Вклад NASA Ames в миссию телескопа Романа

Космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на 30 августа, предоставит астрономам возможность исследовать обширные области космоса и ответить на ключевые вопросы о темной энергии, темной материи, планетах за пределами нашей Солнечной системы, а также о формировании и росте галактик на протяжении космической истории. Важный вклад в миссию Романа внесли исследователи из Исследовательского центра NASA Ames в Кремниевой долине (Калифорния), используя мощности, опыт и инновации центра для продвижения научных целей телескопа.

Инструменты для прогнозирования и устранения бликов

Основная камера Романа — широкоугольный инструмент — будет делать обширные высокодетализированные снимки Вселенной в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах. Эти беспрецедентные изображения позволят астрономам разгадать некоторые из самых глубоких тайн космоса.

Виды бликов, которые собирает камера Романа, снижают качество изображений и, следовательно, ограничивают возможности астрономов в характеристике определенных космических структур. Инновационное программное обеспечение, разработанное командой NASA Ames совместно с коллегами из Центра космических полетов имени Годдарда NASA (Гринбелт, Мэриленд) и IPAC/Caltech (Пасадена, Калифорния), улучшит изображения Романа и оптимизирует планы наблюдений. Программа, получившая название 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. Результирующие световые блики могут создавать обманчивые артефакты изображения, имитирующие внешний вид реальных планет или туманностей. Программное обеспечение ROSALIA позволит астрономам корректировать свои планы наблюдений, чтобы ограничить влияние бликов на целевые объекты в изображениях Романа.

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

Еще одним основным источником, затемняющим фоновый свет, является сам космос: зодиакальный свет. Зодиакальное излучение происходит от рассеяния солнечного света частицами межпланетной пыли в нашей Солнечной системе. Программное обеспечение ROSALIA прогнозирует и удаляет фоновое загрязнение, включая зодиакальный свет и рассеянный свет, из изображений, обнажая слабые, диффузные излучения на краях галактик, где скрыты истории космической эволюции.

Симуляция, необработанное изображение

Симуляция, обработанное изображение

Симуляция, необработанное изображениеСимуляция, обработанное изображение

Симуляция, необработанное изображение

Симуляция, обработанное изображение

ДО И ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ

Симуляция вида с широкоугольного инструмента Романа

ЗанавесПереключатель2-х частный

Детали изображения

Слева: Симуляция необработанного изображения, как оно было бы получено широкоугольным инструментом космического телескопа Романа, показывающая две взаимодействующие галактики. Справа: Симуляция того же вида после поэтапной обработки с использованием инструментов NASA Roman Sky Analyst for Low Surface Brightness Imaging and Astronomy (ROSALIA) для удаления четырех типов бликов: зодиакальный свет, тепловой фон, рассеянный свет и звездное излучение. В результате получены более четкие и детализированные изображения, позволяющие лучше рассмотреть галактики. Автор изображения: NASA/Borlaff, Sanchez-Alarcon, Nickerson, Marcum and ROSALIA team/STScI/FIRE/DREAM.

Новая технология «множественных звезд» для обнаружения экзопланет

Коронагораф Романа — один из двух инструментов, установленных на борту телескопа. Он продемонстрирует самые передовые технологии, когда-либо использованные в космосе для прямого получения изображений планет у других звезд. Коронагораф 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 свечение от орбитальных планет.

Основной режим работы коронаграфа Романа поддерживает наблюдение экзопланет только в системах с одной звездой, поскольку существующие коронаграфические инструменты обычно не могут подавить дополнительное загрязняющее звездное излучение в многозвездных системах, таких как двойные системы.

Наша Солнечная система имеет одну звезду — Солнце. Но примерно половина звезд, подобных Солнцу, 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 экзопланеты формируются и развиваются, поскольку существуют существенные различия в том, как эти процессы протекают в однозвездных и многозвездных системах. Устранение перекрывающихся бликов от множества 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) — управление волновым фронтом в многозвездных системах. Эта технология включает в себя специальные светоподавляющие маски и сопутствующее программное обеспечение, предназначенное для подавления света от нескольких звезд и обнаружения скрытых экзопланет. В рамках сотрудничества с Лабораторией реактивного движения NASA (Южная Калифорния) маски MSWC включены в бортовой прибор коронаграфа Романа как дополнительная функция, выходящая за рамки базовых режимов наблюдений Романа. Они могут быть использованы, если команде коронаграфа будет предоставлено дополнительное время для наблюдений после завершения основного этапа демонстрации технологий.

Ближайшая к нашей Солнечной системе 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, подобных Солнцу — Альфа Центавра AB — вокруг которой вращается гораздо меньшая и более тусклая звезда — Проксима Центавра. Хотя подтвержденных экзопланет вокруг звезд, подобных Солнцу, в этой системе нет, космический телескоп Джеймса Уэбба NASA идентифицировал кандидата в планеты в обитаемой зоне Альфа Центавра A. Исследователи, в том числе команда Ames MSWC, работают над разработкой возможностей, необходимых для наблюдения за этой системой.

NASA Ames также руководит и оказывает поддержку рабочей группе по аппаратному обеспечению в рамках Программы участия в коронаграфе Романа. Эта программа позволяет международным командам исследователей добавлять возможности к коронаграфу Романа, выходящие за рамки его базовых режимов; это включает многозвездные режимы, разрабатываемые в NASA Ames, которые используют различные маски, помимо базовых, или новые алгоритмы управления и зондирования волновым фронтом.

Передовые суперкомпьютерные технологии

Эксперты из отдела передовых суперкомпьютерных технологий NASA Ames способствуют развитию научных исследований Романа, используя обширный опыт в области конвейеров данных и эксплуатации миссий для предоставления консультаций и рекомендаций проекту Романа на ключевых этапах его разработки. Это обеспечивает надежную работу наземных систем и операций, эффективную обработку научных данных и высокое качество и целостность получаемых научных продуктов.

Исследователи NASA Advanced Supercomputing сотрудничали с командой Ames MSWC в разработке высокопроизводительных вычислительных инструментов для симуляций управления волновым фронтом в многозвездных системах и проведения исследований для оценки осуществимости метода MSWC.