Telescopio Espacial HabEx

El Observatorio de Exoplanetas Habitables, o HabEx, ha sido diseñado para ser el Gran Observatorio de la década de 2030, un sucesor del Telescopio Espacial Hubble (HST) con capacidades mejoradas. HabEx es un telescopio espacial de 4 m de diámetro con capacidades en el rango ultravioleta, visible e infrarrojo cercano y capacidades espectroscópicas, que reemplazan y mejoran las perdidas al final de la vida útil del HST. Durante su misión principal de 5 años, HabEx tiene los siguientes 3 objetivos:

HabEx buscará mundos cercanos y explorará su habitabilidad. La imagen directa basada capturada desde el espacio exterior para evitar los efectos borrosos de nuestra atmósfera, es la única forma de descubrir y estudiar candidatos a exo-Tierras (EEC) en luz reflejada, ultravioleta, visible e infrarroja cercana en sistemas estelares similares al Sol, (tipo F, G y K). Con capacidades incomparables de imágenes directas de alto contraste, HabEx caracterizará espectralmente docenas de mundos rocosos, incluida la validación (obtención de órbitas y espectros de 300 a 1000 nm) alrededor de 8 exo Tierras. También detectará y caracterizará más de 100 planetas más grandes alrededor de estrellas maduras. Con alrededor de 6 visitas a cada sistema, utilizando el coronógrafo, HabEx medirá las órbitas de las exo Tierras con gran precisión tanto en el eje semi-mayor como en la inclinación, y determinará la excentricidad, lo que permitirá determinar de si la exo Tierra reside o no en la zona habitable teórica (HZ). HabEx será sensible a la dispersión de Rayleigh, del vapor de agua (H2O), oxígeno molecular (O2) y ozono (O3). Detectará los 3 gases hasta niveles tan bajos como 1% de los niveles modernos de la Tierra. Además, HabEx detectará otros gases atmosféricos para el contexto, como el metano y el dióxido de carbono, determinando si tienen concentraciones más altas que la Tierra moderna. Para nuestros vecinos más cercanos, HabEx también buscará evidencia de océanos de agua líquida superficial en candidatos a exo Tierra mediante la búsqueda de reflejo especular o destello. Para establecer los requisitos necesarios para cumplir con el primer objetivo de HabEx de buscar mundos cercanos y explorar la habitabilidad.

HabEx trazará un mapa de los sistemas planetarios cercanos y comprenderá la diversidad de los mundos que contienen. Con observaciones de alto contraste de 12 × 12 arc sec2 (equivalente a 36 × 36 AU2 a una distancia de 3 pc) usando la sombra estelar, HabEx será el primer observatorio capaz de proporcionar “retratos familiares” casi completos de nuestros vecinos más cercanos. HabEx caracterizará sistemas planetarios individuales completos, incluyendo exoplanetas análogos a la Tierra, Saturno y Júpiter, y análogos a los cinturones de Kuiper. Para muchos de estos planetas, HabEx no solo obtendrá espectros de banda ancha de múltiples épocas de 300 a 1000 nm (y en algunos casos de 200 a 1800 nm), sino que para aquellos con períodos de <10 años, HabEx también determinará los parámetros orbitales. con una precisión típica de menor al 5% en la inclinación, 25% en el eje semi-mayor, y medir la excentricidad con una incertidumbre de 0.1. También se espera que HabEx encuentre y caracterice espectralmente una diversidad de sistemas planetarios que se parecen poco a nuestro sistema, incluidos aquellos con mundos que no tienen análogos en nuestro sistema solar, pero que se sabe que son comunes en otros sistemas planetarios, incluidas las súper-Tierras y sub-Neptunes. En general, dado que los requisitos de HabEx están establecidos por la caracterización de las exo Tierras, los espectros de todos los planetas que son más brillantes que una exo Tierra tendrán una relación señal / ruido mucho mayor. Los descubrimientos de los sistemas planetarios cercanos proporcionarán arquitecturas detalladas, que abordarán temas abiertos que van desde la formación del sistema planetario, la migración planetaria y el papel de los gigantes gaseosos en el suministro de agua a los mundos rocosos del sistema interno. HabEx probará teorías sobre la diversidad planetaria, investigará las interacciones planeta-disco y colocará nuestro sistema solar en un contexto detallado por primera vez.

HabEx permitirá nuevas exploraciones de sistemas astrofísicos desde nuestro propio sistema solar, las galaxias y el universo al extender nuestro alcance en el espectro ultravioleta, visible e infrarrojo cercano.
HabEx será el Gran Observatorio de la NASA en la década de 2030. Observando con una gran apertura desde el espacio en una época en la que ni el Telescopio Espacial Hubble (HST) ni el Telescopio Espacial James Webb (JWST) están operativos, HabEx proporcionará las imágenes de mayor resolución obtenidas en las longitudes de onda ultravioleta y visible. HabEx también proporcionará una plataforma ultra estable y acceso a longitudes de onda inaccesibles desde el suelo. Estas capacidades permiten un amplio conjunto de estudios científicos que incluyen temas tan diversos como el ciclo de vida de los bariones, las fuentes del fondo de ionización metagaláctico, los orígenes de los elementos de las primeras generaciones de estrellas y supernovas, la tasa de expansión local del universo, modelos de materia oscura, la formación de cúmulos globulares galácticos, las atmósferas de los exoplanetas en tránsito mediante espectroscopía de tránsito, interacciones entre el Sol y los planetas gigantes de nuestro sistema solar y la estructura de los discos de transición protoplanetarios.

El diseño del Observatorio HabEx utiliza un telescopio monolítico de 4 m de diámetro fuera del eje, y una pantalla estelar en forma de flor de 52 m, ambos sitiados en el segundo punto de Lagrange Tierra-Sol L2

La distancia nominal entre la nave espacial y la sombra estelar es de aproximadamente 76,600 km, pero la sombra estelar se puede acercar o alejar del telescopio para aumentar el rango de longitudes de onda cubiertas por el telescopio.

HabEx tiene dos sistemas de supresión de luz estelar: un coronógrafo y una pantalla estelar, cada uno con sus propios instrumentos dedicados para imágenes directas y espectroscopía de exoplanetas. HabEx también tiene dos instrumentos de uso general: un espectrógrafo de imagen ultravioleta y un espectrógrafo de imagen que va desde el rango visible al infrarrojo cercano.

El coronógrafo es ágil, reside en el interior del telescopio, lo que permite relevamientos eficientes en varias épocas de múltiples estrellas objetivo para identificar nuevos exoplanetas y también medir sus órbitas. Sin embargo, el coronógrafo tiene un campo de visión anular angosto de alto contraste (FOV) con un pasabanda de espectroscopia limitado al 20%, lo que implica que la obtención de espectros de banda ancha de exoplanetas detectados es generalmente costosa en tiempo, ya que las observaciones deben tomarse en serie.
En comparación con el coronógrafo, la pantalla estelar proporciona un FOV más amplio y una cobertura de longitud de onda instantánea más amplia. Sin embargo, tiene un límite de combustible debido a la distancia y el empuje necesarios para transitar la pantalla entre las estrellas objetivo. Estos movimientos pueden demorar hasta dos semanas y solo tiene suficiente combustible para aproximadamente 100 movimientos.
Es importante destacar que este enfoque híbrido (coronagrafía más pantalla estelar) para la detección y caracterización directa de exoplanetas es una combinación poderosa, que aprovecha las fortalezas complementarias de cada instrumento y aumenta significativamente los rendimientos resultantes de planetas bien caracterizados que tienen espectros de banda ancha de alta calidad y órbitas

Instrumentos

Coronógrafo (HCG): suprime la luz de las estrellas dentro del telescopio para revelar la luz de los exoplanetas próximos. HabEx utiliza un coronógrafo de vórtice de vectores debido a su alta resistencia a las aberraciones comunes de frente de onda de bajo orden, lo que se traduce en requisitos de estabilidad térmica y mecánica significativamente menos estrictos que otros diseños de coronografía. El coronógrafo tiene un ángulo de trabajo interno de 62 mas (mili segundos angulares) (IWA0.5, un proxy razonable para la separación mínima de exoplanetas detectable de su estrella) e incluye un canal azul con una cámara y un espectrógrafo de campo integral (IFS) que cubre 450 a 670 nm, un canal rojo con una cámara e IFS que cubre 670 a 1000 nm, y un espectrógrafo de imágenes IR que cubre 975 a 1800 nm.

Sombra estelar (SSI): bloquea la luz estelar antes de que ingrese al telescopio, lo que permite observar la luz de un exoplaneta fuera del eje. La sombra estelar HabEx de 52 m de diámetro volará en formación con el telescopio a una separación nominal de 76,600 km. Las ventajas de la sombra estelar incluyen un pequeño IWA0.5 de alto rendimiento, con un ángulo de trabajo externo (OWA) limitado solo por el FOV del instrumento y un ancho de banda ultra amplio disponible para espectroscopía de alto contraste. La pantalla estelar HabEx tiene una IWA0.5 de 58 mas a 1000 nm y una OWA de 6 segundos de ángulo para imágenes de banda ancha, y ofrece supresión de luz estelar lo suficientemente profunda para espectroscopía en un ancho de banda instantáneo de 300 a 1000 nm. La sombra estelar también puede funcionar a dos separaciones adicionales del telescopio. Con una separación mayor de 114,910 km, cubre longitudes de onda más azules a 200 a 670 nm con una constante IWA0.5 de 39 mas, brindando un acceso único a las características de ozono profundo esperadas en atmósferas similares a la Tierra. Con una separación menor de 42,580 km, cubre longitudes de onda más rojas a 540 a 1800 nm con un IWA0.5 de 104 mas a 1800 nm, lo que permite la sensibilidad a múltiples características de vapor de agua. El SSI tiene tres canales: un canal casi UV / azul que cubre 200 a 450 nm con grismo, un canal visible que cubre 450 a 975 nm con un IFS y una cámara, y un canal de IR cercano que cubre 975 a 1800 nm con un IFS y una cámara.

Espectrógrafo/cámara UV (UVS): cubre 115 a 320 nm con un FOV de 3 × 3 min2 de ángulo y múltiples configuraciones espectroscópicas de hasta 60,000 resoluciones. Además, un conjunto de rejillas contiene un espejo para proporcionar capacidad de imagen. El UVS tiene más de 10 veces el área efectiva del Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos (COS) del HST (Hubble) de aproximadamente 150 a 300 nm. El UVS no solo proporciona una resolución angular mejorada y un rendimiento relativo al HST, sino que también incluye una matriz de microshutter, lo que permite la espectroscopía de hendidura UV multiplexada por primera vez en el espacio. Junto con la capacidad de multiplexación, el UVS será significativamente más capaz que el COS en la mayoría del rango del UVS (115 a 320 nm).

HabEx Workhorse Camera (HWC) y espectrógrafo: es un espectrógrafo de hendidura multi-objeto de imágenes con dos canales que cubren longitudes de onda desde el visible hasta el IR cercano y una resolución espectral de 1,000. El canal visible cubre 370 a 950 nm y el canal IR cercano cubre 950 a 1800 nm. El HWC, con su FOV de 3 x 3 min2 angulares y una resolución más alta proporcionará capacidades similares, pero significativamente más sensibles que la cámara de campo amplio 3 (WFC3) de HST o la Cámara avanzada para encuestas (ACS). Tanto el UVS como el HWC pueden usarse en paralelo con los instrumentos HCG y SSI, así como en paralelo entre sí.

2 variantes adicionales de 3,2 m y 2,4 m se han considerado combinados con la alternativa de solo usar coronógrafo (C), solo sombra estelar (S) o ambos (H). La siguiente tabla muestra como se verán afectadas las capacidades en cada variante.

https://www.jpl.nasa.gov/habex/