美国宇航局的潘多拉任务将帮助探测外星世界

系外行星即将经过恒星

这幅插图捕捉了一颗系外行星即将从它的恒星前面穿过——或者过境——的场景。来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

在寻找地球以外的宜居行星的过程中,美国国家航空航天局正在研究一个名为“潘多拉”的任务概念,它可能最终帮助解码我们银河系中遥远世界的大气之谜。四项低成本天体物理任务之一,被选作进一步的概念发展NASA的新先锋计划在美国,潘多拉将研究大约20颗恒星和系外行星(太阳系外的行星),以提供对系外大气的精确测量。

这项任务将通过长时间在可见光和红外光下同时观察行星和它们的主恒星来确定大气成分。最值得注意的是,潘多拉将检查主星的光如何影响的变化太阳系外行星测量。在确定围绕着被恒星黑点覆盖的恒星运行的行星的大气组成时,这仍然是一个重大的问题。恒星黑点会导致恒星旋转时的亮度变化。

潘多拉是一个小型卫星任务,也被称为“小型卫星”(SmallSat),它是三个这样的轨道任务之一,已得到美国宇航局的批准,进入“先驱者”计划的下一阶段开发。小型卫星是一种低成本的太空飞行任务,使宇航局能够推进科学探索,增加进入太空的机会。潘多拉将在太阳同步低地球轨道运行,这一轨道总是将太阳保持在卫星的正后方。这一轨道使卫星上的光线变化最小化,并允许潘多拉在较长时间内获取数据。在被选作进一步研究的小型卫星概念中,潘多拉是唯一专注于系外行星的卫星。

潘多拉的轨道模式

这幅图(不按比例)描绘了潘多拉在太阳同步低地球轨道上的轨道模式,距离地球表面约435到497英里(700到800公里),它正在观察它的目标系外行星和恒星。这条轨道使潘多拉能够在很长一段时间内获得对系外行星的多次观测,而地球光芒排除区有助于避免来自地球的反射光。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国宇航局戈达德太空飞行中心

“系外行星科学正在从行星发现时代进入大气描述时代,”NASA戈达德太空飞行中心(位于马里兰州绿带)的天体物理学家、潘多拉星球的首席研究员艾丽萨·昆塔纳(Elisa Quintana)说。“潘多拉专注于试图了解恒星活动如何影响我们对系外行星大气的测量,这将为未来寻找具有类地大气的行星的系外行星任务奠定基础。”

科学潜力最大化

潘多拉专注于研究系外行星和恒星的大气,通过观测行星在其主恒星前面穿过或经过时的情况。为了实现这一目标,潘多拉将利用一种被证明行之有效的技术——凌日光谱学。该技术包括测量滤过行星大气层的星光量,并将其分解成被称为光谱的彩色波段。这些颜色对信息进行编码,帮助科学家识别行星大气中存在的气体,并可以帮助确定一颗行星是像地球一样有稀薄大气层的岩石,还是像地球一样有厚厚的气体包层海王星

然而,这次任务将把凌日光谱学更进一步。潘多拉的设计是为了缓解该技术最关键的一个挫折:恒星污染。杰西·克里斯蒂安森(Jessie Christiansen)是美国宇航局系外行星档案馆(位于加州帕萨迪纳的加州理工学院)的科学副主任,也是潘多拉星球的联合研究员。她说:“恒星有大气层和不断变化的表面特征,比如影响我们测量的黑点。”“为了确定我们真的在观察一颗系外行星的大气层,我们需要理清这颗行星与恒星的变化。”

潘多拉交通光谱学

这幅图描绘了潘多拉利用凌日光谱学可靠地识别一颗系外行星经过其主星前面时的大气组成。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国宇航局戈达德太空飞行中心

潘多拉将通过红外线和可见光同时观测恒星和系外行星信号来分离它们。用较短波长的可见光更容易检测到恒星污染,因此通过红外和可见光获取大气数据将使科学家更好地区分来自系外行星大气和恒星的观测结果。

“恒星污染是一个关键问题,使对系外行星的精确观测变得复杂,”剑桥麻省理工学院Pegasi b 51号博士后本杰明·拉克姆(Benjamin rakham)说,他也是潘多拉星球的联合研究员。“潘多拉将帮助我们建立必要的工具来解开恒星和行星信号,使我们能够更好地研究恒星黑子和系外大气层的特性。”

协同作用在空间

与美国国家航空航天局的大型任务联合起来,潘多拉将与地球同步运行詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于今年晚些时候发射。韦伯将提供研究像地球一样小的系外行星大气的能力,其精度将达到前所未有的水平,而潘多拉将寻求扩大望远镜的研究和发现,通过更长时间地观察先前确定的行星的主恒星。

美国宇航局的凌日系外行星勘测卫星(苔丝),哈勃太空望远镜已经退役的开普勒和斯皮策宇宙飞船让科学家们对这些遥远的世界有了惊人的了解,并为了解外行星奠定了坚实的基础。然而,这些任务还没有完全解决恒星污染问题,其严重程度在以前对系外行星大气的研究中是不确定的。潘朵拉试图填补美国宇航局对行星大气了解的这些关键空白,并提高系外行星研究的能力。

“潘多拉是在正确的时间正确的任务,因为成千上万的系外行星已经被发现,而且我们知道的很多适合大气表征轨道小活跃的明星,”说,执行长戴森(杰西Dotson)天体物理学家美国宇航局艾姆斯研究中心在加州的硅谷和潘多拉的副首席研究员。“下一个前沿领域是了解这些行星的大气,而潘多拉将在揭示恒星活动如何影响我们描述大气特征的能力方面发挥关键作用。”这将是对韦伯使命的一个很好的补充。”

探索用的发射台

位于加州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)正与美国宇航局的戈达德太空飞行中心共同领导潘多拉任务。LLNL将管理这项任务,并利用为其他政府机构开发的能力,包括低成本的望远镜设计和制造方法,使这一开创性的系外行星科学从一个小型卫星平台。

美国国家航空航天局的先锋计划包括小型卫星、连接到国际空间站的有效载荷和科学气球实验,通过低成本、小型硬件任务,为职业生涯早期到中期的研究人员培育创新的太空和亚轨道实验。在这个新项目下,潘多拉将以5年为期限,预算上限为2000万美元。

尽管受到严格的限制,先锋计划使潘多拉专注于一个集中的研究问题,同时吸引了来自十多所大学和研究机构的学生和早期职业科学家组成的多样化团队。这个小型卫星平台为小型任务创造了一个极好的蓝图,从而在天体物理学领域产生影响。

“潘多拉在可见光和红外光下的长时间观测是独特的,非常适合小型卫星,”昆塔纳说。“我们很兴奋,潘多拉将在美国宇航局寻找其他可能适宜居住的星球的探索中发挥关键作用。”

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