Вклад Центра Эймса НАСА в миссию телескопа «Роман»

Космический телескоп «Нэнси Грейс Роман», запуск которого запланирован на воскресенье, 30 августа, позволит астрономам изучать обширные области космоса и отвечать на фундаментальные вопросы о темной энергии, темной материи, планетах за пределами Солнечной системы, а также о формировании и развитии галактик на протяжении космической истории. Ключевой вклад в миссию «Романа» внесли исследователи из Исследовательского центра Эймса НАСА в Кремниевой долине (Калифорния), которые используют мощности, опыт и инновации центра для продвижения научных целей телескопа.

Инструменты для прогнозирования и устранения бликов

Основная камера «Романа», широкоугольный инструмент (Wide Field Instrument), будет делать обширные снимки Вселенной в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах с высоким разрешением. Эти беспрецедентные изображения позволят астрономам разгадать глубочайшие тайны космоса.

Формы бликов, которые собирает камера «Романа», снижают качество изображений и, соответственно, ограничивают возможности астрономов по характеризации определенных космических структур. Инновационное программное обеспечение, разработанное командой Центра Эймса НАСА совместно с сотрудниками Космического летного центра Годдарда НАСА (Мэриленд) и IPAC/Caltech (Калифорния), улучшит изображения «Романа» и оптимизирует планы наблюдений. Это ПО, названное ROSALIA (Roman Sky Analyst for Low Surface Brightness Imaging and Astronomy – Анализатор неба «Романа» для съемки и астрономии с низкой поверхностной яркостью), предсказывает и удаляет нежелательный свет из астрономических изображений, полученных широкоугольным инструментом «Романа».

Загрязняющий рассеянный свет возникает, когда фотоны рассеиваются внутри оптической системы телескопа. Образующиеся световые блики могут создавать обманчивые артефакты на изображениях, имитирующие реальные планеты или туманности. Программное обеспечение ROSALIA позволит астрономам корректировать планы наблюдений, чтобы ограничить попадание бликов на научные объекты в изображениях «Романа».

Помимо ярких бликов, рассеянный свет может проявляться в виде диффузного фона. Эта форма рассеянного света мешает наблюдениям самых темных областей Вселенной, что критически важно для понимания того, как формировались крупные структуры в космосе.

Еще один значительный источник, затемняющий фоновый свет, создается самой природой: зодиакальный свет. Зодиакальное излучение происходит от рассеяния солнечного света частицами межпланетной пыли в нашей Солнечной системе. Программное обеспечение ROSALIA предсказывает и удаляет фоновые загрязнения, включая зодиакальный и рассеянный свет, с изображений, обнажая слабые, диффузные излучения на краях галактик, где скрыты истории космической эволюции.

Новая технология «многозвездности» для обнаружения экзопланет

Коронаграф «Романа» (Roman Coronagraph Instrument) — один из двух инструментов, установленных на телескопе «Роман». Он продемонстрирует самые передовые технологии, когда-либо использовавшиеся в космосе, для прямого получения изображений планет у других звезд. Коронаграф «Романа» использует ряд масок и зеркал, включая два деформируемых зеркала, для подавления звездного света. Точно контролируя форму деформируемых зеркал, он создает «темную зону» вокруг звезды, где наблюдатели могут видеть слабое отраженное свечение от вращающихся планет.

Базовый режим работы коронаграфа «Романа» поддерживает наблюдение экзопланет только в системах с одной звездой, поскольку современные коронографические инструменты, как правило, не могут подавлять дополнительный загрязняющий звездный свет в многозвездных системах, таких как двойные звездные системы.

Наша Солнечная система имеет одну звезду — Солнце. Однако примерно половина звезд, похожих на Солнце, находится в многозвездных системах. Возможность прямого получения изображений экзопланет в многозвездных системах повысит вероятность обнаружения жизни за пределами нашей Солнечной системы и расширит наши знания о том, как формируются и развиваются экзопланеты, поскольку существуют существенные различия в процессах, протекающих в однозвездных и многозвездных системах. Устранение перекрывающихся бликов от нескольких звезд является ключевой проблемой, которую необходимо решить для получения изображений планет в таких системах.

Исследователи из Центра Эймса НАСА решают эту проблему с помощью инновационной технологии под названием «Управление волновым фронтом для многозвездных систем» (Multi-Star Wavefront Control, MSWC). Эта технология включает в себя специальные маски, блокирующие свет, и сопутствующее программное обеспечение, разработанное для подавления света от нескольких звезд и обнаружения скрытых экзопланет. В рамках сотрудничества с Лабораторией реактивного движения НАСА (Южная Калифорния) маски MSWC включены в бортовой прибор коронаграфа «Романа» как дополнительная возможность, выходящая за рамки базовых режимов работы «Романа». Они могут быть использованы, если команде коронаграфа будет предоставлено дополнительное время для наблюдений после завершения основной фазы демонстрации технологий.

Ближайшая к нам звездная система, Альфа Центавра, является одной из ближайших многозвездных систем к Земле, находясь всего в четырех световых годах. Эта тройная звездная система содержит двойную систему звезд, похожих на Солнце — Альфа Центавра AB — вокруг которой вращается гораздо меньшая и более тусклая звезда — Проксима Центавра. Хотя экзопланет у звезд, похожих на Солнце, в этой системе пока не подтверждено, кандидатуру планеты в обитаемой зоне Альфа Центавра A идентифицировал космический телескоп «Джеймс Уэбб» НАСА. Исследователи, включая команду MSWC Центра Эймса, работают над разработкой возможностей, необходимых для наблюдения за этой системой.

Центр Эймса НАСА также осуществляет руководство и поддержку рабочей группы по аппаратному обеспечению в рамках Программы участия в коронаграфе «Романа». Эта программа позволяет международным командам исследователей создавать дополнительные возможности для коронаграфа «Романа», выходящие за рамки базовых режимов. Это включает в себя многозвездные режимы, разрабатываемые в Центре Эймса, которые используют различные маски, помимо базовых, или новые алгоритмы управления и детектирования волнового фронта.

Передовые суперкомпьютерные технологии

Эксперты из Отдела передовых суперкомпьютерных вычислений НАСА в Центре Эймса способствуют развитию научных исследований «Романа», привнося обширный опыт в области конвейеров данных и эксплуатации миссий, предоставляя консультации и руководство проекту «Романа» на ключевых этапах разработки миссии. Это обеспечивает надежную работу наземных систем и операций, что делает обработку научных данных эффективной, а качество и целостность получаемых научных продуктов — высоким.

Исследователи Отдела передовых суперкомпьютерных вычислений НАСА сотрудничали с командой MSWC Центра Эймса для разработки высокопроизводительных вычислительных инструментов для симуляций управления волновым фронтом в многозвездных системах и проведения исследований для оценки осуществимости техники MSWC.