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TESS
Riepilogo

Il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) è una missione di Esplorazione Astrofisica sponsorizzata dalla NASA che sta eseguendo un'osservazione di 2 anni alla ricerca di pianeti che transitano nelle stelle vicine. L'obiettivo principale di TESS è di scoprire pianeti più piccoli rispetto alle dimensioni di Nettuno le cui stelle, attorno alle quali transitano, siano abbastanza luminose da consentire osservazioni spettroscopiche in grado di fornire masse planetarie e composizioni atmosferiche.
TESS è stato lanciato il 18 aprile 2018 e dopo una serie di manovre è stato posizionato in un'orbita di 13,7 giorni estremamente ellittica attorno alla Terra. TESS ha avviato regolari operazioni scientifiche il 25 luglio 2018. Nella sua missione principale della durata di 2 anni TESS monitorerà circa 200.000 stelle nane della Sequenza principale con quattro telecamere CCD ottiche ad ampio campo per rilevare cadute periodiche di luminosità causate dai transiti planetari. La fotometria di questi target pre-selezionati verrà registrata ogni 2 minuti. TESS otterrà inoltre immagini a pieno formato (FFI) dell'intero campo visivo di quattro telecamere (24 x 96 gradi) con una cadenza di 30 minuti per facilitare le ulteriori investigazioni scientifiche.

Da Kepler a TESS
La missione Kepler della NASA è stata, dal 2009 al 2013, un'indagine progettata per determinare la presenza di pianeti di dimensioni terrestri in transito attorno ad altre stelle. Keplero ha rivelato migliaia di esopianeti in orbita in un campo visivo di 115 gradi quadrati che copriva circa lo 0,25% del cielo. Kepler è stato rivoluzionario nella sue scoperte stabilendo che i pianeti di dimensioni simili alla Terra o a Nettuno sono comuni ma la maggior parte delle stelle giace a distanze di centinaia di migliaia di parsec, rendendo difficile ottenere osservazioni successive da Terra per molti sistemi.
La missione TESS è progettata per ispezionare oltre l'85% del cielo (un'area di cielo 400 volte più grande di quella coperta da Kepler) per cercare pianeti attorno a stelle vicine (entro i 200 parsec). Le stelle TESS saranno in genere 30-100 volte più luminose di quelle rilevate dal satellite Kepler. I pianeti rilevati attorno a queste stelle saranno quindi molto più facili da caratterizzare con le osservazioni successive, risultanti in misure raffinate di masse, dimensioni, densità e proprietà atmosferiche del pianeta.
Lancio e orbita
TESS è stato lanciato con successo il 18 aprile 2018 da Cape Canaveral Air Force Station a bordo di un razzo SpaceX Falcon 9.
Il Falcon 9 è un razzo a 2 stadi, ossigeno liquido e kerosene. Il primo stadio è riutilizzabile e ha 9 motori Merlin 1D, il secondo stadio ha un solo motore Merlin. Il sistema è progettato per il trasporto sicuro ed efficiente di satelliti, merci e, infine, equipaggio, in orbita bassa. TESS è stata la prima missione satellitare della NASA ad essere lanciata nell'ambito di un contratto con SpaceX.
TESS effettua le osservazioni da un'unica orbita altamente ellittica (HEO) che fornisce una visuale non ostruita del suo campo per ottenere curve di luce continue e una maggior stabilità per una fotometria più precisa rispetto alla bassa orbita terrestre. Il lancio ha portato l'osservatorio all'orbita di parcheggio inclinata di 28,5 gradi. L'alta orbita terrestre è stata ottenuta attraverso una serie di accensioni del sistema di propulsione e di un sorvolo lunare. Due accensioni hanno innalzato l'apogeo orbitale a 400.000 km, uno al perigeo della prima orbita di fase e un altro al perigeo della seconda orbita di fase. Un altro piccolo aggiustamento è stato fatto prima che una fionda gravitazionale con la Luna aumentasse l'inclinazione dell'eclittica a 40 gradi. L'apogeo finale e il periodo orbitale di 13,7 giorni sono stati raggiunti attraverso una manovra di aggiustamento del periodo finale dopo il sorvolo lunare. L'orbita finale è stata raggiunta circa 60 giorni dopo il lancio e le operazioni scientifiche regolari sono iniziate il 25 luglio 2018.
Campo Visivo
TESS è dotato di quattro telecamere CCD dotate di campo visivo adiacente per produrre un array 4x1, o "settore di osservazione", che offre un campo visivo combinato di 96x24 gradi.
Nel corso della sua prima missione di 2 anni, TESS raccoglierà misurazioni di luminosità di circa 200.000 stelle preselezionate (denominate "francobolli") ogni 2 minuti e immagini a pieno campo (FFI) con cadenza di 30 minuti. Le telecamere TESS hanno un tempo di esposizione di 2 secondi e le immagini sono stivate con cadenza ogni 2 o 30 minuti a bordo del veicolo spaziale di essere compresse e memorizzate in un disco a stato solido. Ogni settore è osservato per due orbite, ognuna delle quali produce oltre 10.000 francobolli e oltre 600 FFI.
TESS esaminerà oltre l'85% del cielo osservando 26 singoli settori nella sua missione principale di 2 anni, 13 nell'emisfero meridionale e 13 nell'emisfero settentrionale. Ogni emisfero sarà osservato per 1 anno ciascuno iniziando a Sud nel luglio 2018. Ogni settore sarà osservato per due orbite (27,4 giorni in totale) e, una volta completato, TESS si riorienterà verso il settore successivo verso est fino a quando l'emisfero sarà composto da 13 settori.
All'interno di ciascun settore di 96x24 gradi, TESS osserverà 15.000 stelle target su una cadenza di 2 minuti e raccoglierà immagini a pieno formato con cadenza di 30 minuti. I settori hanno latitudini eclittiche da 6 gradi al polo eclittico con sovrapposizione crescente a latitudini più elevate.

Ci saranno oltre 350 giorni di copertura nella zona di osservazione continua (CVZ) ai poli eclittici, che corrispondono alla regione accessibile dal nuovo telescopio spaziale James Webb della NASA.
I periodi orbitali a cui TESS è sensibile dipendono dalla frazione di sovrapposizione tra i settori basati dalla latitudine dell'eclittica. Se è più vicino all'eclittica, un campo avrà al massimo 27 giorni di copertura, perciò i periodi orbitali del pianeta dovranno essere più brevi di questa durata. A latitudini più elevate, la sovrapposizione dei settori consentirà 351 giorni di copertura all'anno.

Specifiche Tecniche

L'osservatorio TESS è costituito dalla navicella spaziale e dal carico scientifico. Il carico di TESS è composto da un unico strumento, una suite di telecamere composta da 4 ampie telecamere ottiche e relativi cappucci, montatura, protezione solare e unità di gestione dati (DHU). Il carico utile è abbinato al veicolo spaziale, un bus satellitare Orbital Sciences LEOStar-2/750. L'astronave fornisce energia (tramite due pannelli solari estestendibili), controllo di assetto, memorizzazione dei dati e comunicazioni/trasmissione.
Le telecamere sono montate su un bus Orbital LEOStar-2/750. La potenza del veicolo spaziale TESS è fornita da due ali schierate ad energia solare che sono in grado di fornire 415 W di potenza totale. Il requisito stimato dell'osservatorio è di 290 W. Il bus è dotato di un trasmettitore in banda Ka accoppiato ad un'antenna ad alto guadagno fissa di corpo da 0,7 m. Il trasmettitore funziona su 2 W di potenza e trasferisce i dati ad una velocità di 100 Mb/s, sufficiente per trasferire dati scientifici a intervalli di 4 ore ogni perigeo. L'assetto del veicolo spaziale è controllato attraverso un sistema di controllo dell'assetto a momento zero con un sistema di propulsione monopropellente a idrazina. L'osservazione si ottiene attraverso quattro ruote di reazione di alta precisione presenti nelle telecamere scientifiche.

Le Telecamere di TESS
TESS è dotato di quattro fotocamere rifrattive identiche con un campo visivo (FOV) combinato di 24x96 gradi (noto come settore osservativo). Una panoramica della copertura del FOV e della strategia di osservazione per la missione è disponibile nella pagina delle operazioni. Ogni telecamera è costituita da un gruppo rivelatore CCD, un gruppo ottico e un paraluce.

Composizione delle Lenti
Il gruppo ottico ospita sette obiettivi montati in due barili di alluminio separati che sono fissati insieme. Il gruppo ottico ha una pupilla d'ingresso di 10,5 cm di diametro e un rapporto focale 1,4. Tutti gli elementi ottici hanno rivestimenti antiriflesso e un elemento ha un rivestimento filtrante a passaggio lungo per forzare un taglio a lunghezza d'onda corta a 600 nm nel passa banda TESS. Ogni camera forma un'immagine non vignetta 24x24 sul rilevatore nel suo piano focale. I gruppi di lenti sono stati progettati per ottenere dimensioni di immagine coerenti attraverso il campo visivo (FOV) e per produrre immagini sottocampionate simili a Kepler. Operando a fuoco nominale e con una temperatura di volo di -75 gradi C, la metà della larghezza di energia del 50% di energia è pari a 15 micron in media sul FOV. Questo corrisponde a 1 pixel del rivelatore o 21 secondi d'arco (circa 0,35 arcmin) in cielo. Insieme a un diaframma interno a luce parassita, ciascuna apertura dell'assieme obiettivo è dotata di un paraluce per ridurre la luce diffusa dalla Terra e dalla Luna.

Rivelatore CCD
Il gruppo rivelatore di ciascuna telecamera è costituito da un array CCD sul piano focale e dall'elettronica associata. Ogni array CCD contiene quattro dispositivi CCID-80 del laboratorio retroilluminato MIT / Lincoln. I CCD a decadimento profondo e frame-transfer sono costituiti da un array di immagini 2048 x 2048 e da una regione del frame-store 2048 x 2048 (per una lettura rapida senza shutter di 4 ms) con 15 x 15 micron pixel. I quattro CCD di ciascun array sono separati da 2 mm e creano un efficace rilevatore da 4096 x 4096 pixel che viene utilizzato a -75 gradi C per ridurre la corrente scura. I rilevatori vengono letti a 625 kHz con <10 e-read noise. L'elettronica del rilevatore è costituita da due schede a circuito stampato compatte a doppia faccia poste al di sotto del piano focale CCD. L'elettronica trasmette dati digitalizzati su un collegamento LVDS seriale all'unità di gestione dati. Le quattro telecamere TESS sono imbullonate su una piastra comune in modo tale che i loro FOV siano allineati per formare un FOV simultaneo totale di 24x96 gradi.

Unità di gestione dati
L'unità di gestione dati TESS (DHU) fornisce hardware, software e firmware per il controllo della telecamera, l'elaborazione dei dati a bordo, l'archiviazione dei dati, l'avionica dei veicoli spaziali e le comunicazioni a terra. La DHU è prodotta da SEAKR Engineering, Inc. e consiste in un computer Single Board Athena-3, un modulo RCC5, un registratore a stato solido (SSR) FMC-Gen3 da 192 gigabyte, un alimentatore a bassa tensione e altri componenti ausiliari. Durante le operazioni scientifiche, le quattro telecamere TESS producono un flusso continuo di immagini con un tempo di esposizione di 2 s. Il DHU esegue l'elaborazione in tempo reale su questi dati per convertire le immagini CCD non elaborate in prodotti di dati responsabili della postelaborazione del terreno. Ciò include la mitigazione dei raggi cosmici e la raccolta di sotto-array di pixel per obiettivi di cadenza di 2 minuti e pile di immagini per gli FFI da 30 minuti. La DHU calcola anche i centroidi fotometrici da circa 200 stelle guida fotometriche da ciascuna immagine 2 s da ciascuna telecamera. Questi dati vengono utilizzati per calcolare i quaternioni di offset per il controllo del puntamento di precisione da parte dell'unità Master Avionics (MAU). Anche il downlink dei dati tramite l'antenna della banda Ka è controllato dal DHU. I dati memorizzati sull'SSR sono disconnessi ogni 13,7 giorni in orbita perigeo.

Banda Passante
TESS osserverà un gran numero di nane M per diversi motivi. I pianeti sono più facili da individuare attorno a queste piccole stelle (i pianeti inducono segnali di transito più grandi). La maggior parte delle stelle vicine sono M nane. Poiché le nane M sono fredde e rosse, il passa-banda TESS sarà più sensibile alle lunghezze d'onda rosse.
La banda passante del rivelatore TESS si estende da 600 a 1000 nm ed è centrata sulla tradizionale I-band dei Cugini (I_C, lunghezza d'onda centrale = 786,5 nm). Questa larga banda passante rosso-ottica è preferibile per ridurre il rumore di conteggio dei fotoni e aumentare la sensibilità ai piccoli pianeti che transitano stelle rosse e fredde. La lunga lunghezza d'onda rappresenta il limite rosso dei rivelatori CCD ed è impostata dalla loro efficienza quantica.
La fine della lunghezza d'onda corta è impostata da un rivestimento del filtro passa-alto su uno degli obiettivi della fotocamera. Al contrario di Kepler, la banda passante di TESS è relativamente ampia ma copre lunghezze d'onda più rosse, riflettendo le diverse priorità di destinazione delle due missioni (stelle simili al Sole per Kepler, stelle piccole e fredde per TESS). La larghezza di 400 nm è stata la più ampia scelta pratica per il design ottico.

Cronologia Missione
18-04-2018 TESS: lancio da Cape Canaveral
25-07-2018 TESS: inizio delle osservazioni scientifiche
Oggetti
  • Pi Mensae C
    Esopianeta

    Una super-terra avente diametro di circa 2,14 volte il nostro pianeta che si trova in orbita attorno a Pi Mensae, una nana gialla situata nella costellazione della Mensa e distante circa 60 anni luce dal Sistema Solare.

  • LHS 3884 b
    Esopianeta

    E' un pianeta roccioso di circa 1,3 volte la dimensione della Terra situato a 49 anni luce nella costellazione dell'Indiano. E' attualmente il più vicino degli esopianeti conosciuti.

  • HD 21749 b
    Esopianeta

    Di tipo mininettuno, si trova nella costellazione del Reticolo e ha un diametro che è circa tre volte quello della Terra.

Obiettivi

TESS sta cercando pianeti al di fuori del nostro sistema solare con l'obiettivo primario di trovare pianeti vicini che possano essere successivamente caratterizzati tramite indagini successive da terra. Nello specifico, i requisiti scientifici primari della missione TESS sono i seguenti:

- Cercare oltre 200.000 stelle per scoprire i pianeti con periodi di rivoluzione inferiori a 10 giorni e raggio inferiore ai 2.5 terrestri.

- Trovare i pianeti in transito con periodi di rivoluzione fino a 120 giorni tra le 10.000 stelle nelle regioni visibili dai poli eclittici.

- Determinare le masse di almeno 50 pianeti con un raggio inferiore di 4 volte il raggio terrestre.

TESS sta esaminando le stelle di tipologia spettrale da F5 a M5 per cercare gli esopianeti in transito. Le seguenti osservazioni fatte con missioni terrestri e spaziali, tra cui il James Webb Space Telescope della NASA, permetteranno agli astronomi di studiare le atmosfere di molti di questi pianeti. L'eredità di TESS sarà un catalogo di stelle della Sequenza principale più vicine e più luminose che ospitano gli esopianeti in transito.
Oltre alla ricerca di pianeti extrasolari, TESS consertirà agli scienziati di richiedere obiettivi per la ricerca di astrofisica su circa 10.000 oggetti aggiuntivi attraverso ogni ciclo del suo programma di investigazione.

Il metodo del Transito
La missione TESS cerca i pianeti tramite il metodo di transito, lo stesso utilizzato dalla missione Kepler. Il metodo di transito per rilevare gli esopianeti consiste nel monitorare la luminosità di molte stelle per cercare intervalli periodici che potrebbero rivelare pianeti in passaggio davanti alle stelle, bloccando una frazione della loro luce, osservata dalla navicella spaziale. La fotometria di transito consente una misura molto precisa del periodo orbitale di un pianeta. La profondità della curva di luce di transito può rivelare la dimensione del pianeta rispetto alla dimensione della stella, e la larghezza può rivelare la durata del transito.
TESS osserverà oltre l'85% del cielo (un'area 400 volte più grande di quella monitorata da Kepler) durante la missione principale di 2 anni. TESS osserverà molte più stelle vicine e luminose rispetto alla missione di Kepler. Le stelle che TESS studierà sono in genere da 30 a 100 volte più luminose di quelle rilevate dalla precedente missione che renderanno le successive osservazioni molto più semplici tramite telescopi sia terrestri che spaziali.

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