Niezła misja: mały pakiet, który znacznie wspiera obserwacje egzoplanet

Spośród około 5500 odkrytych do tej pory egzoplanet wiele z nich krąży blisko swoich gwiazd macierzystych. Te pobliskie planety dają wyjątkową okazję do szczegółowej obserwacji zjawisk kluczowych dla rozwoju i ewolucji naszego Układu Słonecznego, w tym utraty masy atmosfery i interakcji z gwiazdą macierzystą. W ramach misji NASA Ultraviolet Transit Experiment (CUTE), wystrzelonej we wrześniu 2021 r., zastosowano nowy projekt, który umożliwia po raz pierwszy badanie tych procesów przy użyciu małego statku kosmicznego. CUTE zapewnia unikalną diagnostykę spektroskopową, która śledzi uciekające atmosfery pobliskich, niezwykle gorących gigantycznych planet. Ponadto niestandardowa architektura misji CUTE pozwala na czas trwania badania wymagany do scharakteryzowania struktury atmosfery i różnorodności tych światów.

Ucieczka z atmosfery jest podstawowym procesem wpływającym na strukturę, skład i ewolucję wielu planet. Sprawdziło się to na wszystkich planetach ziemskich w naszym Układzie Słonecznym i prawdopodobnie będzie miało wpływ na krótkoterminową strukturę demograficzną populacji planety, charakteryzującą się Misja Keplera NASA. W rzeczywistości ucieczka z atmosfery może ostatecznie okazać się decydującym czynnikiem przy przewidywaniu możliwości zamieszkania egzoplanet o klimacie umiarkowanym. Po raz pierwszy zaobserwowano atmosferę uciekających egzoplanet w linii wodoru Lyman-alfa (121 nm) w 2003 r. Jednakże obojętne zanieczyszczenie wodorem zarówno w ośrodku międzygwiazdowym, jak i górnych warstwach atmosfery ziemskiej sprawia, że ​​uzyskanie wysokiej jakości pomiarów tranzytu Lyman-alfa większości egzoplanet jest bardzo trudne. Dla kontrastu, strumień bliskiego ultrafioletu gwiazdy macierzystej (NUV; 250–350 nm) jest o 2 do 3 rzędów wielkości większy niż strumień Lymana alfa, a przejściowe krzywe blasku można zmierzyć w porównaniu z gładszym rozkładem gęstości powierzchni gwiazdy.

Wiedza ta zmotywowała zespół kierowany przez dr Kevina France'a z Laboratorium Fizyki Atmosfery i Przestrzeni Kosmicznej Uniwersytetu Kolorado do zaprojektowania misji CUTE (rysunek 1). Zespół zaproponował NASA koncepcję CUTE w ramach programu ROSES/Astrophysical Research and Analysis (APRA) w lutym 2016 r., a NASA sfinansowała projekt w lipcu 2017 r. Instrument CUTE był pionierem w zastosowaniu dwóch technologii w małej misji kosmicznej: nowego prostokątnego statek kosmiczny; Teleskop Cassegraina (zwierciadło główne o wymiarach 20 cm x 8 cm) i miniaturowy spektrometr o niskiej rozdzielczości działający w zakresie długości fali około 250 – 330 nm. Prostokątny teleskop został wyprodukowany tak, aby pomieścić instrument o unikalnym rozmiarze 6U CubeSat, co stanowi adaptację zapewniającą prawie trzykrotnie większą przestrzeń montażową w porównaniu z konwencjonalnym teleskopem z aperturą kołową. Kompaktowy spektrometr spełnia wymagania misji w zakresie rozdzielczości widmowej, wykorzystując technologię zminiaturyzowanych komponentów zaadaptowaną z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.

Ta nowa konstrukcja instrumentu pozwala CUTE mierzyć NUV z dokładnością porównywalną z większymi misjami, nawet w trudniejszych warunkach termicznych i wskazujących, jakie napotyka CubeSat. Ponadto pasmo pasmowe NUV CUTE umożliwia pomiar jonów żelaza i magnezu z bardzo rozległych warstw atmosfery, do których nie mogą dotrzeć instrumenty naziemne. Instrument naukowy CUTE jest zintegrowany z magistralą statku kosmicznego Blue Canyon Technologies 6U, która zapewnia zasilanie, dowodzenie, przetwarzanie danych, kontrolę położenia geograficznego i komunikację. Platforma CubeSat umożliwia CUTE monitorowanie wielokrotnych tranzytów danej planety. Spektrogram z instrumentu CUTE jest rejestrowany na dostępnym w sprzedaży urządzeniu UV (CCD), przetwarzanie danych odbywa się na pokładzie, a produkty danych są przekazywane do stacji naziemnej na Uniwersytecie Kolorado.

Sonda CUTE została wystrzelona jako dodatkowy ładunek w ramach misji NASA LANDSAT-9 27 września 2021 r. na orbitę synchroniczną ze Słońcem, której apogeum wynosi 560 km. CUTE wystartował z rozkładacza ładunku (rysunek 2) około dwie godziny po wystrzeleniu, a następnie uruchomił panele słoneczne. Sygnały nawigacyjne statku kosmicznego zostały zidentyfikowane przez społeczność radioamatorów na pierwszej orbicie, a następnego dnia nawiązano komunikację ze stacją naziemną Uniwersytetu Kolorado. Sonda wraz z instrumentem została ukończona na orbicie w lutym 2022 roku i od tego czasu misja prowadzi działania naukowe.

Według stanu na luty 2024 r. CUTE aktywnie gromadzi dane naukowe i dane kalibracyjne (Rysunek 3) i zaobserwował od 6 do 11 tranzytów siedmiu różnych układów egzoplanetarnych. Wydajność transmisji danych jest głównym czynnikiem ograniczającym liczbę celów obserwowanych w trakcie misji. Krzywe blasku CUTE i spektroskopia stanów przejściowych ujawniają rozszerzone atmosfery NUV na niektórych planetach (Rysunek 4) i możliwe wahania czasowe w widmach transmisji atmosfery na innych. Na przykład obserwacje niezwykle gorącej egzoplanety Jowisz WASP-189b wskazują na bardzo rozległą atmosferę. Zaobserwowano, że jony magnezu są niezwiązane grawitacyjnie z planetą, co świadczy o aktywnej ucieczce ciężkich pierwiastków z tego układu. Dane CUTE są archiwizowane przez Instytut Nauki o egzoplanetach NASA (NExScI).

W ramach programu CUTE z powodzeniem zademonstrowano zastosowanie konstrukcji teleskopu niekołowego i miniaturowego spektrografu w małych misjach kosmicznych; podejście to zostało później przyjęte w kilku projektach NASA i misjach międzynarodowych, w tym w nowym projekcie NASA. Monitorowanie aktywności pobliskich gwiazd za pomocą misji obrazowania i spektroskopii ultrafioletowej (MANTIS).. Demonstracja CUTE dotycząca dokładności NUV poniżej 1% pokazała, że ​​dokładność osiąganą w dużych misjach astronomicznych w ultrafiolecie może być również osiągnięta za pomocą CubeSata. Ponadto szkolenie i opieka mentorska dla studentów rozpoczynających karierę zawodową były kluczowymi elementami sukcesu misji CUTE. Do chwili obecnej ponad 20 studentów i specjalistów rozpoczynających karierę zawodową odbyło staże i wzięło udział w działaniach CUTE, począwszy od nauk ścisłych, przez inżynierię, aż po operacje.

menadżer projektu

Profesor Kevin France, Laboratorium Fizyki Atmosfery i Przestrzeni Kosmicznej/Uniwersytet Kolorado

Organizacja sponsorująca

Katedra Astrofizyki Program badań i analiz astrofizycznych