Yeni nesil uzay teleskopları, Dünya büyüklüğündeki dünyaları görüntülemek için deforme olabilen aynalar kullanabilir

Gezegenimizin kalın ve yumuşak atmosferi nedeniyle uzaktaki nesneleri gözlemlemek kolay bir iş değil. Işık, atmosferimizin üst kısımlarından geçerken kırılır ve bozulur; bu da kozmolojik mesafelerdeki (milyarlarca ışıkyılı uzaklıktaki) nesneleri ve dış gezegenler gibi bitişik yıldız sistemlerindeki küçük nesneleri ayırt etmeyi çok daha zorlaştırır.

Gökbilimciler için bu sorunun üstesinden gelmenin yalnızca iki yolu var: teleskopları uzaya göndermek veya teleskopları atmosferik bozulmayı telafi edecek şekilde ayarlanabilen aynalarla donatmak.

1970 yılından bu yana, NASA ve ESA yörüngeye 90’dan fazla uzay teleskopu fırlattı ve bunlardan 29’u hala aktif, dolayısıyla bu konuyu hallettiğimizi söylemek yanlış olmaz.

Ancak önümüzdeki yıllarda giderek artan sayıda yer tabanlı teleskop, en ileri astronomiyi gerçekleştirmelerine olanak sağlayacak uyarlanabilir optikleri (AO’lar) içerecek. Bu, yeni nesil teleskopların koronograflar ve kendi kendini ayarlayan aynalar kullanarak doğrudan gözlemleyebileceği ötegezegenlerin incelenmesini de içeriyor. Bu, gökbilimcilerin doğrudan atmosferlerinden spektrum elde etmelerine ve yaşanabilir olup olmadıklarını görmek için bunları karakterize etmelerine olanak tanıyacak.

NASA, Caltech’teki Jet Propulsion Laboratuvarı’nda yürütülen ve NASA’nın Astrofizik Bölümü Stratejik Astrofizik Teknolojisi (SAT) ve NASA Küçük İşletme İnovasyon Araştırması (SBIR) programları tarafından desteklenen Deforme Edilebilir Ayna Teknolojisi projesi aracılığıyla uyarlanabilir optiklerin geliştirilmesini sürdürüyor.

Araştırma, JPL’den Dr. Eduardo Bendek ve DM Teknoloji Yol Haritası çalışma grubunun eş başkanları olan NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nden (GSFC) Dr. Tyler Groff, Boston Micromachines (BMC) kurucusu ve CEO’su Paul Bierden ve Adaptive Optics Associates (AOX) Program Yöneticisi Kevin King.

Dış gezegenleri doğrudan görüntüleme

Ötegezegen çalışmaları alanında son yıllarda patlama yaşandı; 4.129 sistemde 5.539 onaylanmış aday var ve 10.000’den fazla aday da onay bekliyor. Bu kadar çok aday arasından yaşanabilir gezegenler bulmak, tüm zamanların en büyük gizemlerinden birini çözmek için çok önemli: Evrende yalnız mıyız?

Enstrümantasyon, gelişmiş analitik ve veri paylaşımındaki ilerlemeler sayesinde bu alanda keşiften karakterizasyona geçiş yapılıyor. Ancak bugüne kadar dış gezegenlerin çoğu dolaylı yöntemler kullanılarak keşfedildi.

Bunu etkili bir şekilde yapabilmek için bilim adamlarının dış gezegenleri doğrudan gözlemleyebilmeleri gerekiyor. Bu, gökbilimcilerin bir dış gezegenin atmosferinden ve/veya yüzeyinden doğrudan yansıyan ışığı incelediği doğrudan görüntüleme yöntemi olarak bilinir. Bu ışık daha sonra kimyasal bileşimini belirlemek için spektrometrelerle analiz ediliyor ve bu da gökbilimcilerin yaşanabilirliği kısıtlamasına olanak tanıyor.

Ne yazık ki, yıldızlarının aşırı güçlü parıltısı nedeniyle ana yıldızlarına daha yakın yörüngede bulunan (Dünya benzeri gezegenlerin bulunmasının beklendiği yer) daha küçük, kayalık gezegenleri çözümlemek çok zordur.

Bu durumun James Webb gibi son teknoloji teleskopların yanı sıra Aşırı Büyük Teleskop (ELT), Dev Magellan Teleskobu (GMT) ve Otuz Metre Teleskobu (TMT) gibi yeni nesil dizilerle değişmesi muhtemeldir. Bu yer tabanlı diziler, 30 metrelik birincil aynaları, gelişmiş spektrometreleri ve koronografları (yıldız ışığını engelleyen aletler) birleştirecek. Deforme olabilen aynalar, teleskoptaki en küçük kusurları düzeltebildikleri ve kalan yıldız ışığı kirliliğini ortadan kaldırabildikleri için koronagrafın önemli bir bileşenidir.

Aynalar arasındaki yanlış hizalama veya aynanın şeklindeki bir değişiklik (yani teleskobun optiklerinde dengesizliğe yol açan) daha küçük kayalık ötegezegenlerin tespitini zorlaştıran parlamaya yol açabileceği için bu çok önemlidir. Dahası, Dünya benzeri bir gezegenin tespit edilmesi, yaklaşık bir hidrojen atomu büyüklüğünde, 10 saniyelik pikometre (pm) düzeyinde son derece hassas bir optik kalite gerektirir. Bu, herhangi bir parazit kaynağını düzeltebilecek şekilde teleskopun aynalarının gerçek zamanlı olarak çok hassas bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir.

Deforme olabilen aynalar

Deforme olabilen aynalar (DM), yansıtıcı bir aynanın şeklini değiştirmek için hassas şekilde kontrol edilen tabanca benzeri aktüatörlere dayanır. Yer tabanlı teleskoplar için DM’ler, teleskoptaki dış karışıklıkları (atmosferik türbülans gibi) veya optik yanlış hizalamaları veya kusurları düzeltmek için gelen ışığın optik yolunu ayarlamalarına olanak tanır.

Uzay teleskopları için, DM’lerin Dünya’nın atmosferini düzeltmesi gerekmez, ancak uzay teleskopu ve aygıtları yörüngede ısınıp soğurken meydana gelen çok küçük optik bozulmaları düzeltmesi gerekir.

Yer tabanlı deforme edilebilir aynalar test edildi ve en son teknolojiye sahip performans sunuyor ancak gelecekteki görevlerde kullanılacak uzay tabanlı DM’ler için daha fazla gelişmeye ihtiyaç var.

Şu anda uzay görevleri için iki ana DM aktüatör teknolojisi geliştirilmektedir: elektrostriktif teknoloji ve elektrostatik olarak zorlanan Mikro-Elektro Mekanik Sistemler (MEMS). Birincisinde, aktüatörler DM’lere mekanik olarak bağlanır ve gerilim uygulandığında aynanın yüzeyini değiştirmek üzere sözleşme yapar. İkincisi, bir elektrot ile ayna arasındaki elektrostatik kuvvet tarafından deforme edilen ayna yüzeylerinden oluşur.

Boston Micromachines Corporation (BMC) tarafından üretilen MEMS DM’ler ve AOA Xinetics (AOX) tarafından üretilen Electrostrictive DM’ler de dahil olmak üzere, NASA’nın sponsor olduğu çeşitli yüklenici ekipler DM teknolojisini geliştiriyor. Her iki BMC aynası da vakum koşullarında test edildi ve fırlatma titreşim testinden geçirildi; AOX aynaları da vakum testinden geçirildi ve uzay uçuşu için onaylandı.

Yer tabanlı DM’ler teknolojiyi doğrulamış olsa da (BMC’nin Gemini Gözlemevi’ndeki koronagraf cihazı gibi) gelecekteki uzay teleskopları için DM’ler geliştirmek üzere adımlar atılmalıdır.

Geleceğin gözlemevleri

NASA, Mayıs 2027’de Nancy Grace Roma Uzay Teleskobu’nda (RST) fırlatılacak bir kronograf teknolojisi göstericisiyle DM’lerin etkinliğini göstermeyi planlıyor.

Bu gösteriden öğrenilen dersler, Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi (HabEx) için daha da karmaşık bir sistemin oluşturulmasına yardımcı olacak. Önerilen bu NASA misyonu, güneş benzeri yıldızların etrafındaki gezegen sistemlerini doğrudan görüntüleyecek (2035 yılına kadar fırlatılması planlanıyor). HWO, her biri yüksek gerilim bağlantılarına dayanacak olan yaklaşık 10.000 aktüatöre sahip DM’lere ihtiyaç duyacaktır; bu da tasarım açısından büyük bir zorluk olacaktır.

HWO aynı zamanda tek haneli pikometrelere kadar benzeri görülmemiş dalga cephesi kontrol gereksinimlerini ve yaklaşık 22:00/saatlik bir stabiliteyi de içerecektir. Bu gereksinimler yalnızca DM teknolojisinin gelişimini değil, aynı zamanda çözünürlük ve kararlılığın büyük ölçüde kontrol cihazı tarafından gönderilen komut sinyallerinin kalitesine bağlı olması nedeniyle onları kontrol eden elektroniklerin gelişimini de yönlendirecektir. Bunun sağlanması, her türlü elektronik gürültüyü ortadan kaldıracak filtrelerin uygulanmasını gerektirir.

Bu çalışma, HWO’yu etkinleştirmek için DM performansını daha da ilerletmek amacıyla bir Teknoloji Yol Haritası hazırlayan NASA’nın Astrofizik Bölümü tarafından denetlenecek.