı koymak için kılavuz yıldızlara ihtiyacı vardır. Ancak ekzoplanet görüntüleme için alan teleskoplarının sistem sıcaklığında ve hareket nedeniyle oluşabilecek her türlü bozukluğun dakika değişikliklerini engellemesi gerekir.
Uzay temelli lazer kılavuz yıldızı fikri, NASA tarafından finanse edilen bir projeden ortaya çıktı. Ajans, uzayda kullanılacak büyük, parçalı teleskopların tasarımlarını düşünüyor. Bu çalışmayla büyük gözlemevlerinin maliyeti de azaltılmış olacak.
Yıldız Filosu
Cahoy’ın laboratuvarında, geleneksel uzay araçlarının aksine; uzayda fırlatılabilecek, ayakkabı kutusu büyüklüğünde uydular olan CubeSats’de kullanılmak üzere lazer iletişim geliştiriyor.
Bu yeni çalışma için araştırmacılar, bir CubeSat’a entegre olan veya biraz daha büyük bir SmallSat’le birleştirilmiş bir lazerin, NASA’nın LUVOIR’inden (Büyük UV Optik Kızılötesi Arazi için) modellenen büyük, bölümlendirilmiş bir teleskopun dengesini korumak için kullanılıp kullanılamayacağını araştırdı.
Araştırmacılar, böyle bir teleskopun 10 picometre içinde kusursuz bir şekilde durması gerektiğini tahmin ettiler. Ayrıca; bu tür bir teleskopun, bir gezegenin ışığının doğru ölçümlerini yapabilmesi için, uzay aracında bulunan bir koronagrafın, gezegen ışığının doğru ölçümlerini yapabilmesi için, 10 picometre içinde (bir hidrojen atomunun çapının yaklaşık dörtte biri kadar) kusursuz bir şekilde kalması gerektiğini tahmin ettiler.
Douglas: “Uzay aracında, güneş açısındaki küçük bir değişiklik veya uzay aracına yayılan ısı miktarını açıp kapatan ve değiştiren bir elektronik parça gibi herhangi bir sorun; yapının hafifçe genişlemesine veya daralmasına neden olur. Yaklaşık 10 picometreden daha büyük sıkıntılar yaşarsanız, teleskopun içindeki yıldız ışığının düzeninde bir değişiklik görmeye başlarsınız. Ayrıca; değişiklikler gezegenin yansıyan ışığını görmek için yıldız ışığını mükemmel şekilde çıkaramayacağınız anlamına gelir.”
Ekip; teleskoptan sabit bir yıldız olarak; yaklaşık on binlerce mil ötedeki sabit bir yıldız olarak görülmeye başlayacak bir lazer kılavuz yıldızı için genel bir tasarıma sahiptir. Bunlardan her biri lazer ışığını bir yerleşik kameraya doğru yansıtacak olan aynalardır. Bu kamera zaman içinde yansıyan ışığın fazını ölçer. 10 picometre veya daha fazla bir boyutta herhangi bir değişiklik, teleskobun stabilitesinde bir uzlaşmaya işaret edecektir. Bu sayede onboard aktüatörler daha sonra hızlı bir şekilde düzeltilebilir.
Böyle bir lazer rehber yıldız tasarımının bugünün lazer teknolojisi ile mümkün olup olmadığını görmek için, Douglas ve Cahoy Arizona Üniversitesi’ndeki meslektaşları ile birlikte çalıştı. Farklı bir parlaklık kaynağı bulmak için; örneğin bir lazerin ne kadar parlak olması gerektiğini anlamak için; teleskopun konumu hakkında belirli miktarda bilgi sağlamak veya büyük uzay teleskoplarından gelen segment stabilite modellerini kullanarak, stabilite sağlamaktır. Daha sonra bir dizi mevcut lazer vericisi hazırladılar. Her bir lazerin teleskoptan ne kadar istikrarlı, güçlü ve uzak olacağını ve güvenilir bir rehber yıldız olarak hareket etmeleri gerektiğini hesapladılar.
Genel olarak, lazer kılavuz yıldızı tasarımlarının mevcut teknolojilerle mümkün olduğunu ve sistemin bir kübik ayağın boyutuyla ilgili olarak bir SmallSat içine tamamen sığabileceğini buldular. Douglas, tek bir rehber yıldızın, teleskopun gözlem hedeflerini değiştirirken bir yıldızdan diğerine seyahat eden bir teleskopun “görüş açısını”; makul bir şekilde takip edebileceğini söylüyor. Bununla birlikte, bu daha küçük uzay aracının, teleskopla farklı yıldızlara bakmak için yeniden konumlandırılmasından dolayı, teleskopla eşleştirilmiş yüzbinlerce kilometre yol kat etmesini gerektirecektir.
Bunun yerine, Douglas; birden fazla gezegensel sistemi araştırırken bir teleskopun dengelenmesine yardımcı olmak için küçük bir kılavuz yıldız filosunun, uygun fiyatla gökyüzü üzerinde yerleştirilebileceğini söylüyor. Cahoy; NASA’nın Mars Insight lander’ı bir iletişim rölesi olarak destekleyen MARCO CubeSats’in yakın zamandaki başarısının, itiş sistemlerine sahip olan CubeSats’ın gezegenler arası alanda, uzun süre ve uzak mesafelerde çalışabileceğini gösterdiğine işaret ediyor.
Douglas: “Şimdi mevcut itiş sistemlerini analiz ediyoruz ve bunu yapmanın en uygun yolunu ve kaç tane uzay aracını uzayda birbirimize sıçramak istediğimizi buluyoruz. Sonuçta, bunun büyük, parçalı uzay teleskoplarının maliyetini düşürmenin bir yolu olduğunu düşünüyoruz.”