Van de ongeveer 5.500 exoplaneten die tot nu toe zijn ontdekt, zijn er veel gevonden die heel dicht bij hun moederster draaien. Deze dichtbijzijnde planeten bieden een unieke kans om in detail de fenomenen te observeren die cruciaal zijn voor de ontwikkeling en evolutie van ons eigen zonnestelsel, waaronder atmosferisch massaverlies en interacties met de gastheerster. NASA's Colorado Ultraviolet Transit Experiment (CUTE) missie, gelanceerd in september 2021, maakt gebruik van een nieuw ontwerp dat het voor het eerst mogelijk maakt om deze processen te onderzoeken met een klein ruimtevaartuig.
CUTE biedt unieke spectrale diagnostiek waarmee de ontsnappende atmosferen van nabije, ultrahete reuzenplaneten kunnen worden opgespoord. Bovendien maakt de speciale missiearchitectuur van CUTE de duur van het onderzoek mogelijk die nodig is om de atmosferische structuur en variabiliteit op deze werelden te karakteriseren. Atmosferische ontsnapping is een fundamenteel proces dat de structuur, samenstelling en evolutie van veel planeten beïnvloedt. Het heeft plaatsgevonden op alle aardse planeten in ons zonnestelsel en is waarschijnlijk de drijvende kracht achter de populatie van kortlevende planeten die door de Kepler-missie van NASA wordt gekenmerkt. Het ontsnappen van atmosferen kan uiteindelijk zelfs de bepalende factor zijn bij het voorspellen van de bewoonbaarheid van gematigde, aardse exoplaneten. Ontsnappingsatmosferen van exoplaneten werden voor het eerst waargenomen in de waterstof Lyman-alpha lijn (121nm) in 2003. Door de vervuiling met neutrale waterstof in zowel het interstellaire medium als de bovenste atmosfeer van de aarde is het echter een hele uitdaging om Lyman-alfa transitmetingen van hoge kwaliteit te doen voor de meeste exoplaneten. De nabije-ultraviolette (NUV; 250-350 nm) flux van een gastheerster is daarentegen twee tot drie orden van grootte hoger dan Lyman-alfa, en lichtkrommen van de overgang kunnen worden gemeten tegen een gladdere intensiteitsverdeling van het stellaire oppervlak.
Deze kennis motiveerde een team onder leiding van Dr. Kevin France van het University of Colorado Laboratory for Atmospheric and Space Physics om de CUTE-missie te ontwerpen. Het team stelde het CUTE-concept in februari 2016 voor aan NASA via het ROSES/Astrophysics Research and Analysis (APRA) programma en NASA financierde het project in juli 2017. Het CUTE-instrument is een pionier in het gebruik van twee technologieën op een kleine ruimtemissie: een nieuwe, rechthoekige Cassegrain-telescoop (20 cm × 8 cm primaire spiegel) en een miniatuurspectrograaf met lage resolutie die werkt van ongeveer 250 - 330 nm. De rechthoekige telescoop is gemaakt om het unieke instrumentvolume van de 6U CubeSat vormfactor aan te passen, een aanpassing die ongeveer drie keer het verzamelgebied levert van een traditionele telescoop met ronde opening. De compacte spectrograaf voldoet aan de spectrale resolutie-eisen van de missie en maakt gebruik van verkleinde componententechnologie die is overgenomen van de Hubble ruimtetelescoop.
Dit nieuwe instrumentontwerp stelt CUTE in staat om NUV te meten met dezelfde precisie als grotere missies, zelfs in de meer uitdagende thermische en puntomgeving die een CubeSat ervaart. Bovendien maakt de NUV-bandpass van het CUTE-instrument het mogelijk om ijzer- en magnesiumionen te meten van zeer uitgestrekte atmosferische lagen die niet toegankelijk zijn voor instrumenten op de grond. Het CUTE-wetenschapsinstrument is ingebouwd in een 6U Blue Canyon Technologies ruimtevaartuigbus die stroom, commando en dataverwerking, standregeling en communicatie levert. Dit CubeSat-platform stelt CUTE in staat om meerdere transits van een bepaalde planeet te observeren. Het spectrogram van het CUTE-instrument wordt opgenomen op een commerciële CCD (charge-coupled device) die geoptimaliseerd is voor UV-stralen. De gegevens worden aan boord verwerkt en doorgestuurd naar een grondstation aan de Universiteit van Colorado.
CUTE werd op 27 september 2021 gelanceerd als tweede lading van NASA's LANDSAT-9 missie in een zon-synchrone baan met een apogeum van 560 km. CUTE werd ongeveer twee uur na de lancering uitgeworpen uit de vrachtdispenser en ontplooide vervolgens zijn zonnepanelen. De signalen van het ruimtevaartuig werden tijdens de eerste omloop geïdentificeerd door de amateurradiogemeenschap en de volgende dag werd communicatie tot stand gebracht met het grondstation aan de Universiteit van Colorado. De inbedrijfstelling van het ruimteschip en het instrument in de omloopbaan werd in februari 2022 afgerond en sindsdien voert de missie wetenschappelijke activiteiten uit.
CUTE NUV lichtcurve van de ultrahete exoplaneet Jupiter WASP-189b. Deze lichtcurve is gemaakt op basis
van drie afzonderlijke transitbezoeken aan de planeet - Illustratie: Sreejith, et al
Vanaf februari 2024 is CUTE actief bezig met het verzamelen van wetenschappelijke en kalibratiegegevens en heeft het tussen de 6 en 11 transits van zeven verschillende exoplanetaire systemen waargenomen. De efficiëntie van de gegevensdownlink is de belangrijkste factor die het aantal waargenomen doelen in de loop van de missie beperkt. CUTE lichtkrommen en transit spectroscopie onthullen uitgebreide NUV atmosferen op sommige planeten (Fig 5) en potentiële tijdsvariabiliteit in de atmosferische transmissiespectra van andere planeten. Waarnemingen van de ultrahete exoplaneet Jupiter WASP-189b wijzen bijvoorbeeld op een zeer uitgebreide atmosfeer. Er wordt waargenomen dat magnesiumionen gravitationeel ongebonden zijn van de planeet, wat een bewijs is voor actieve ontsnapping van zware elementen in dit systeem.
CUTE demonstreerde met succes het gebruik van een niet-cirkelvormige telescoop en een miniatuur spectrograafontwerp voor kleine ruimtemissies, een benadering die vervolgens is overgenomen door verschillende NASA en internationale missieontwerpen, waaronder NASA's nieuwe Monitoring Activity from Nearby sTars with uv Imaging and Spectroscopy (MANTIS) missie. CUTE's demonstratie van sub-1% NUV-precisie heeft aangetoond dat de precisie die bereikt wordt door grote UV-astronomiemissies ook bereikt kan worden door een CubeSat. Daarnaast zijn de opleiding van studenten en het mentorschap van jonge carrières belangrijke ingrediënten geweest voor het succes van CUTE's missie. Tot nu toe hebben meer dan 20 beginnende studenten en professionals getraind en deelgenomen aan CUTE-activiteiten, variërend van wetenschap tot techniek tot operaties.
De kleine CUTE ruimtetelescoop wordt klaargemaakt voor zijn lancering - Foto: CUTE Team
Bron: NASA
