Как NASA планирует создать Обсерваторию обитаемых миров

Обсерватория обитаемых миров (HWO) становится важной вехой в исследовании экзопланет и их характеристик. За последние несколько лет проект прошел путь от первоначального предложения до детализированного плана, который определяет, как будет работать следующая великая обсерватория. В августе 2024 года NASA основало Офис по координации технологий HWO (TMPO), чтобы управлять научными и технологическими разработками, необходимыми для успешной реализации миссии. Недавно был представлен обширный план первых шагов в этом процессе в виде препринта на arXiv, который четко описывает, что должно произойти до обзора концепции миссии (MCR) в конце десятилетия.

NASA славится своей системой уровней готовности технологий (TRL), и TMPO структурировало свой отчет, основываясь на необходимости довести три «потока» до уровня TRL 5 к моменту MCR. Это соответствует стадии, когда технология проверена «в релевантной среде», что станет более понятным после объяснения самих технологий.

Первым элементом является коронограф телескопа. HWO предназначен для наблюдения за очень яркими звездами на протяжении длительного времени с целью выявления возможных планет-соседей. Для этого необходимо блокировать свет от самой звезды, чтобы сосредоточиться на свете от планеты. Коронограф (CI) — это инструмент, предназначенный для подавления звездного света до уровня 10^-10, даже в непосредственной близости от звезды.

Для достижения этой цели система планирует использовать «деформируемое зеркало» в сочетании с массивом из 96x96 линейных актуаторов, которые могут контролировать поверхность зеркала с точностью до пикометра. Ключевым моментом является высокая надежность этих актуаторов, их высокая пространственная разрешающая способность, а также способность выдерживать воздействие жесткой радиационной среды космоса. Свет, который проходит через эти деформируемые зеркала, будет захватываться ультрачувствительными детекторами, такими как устройства захвата электрона (EMCCDs) или потенциально сверхпроводящие квантовые датчики, которые обеспечивают высокую квантовую эффективность и почти нулевой уровень фонового шума.

Однако коронограф полезен только в том случае, если телескоп, на котором он установлен, может поддерживать такой же уровень пространственной точности. Если телескоп не сможет удерживать эту точность в течение часов или даже дней, то качество коронографа не имеет значения. Наблюдения, которые HWO планирует проводить, предполагаются длительными.

Одним из самых сложных факторов во втором технологическом направлении является тепловое расширение, когда компоненты самого телескопа расширяются или сжимаются в «ползущих» или «рывковых» движениях в зависимости от изменения температуры. Для борьбы с этим HWO будет иметь мощную активную систему терморегулирования, использовать материалы с низким коэффициентом теплового расширения (CTE), такие как Corning ULE или Schott Zerodur, а также систему управления, которая будет использовать микродвигатели, вибрационную изоляцию и даже собственные автономные зеркала для поддержания устойчивости космического аппарата и его правильного направления.

Все эти меры позволят выполнять задачи наиболее важных компонентов — датчиков. HWO не предназначен только для поиска экзопланет, но также будет служить следующей генерацией астрофизической обсерватории. Для выполнения требований, изложенных в отчете Astro2020, миссия должна обладать чувствительностью в диапазоне длин волн от ближнего инфракрасного до дальнего ультрафиолетового.

Для достижения этих требований необходимо разработать новые покрытия для зеркал, которые можно будет равномерно наносить на всю поверхность зеркал миссии. Это также потребует улучшения технологий, таких как детекторы ультрафиолетового диапазона большого формата, массивы микрошторок следующего поколения (NGMAs) и цифровые микрозеркальные устройства (DMD), все из которых требуют значительной разработки перед их использованием в рамках миссии Великой обсерватории.

Для достижения готовности к реализации потребуется метод «ползти-идти-бежать», согласно документу. К счастью, в этой области уже есть определенный «наследие», особенно опыт, полученный из разработки (и задержек) телескопа Джеймса Уэбба и предстоящего космического телескопа Нэнси Грейс Роман. Но, возможно, наиболее важным для следующего шага TRL являются испытательные стенды, предназначенные для использования в миссии HWO.

Как уже упоминалось, TRL 5 требует доказательства работоспособности системы в релевантной среде. Однако создание среды, аналогичной космосу, на Земле не является простой задачей. Инженеры HWO планируют использовать передовые испытательные стенды, такие как коронограф для визуализации экзопланет (EPIC-5) и даже специально разработанный стенд для тестирования систем обсерватории (HOST), который предназначен для проверки взаимосвязанных систем, необходимых для работы всей обсерватории.

Инженерные и научные группы имеют еще несколько лет до критического MCR, на котором NASA и его партнеры могут отменить весь проект, если не будут достигнуты его ключевые этапы. Команды проекта уже начинают международное сотрудничество в дизайне миссии, с конференцией, запланированной на конец этого года, посвященной технологиям HWO. Этот отчет TMPO, вероятно, станет основополагающим документом для этих обсуждений и, надеемся, будет служить основой для технической разработки нашей следующей Великой обсерватории.