Вклад NASA Ames в миссию телескопа Романа

Космический телескоп имени Нэнси Грейс Романа (Nancy Grace Roman Space Telescope), запуск которого запланирован на 30 августа, предоставит астрономам возможность исследовать обширные уголки космоса и ответить на важнейшие вопросы, касающиеся темной энергии, темной материи, планет за пределами Солнечной системы, а также формирования и эволюции галактик. Ключевой вклад в миссию Романа внесли исследователи из Исследовательского центра NASA Ames в Кремниевой долине, Калифорния, которые используют свои мощности, опыт и инновации для продвижения научных целей телескопа.

Инструменты для прогнозирования и устранения бликов

Основная камера Романа, широкоугольный инструмент (Wide Field Instrument), будет делать широкомасштабные снимки Вселенной в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах с высоким разрешением. Эти беспрецедентные изображения позволят астрономам разгадать некоторые из глубочайших тайн космоса.

Различные формы бликов, которые собирает камера Романа, снижают качество изображений и, следовательно, затрудняют характеристику определенных космических структур. Инновационное программное обеспечение, разработанное командой NASA Ames совместно с сотрудниками из Центра космических полетов имени Годдарда NASA и IPAC/Caltech, улучшит изображения Романа и оптимизирует планы наблюдений. Программа ROSALIA (Roman Sky Analyst for Low Surface Brightness Imaging and Astronomy) прогнозирует и удаляет нежелательный свет из астрономических изображений, полученных широкоугольным инструментом Романа.

Загрязняющий рассеянный свет возникает, когда фотоны рассеиваются внутри оптической системы телескопа. Образующиеся отблески могут создавать обманчивые артефакты на изображениях, имитируя вид реальных планет или туманностей. Программное обеспечение ROSALIA позволит астрономам корректировать планы наблюдений, чтобы ограничить попадание бликов на научные объекты на снимках Романа.

Помимо ярких бликов, рассеянный свет может проявляться как диффузный фон. Эта форма рассеянного света мешает наблюдениям самых темных областей Вселенной, что критически важно для понимания формирования крупномасштабных структур. Другим значительным источником, затемняющим фоновый свет, является сам космос: зодиакальный свет. Зодиакальное излучение возникает из-за рассеяния солнечного света частицами межпланетной пыли в нашей Солнечной системе. Программное обеспечение ROSALIA прогнозирует и устраняет фоновые загрязнения, включая зодиакальный свет и рассеянный свет, с изображений, выявляя тусклые, диффузные излучения по краям галактик, где скрыты истории космической эволюции.

Симулированное необработанное изображение, как его мог бы получить широкоугольный инструмент телескопа Романа, показывающее две взаимодействующие галактики.

Симулированное обработанное изображение — Симулированное изображение, как его мог бы получить широкоугольный инструмент телескопа Романа и затем обработать с помощью инструментов NASA Roman Sky Analyst for Low Surface Brightness Imaging and Astronomy для удаления бликов, показывающее две взаимодействующие галактики.

Новая технология «множественных звезд» для обнаружения экзопланет

Коронограф Романа (Roman Coronagraph Instrument) — один из двух приборов, установленных на телескопе. Он продемонстрирует самые передовые технологии, когда-либо использовавшиеся в космосе для прямого получения изображений планет у других звезд. Коронограф Романа использует набор 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 увидеть слабое отраженное излучение от вращающихся планет.

Основной рабочий режим коронографа Романа предназначен для наблюдения экзопланет только в одиночных звездных системах, поскольку современные коронографы обычно не способны подавлять дополнительный загрязняющий звездный свет в многозвездных системах, таких как двойные звездные системы.

Наша Солнечная система имеет одну звезду — Солнце. Но примерно половина звезд, подобных Солнцу, находятся в многозвездных системах. Возможность прямого получения изображений экзопланет в многозвездных системах увеличит вероятность обнаружения жизни за пределами нашей Солнечной системы и расширит наши знания о формировании и эволюции экзопланет, поскольку существуют существенные различия в том, как эти процессы протекают в одиночных и многозвездных системах. Устранение перекрывающихся бликов от нескольких звезд является ключевой проблемой, которую необходимо решить для получения изображений планет в таких системах.

Исследователи NASA Ames решают эту задачу с помощью инновационной технологии под названием Multi-Star Wavefront Control (MSWC). Эта технология включает в себя специальные светозащитные маски и сопутствующее программное обеспечение, предназначенное для подавления света от нескольких звезд и выявления скрытых экзопланет. В рамках сотрудничества с Лабораторией реактивного движения NASA (Jet Propulsion Laboratory) маски MSWC включены в состав полетного прибора Коронографа Романа как дополнительная возможность, выходящая за рамки базовых режимов работы Романа. Они могут быть использованы, если команде коронографа будет предоставлено дополнительное время наблюдения после завершения основного этапа 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 которых вращается гораздо меньшая и более тусклая звезда — Проксима Центавра. Хотя подтвержденных экзопланет у звезд, подобных Солнцу, в этой системе нет, кандидат в планеты был обнаружен космическим телескопом Джеймса Уэбба NASA в обитаемой зоне Альфа Центавра A. Исследователи, включая команду MSWC из Ames, работают над разработкой возможностей, необходимых для наблюдения за этой системой.

NASA Ames также осуществляет руководство и поддержку рабочей группы по аппаратному обеспечению в рамках программы участия в Коронографе Романа. Эта программа позволяет международным группам исследователей создавать дополнительные возможности для Коронографа Романа, выходящие за рамки его базовых режимов; это включает в себя многозвездные режимы, разрабатываемые в NASA Ames, которые используют различные маски, помимо базовых, или новые алгоритмы управления и зондирования волнового фронта.

Макеты коронографа — Крупный план четырех масок коронографа Романа. Маска в правом нижнем углу, имеющая форму шестилепесткового цветка, предназначена для подавления света от нескольких звезд и обнаружения скрытых экзопланет.

Передовые суперкомпьютерные технологии

Эксперты из Отдела передовых суперкомпьютеров NASA (Advanced Supercomputing Division) в Ames способствуют развитию научной деятельности Романа, используя обширный опыт в области конвейеров обработки данных и эксплуатации миссий, предоставляя консультации и рекомендации проекту Романа на ключевых этапах разработки миссии. Это обеспечивает надежную работу наземных систем и операций, эффективность обработки научных данных и высокое качество получаемых научных продуктов.

Исследователи NASA Advanced Supercomputing сотрудничали с командой Ames MSWC в разработке высокопроизводительных вычислительных инструментов для моделирования многозвездного управления волновым фронтом и проведения исследований для оценки целесообразности техники MSWC.