Космические телескопы «Планетный Мониторинг» и «Звездный Патруль» для исследования планет, малых тел Солнечной системы и экзопланет Space telescopes “Planetary Monitoring” and “Zvezdny (eng. Star) Patrol” to study planets and small bodies in Solar system and for exoplanets exploration A. Tavrov, A. Kiselev, P. Frolov, I. Shashkova, O. Korablev IKI -- Space Research Institute of Russian Academy of Science, Profsoyznaya st. 84/32, Moscow , Russian Federation S. Barabanov INASAN -- Institute of Astronomy of Russian Academy of Science, Pyatnitskaya st. 48, Moscow, Russian Federation tavrov@iki.rssi.ru В докладе. Outline • Космические телескопы для планетных и экзопланетных исследований. Orbital observatories for planetary science and exoplanets exploration “Planetary Monitoring” (2018), “Stellar Patrol” (2024) • Научные задачи. Science goals Научная аппаратура. Science instruments • Варианты размещения КНА «Планетный мониторинг» на РС МКС и на АК. Telescope deployment 1, 2 • Телескоп «Звездный Патруль», Научные задачи, Инструменты. Stellar Patrol telescope, Science & Instrumentation • Исследование экзопланет. Звездный коронограф. Exoplanets exploration. Stellar coronagraphy Космические телескопы «Планетный Мониторинг» и «Звездный Патруль» для исследования планет, малых тел Солнечной системы и экзопланет Orbital observatories for planetary science and exoplanets exploration. National projects initiated in Russian Federation… Let’s consider to make them international 1. Телескоп «Планетный Мониторинг» на РС МКС Planetary monitoring – orbital observatory with 600 mm telescope on the ISS PDR 2014-2016 Launch 2018 2. Телескоп «Звездный Патруль» Stellar Patrol – orbital observatory with 1.5 .. 2 m. telescope Construction 2016-2024 Launch 2024 Эксперимент «ПЛАНЕТНЫЙ МОНИТОРИНГ» МОНИТОРИНГ ПЕРЕМЕННЫХ ЯВЛЕНИЙ НА ПЛАНЕТАХ С БОРТА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ Подготовка КЭ: 2014..2016 гг., проведение с 2018 г. Эксперимент по наблюдению планет и малых тел Солнечной системы и технологической отработке наблюдения экзопланет 1. Planetary monitoring – orbital observatory with 600 mm telescope on the ISS PDR 2014-2016 Launch 2018 Научные задачи КЭ Планетный мониторинг. Science goals 1. Научные задачи по исследованию Венеры - распределение содержания водяного пара в полосах поглощения 0.94 и 1.38 мкм на уровне верхней границы облаков на дневной стороне Венеры; -мониторинг движения облаков Венеры в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектра; -- исследование распределения УФ контраста и УФ поглотителей в верхнем ярусе аэрозольной дымки Венеры в спектральном диапазоне 220-230 нм В конце 2014 года завершился КЭ «Венера Экспресс». 2. Научные задачи по исследованию Марса Несмотря на продолжающееся в течение почти два десятилетия непрерывное посещение Марса космическими аппаратами, астрономические наблюдения планеты позволяют обнаруживать переменные явления, недоступные орбитальным аппаратам, подобные высотным облакам 2012 г. Глобальный мониторинг атмосферных явлений на Марсе позволит сопоставить эти данные с наблюдениями космических аппаратов. - распределение содержания водяного пара в столбе атмосферы Марса по полосе поглощения 1.38 мкм; - распределение пылевого аэрозоля и ледяных облаков в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектра; - мониторинг свечения синглетного кислорода в полосе 1.27 мкм на дневной стороне Марса; - мониторинг содержания озона; Научные задачи КЭ Планетный мониторинг. Science goals 3. Научные задачи по исследованию планет-гигантов Постоянный мониторинг состояния облачного покрова и полос поглощения метана в атмосферах Юпитера и Сатурна будет способствовать развитию моделей общей циркуляции, позволит отслеживать изменения интенсивности конвекции в их тропосферах, статистику конвективных штормов и вихрей: - мониторинг синоптических явлений путем наблюдения вариаций облачного покрова в широком диапазоне спектра; - мониторинг грозовой активности и метеорных явлений в атмосферах планет-гигантов. 4. Научные задачи по исследованию спутников планет-гигантов Галилеевы спутники Юпитера и спутник Сатурна Титан являются традиционными объектами астрономических наблюдений. Активная тектоника ИО, предполагаемые криотектонические явления на Европе и чрезвычайно сложная климатическая система Титана представляют значительный интерес для мониторинга при помощи орбитальных обсерваторий, несмотря на ограниченные возможности такого мониторинга в силу малых угловых размеров этих небесных тел: -мониторинг тектонических явлений и выбросов вещества на Ио; - мониторинг измерений ледяного покрова и криотектонических явлений на Европе; -мониторинг метеорных явлений в атмосфере Титана; - мониторинг контрастов в верхнем слое дымки атмосферы Титана. Научные задачи КЭ Планетный мониторинг. Science goals 5. Научные и технологические задачи по наблюдению экзопданет Прогресс в развитии космической техники позволил не только вплотную подойти к изучению состава, строения и эволюции отдельных планет Солнечной системы, но и начать изучение внесолнечных планет (экзопланет от англ. extra-solar planets): - Точности кривых блеска при фотометрии известных транзитов экзопланет внеатмосферным телескопом могут быть существенно уточнены и возможен уточненный спектральный анализ. - Технологическая отработка получения изображений экзопланет ближайших звезд, оптически отфильтрованных от излучения родительской звезды будет произведена звездным ахроматическим коронографом. Transit method http://www.exoplanets.eu/ 1909 exoplanets Научная аппаратура. Science instruments 1. Планетный фотометр (ПФ) с предельно высокой разрешающей способностью (0,2 угл. с) в спектральном диапазоне 0,4-0,9 мкм в различных полосах пропускания, формируемых цветными (или интерференционными) и поляризационными фильтрами. 2. Камера поля УФ и видимого диапазона (УФКП) с набором светофильтров для спектроскопических исследований в диапазоне 250-400 нм. 3. Изображающий инфракрасный спектрометр высокого разрешения (ИКСВР) ближнего ИК в спектральном диапазоне 0,9-1,5 мкм, R~1000. 4. Ахроматический коронограф (АК) видимого диапазона 0,4-0,95 мкм предназначен для ослабления фонового излучения звезды для исследования окрестности звезды в дифракционно-ограниченном изображении с пространственным разрешением 0,2 угл. с для наблюдения экзопланет, звездных дисков, тесных кратных звезд, и т. д.. 5. Камера поля видимого диапазона (КП) с увеличенным скорректированным полем зрения (более 10 угл. мин) для поднаведения (повышения точности наведения) телескопа вторичным зеркалом телескопа. Вариант размещения КНА «Планетный мониторинг» на РС МКС. Deployment 1. Поле зрения Двухосная поворотная платформа Точность наведения 5..10 угл. мин Платформа поднаведения вторичным зеркалом (гексапод) 0.1 угл. с Вариант размещения КНА «Планетный мониторинг» на АК автономном космическом аппарате. Deployment 2 Точность наведения 5..10 угл. с ... легче достичь 0.1 угл. с Текущее состояние КЭ «Планетный мониторинг» Космический телескоп « «Звездный Патруль» для исследования экзопланет, планет, малых тел Солнечной системы (НИР-НИОКР) Stellar Patrol – extended project of 1.5 m. telescope -- an orbital observatory Preliminary parameters: • mass 500 kg • 1.5 meter primary mirror diameter telescope • non-axial Ritchie Chrétien optical scheme or other • wavelengths range: λ=0.25..3 µm • field of view: ( telescope ~ 2 arc. min, planetary ~ 1 arc. min, exoplanetary ~ 1 arc. sec Космический телескоп для исследования экзопланет и планет Солнечной системы Orbital telescope with stellar coronagraph • • • • Exoplanets imaging by nearest stars within a 5..10 pc. radius, Low spectral resolution analysis of exoplanets (color analysis) Exoplanet transit by the known RV-candidates Solar system planetary monitoring • Astrophysical targets • Solar System Planetology Habitable zone The companion appears clearly in the coronagraphic image Возможные оптические схемы телескопа «Звездный Патруль» Telescope 1.5 m diameter optical scheme Spider & central obscuration diffraction effects Churilovsky-Tul’eva D=1500 mm, Focus= 18 m, Box size=4000х2250 mm Abberation FOV, arcmin 0 0,05 1,0 1,5 0,05/ 0,05 0,06 0,09 Научные инструменты для исследования экзопланет. Science instruments for exoplanet imaging 1. Поляризационный интерференционный коронограф Polarization interfero-coronagraph Spectral range 250-2500 nm FOV, more then 5 arcsec Resolution per a pixel 0,01 arcsec Coronagraphic contrast 106 2. Коронограф с маской Vortex mask coronagraph Coronagraphic contrast 108 3. Изображающий спектрограф Integral Field Spectrograph (IFS) Spectral range 400-900 нм Spectral resolution R=20 FOV, more then 5 arcsec 4. Фурье спектрограф с переменным спектр. разрешением Imaging Fourier Specrograph with variable spectral resolution 5. Адаптивная оптика Adaptive optics 6. УФ спектрограф UV spectrograph Светлый выход Темный выход Планета Звезда и планета Платформа Platform candidate NAVIGATOR КА «Навигатор» Ok http://www.oact.inaf.it/wso/ wic-jun06/28_06/NV-platform-rus.ppt#3 • масса научной аппаратуры 500...1500 kg • guiding error ± 2 arcmin (rough) / ± 2.5 arcsec (stabilized) Up to now (9 Apr 2015) detected 1205 planetary systems / 1909 planets Transit method http://exoplanet.eu/catalog.php • Radial velocity 451 planetary systems, 599 planets • Transits: • Microlensing: • Direct Imaging: • Timing: 13 planetary systems, 18 planets Kepler 672 planetary systems, 1202 planets 32 planetary systems, 34 planets 49 planetary systems, 53 planets. Transit probability for Earth-like planet < 0.5 % How to study non transiting planets ??? Direct imaging Radial velocity method Ахроматический звездный коронограф Stellar achromatic coronagraph: λ=0.6..3 μm 6 7 9 8 5 10 Schematics 4 некоронографический "светлый" выход Светлый выход 16 11 2 3 1а Вход (фокус телескопа) 13 12 1 14 15 коронографический "темный" выход Темный выход на ИКСВР Polarization analysis Планета CAD & lab. experiment Звезда и планета Проекты НАСА сегодня TPF-C – coronagraph, TPF-E –external occulter, TPF-I – interferometer Two projects in Federal Cosmos Program regards exoplanets: 1.Planet Monitoring -- 0.6 m telescope on the ISS 2.Stellar Patrol – 1.5 m telescope PM z vs РКК «ЭНЕРГИЯ» ИМ. С.П. КОРОЛЁВА ФГУП ЦНИИМАШ How to observe an exoplanet to be separated from a stellar radiation? Star (background) 106-7 Planet (target) IR 108-9 Visible Sun 7.10 6 5.10 9 Earth Who is driver ? For an IR range, A single telescope for a visible light spectrum two or more telescopes to be combined in an interferometer Coronagraph … from sun to stellar Lyot coronagraph Puppil Focal mask Phase mask Clear aperture Apodization Lyot filter Пропускание FQPM Vortex mask C Aime, et al. Apodized apertures for solar coronagraphy // 2008 SPIE V 7014, P 701415 Principles of stellar coronagraphs Extreme wavefront correction OPD Delay lines Optical axis By resolution Size of telescope about 1 meter Estimation for coronagraphic contrast in SUBARU HICAO coronagraph by atmospheric turbulance compensation via AO system 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 0 5 10 15 20 /D 25 30 35 40 "Planet monitoring" - a telescope with a 60 cm primary mirror diameter with a diffraction resolution better than the 0.25 ‘’ in the optical range of the visible and near-infrared with photometric, spectral and polarimetric tools and platform guidance on board of the ISS outside sealed compartment. Telescope will observe planets and small bodies of the solar system and working out the process of observation of exoplanets. Characteristics of freelyer Mass ~ 180 kg Energy consumption 110 W Overall dimensions (mm) The width in the transport position ~ 710 The width in the working position ~ 1115 Transport height 1200 Working height 1750 Mission definition Observation and monitoring of the solar system planets and exoplanets. Deliver to the ISS Delivery is made by cargo container "Progress" Operation with the spacecraft on the RS ISS are produced by crew of station Calibration and launch checkout. Excretion apparatus on operational orbit Excretion is performed by using cargo container "Progress" by separating the unit from the cargo launch container. Working orbit ~ 500 km incl = 51,6 ° Instruments Planetary photometer, IR spectrometer with high resolution, achromatic coronagraph, spectropolirimeter, static Furiespectrometer or other determinate from tasks. UBAT Field of View (half coded) Range of wavelength From 0.001 sec till 60 sec From 200 to 900 nm Planetary monitoring telescope construction details: mass 100 kg, outer diameter 650 mm, length 2200/1200 mm Science instruments container Pointing error compensation by a low mass secondary mirror tilt on hexapod driver Platform pointing error ~ 10 arc. min Richey Cretion telescope with aberration analysis Wavefron quality ~λ/10 after tip/tilt compensation to 8’ Mirrors of T600 telescope Primary mirror Secondary mirror Precise wavefront correction 0 Прецизионная коррекция ВФ о Модуляция фазы 90о Изображение ВФ на выходе интерферометра ∆φ 2 Im < ∆φDM ∆φ 2 Еcorrected Еideal Re Рисуно ∆φ 1 1 Качество ВФ на входе: σΔϕ0, λ λ/100 λ/150 λ/200 λ/300 λ/400 λ/500 λ/600 Качество ВФ на выходе: σΔϕ2, λ gopt. 1,01 λ/1700 0,55 λ/2400 0,4 λ/3000 0,25 λ/4300 0,2 λ/5000 0,15 λ/6600 0,12 λ/8100 Eerror σΔϕ2, мрад. σA2, % 3,7 0,25 2,6 0,22 2,1 0,17 1,5 0,13 1,3 0,09 1,0 0,08 0,8 0,07 Рисун ок 1 а) ∆φ 2 Im < ∆φDM ∆φ 2 Еideal Еcorrected Re Е2 exp(iφDM) Е1 ∆φDM Е2 φDM Motivation: Currently, the modern engineering level of a mankind is developed enough to observe an Earh-like planet orbiting around a nearby star