太阳系外已经确认的行星超过3900颗。它们中的大多数被探测到是因为它们的“凌日”——当一颗行星穿过它的恒星时，暂时阻挡了它的光线。这些星光的下降可以告诉天文学家行星的大小和它与恒星的距离。
但要了解更多关于这颗行星的信息，包括它是否有氧气、水和其他生命迹象，需要更强大的工具。理想情况下，这些太空望远镜应该是更大的望远镜，具有与最大的地面天文台一样宽的聚光镜。美国国家航空航天局的工程师们正在设计下一代太空望远镜，包括带有多个小镜子的“分段”望远镜，这些镜子可以组装或展开，形成一个非常大的镜子望远镜一旦发射到太空。
美国国家航空航天局即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜就是一个分段主镜的例子，它的直径为6.5米，有18个六边形的片段。下一代太空望远镜预计将高达15米，拥有超过100个镜面。
分段空间望远镜面临的一个挑战是如何保持镜段的稳定，并共同指向一个系外行星系统。这种望远镜将配备日冕仪——一种足够灵敏的仪器，可以分辨出恒星发出的光和轨道行星发出的相当微弱的光。但是，望远镜任何一个部件的微小变化都可能影响日冕仪的测量，并破坏对氧气、水或其他行星特征的测量。
现在麻省理工学院的工程师们提出了第二个，鞋盒大小的航天器，配备一个简单的激光可以在远离大型太空望远镜的地方飞行，充当“导星”，在目标系统附近提供稳定明亮的光线，望远镜可以将其用作太空中的参考点，以保持自身的稳定。
在今天发表于天文杂志，研究人员表明，这样的设计激光导星在现有技术条件下是可行的。研究人员表示，使用激光从第二航天器稳定系统放松了对大型分段望远镜精度的要求，节省了时间和金钱，并允许更灵活的望远镜设计。
“这篇论文表明，在未来，我们可能能够建造一个稍微不稳定、本质上不那么稳定的望远镜，但可以使用明亮的光源作为参考来保持其稳定性，”麻省理工学院航空航天系博士后、论文的主要作者伊万·道格拉斯(Ewan Douglas)说。
该论文还包括麻省理工学院航空航天副教授Kerri Cahoy，以及麻省理工学院的研究生James Clark和Weston Marlow，以及亚利桑那大学的Jared Males, Olivier Guyon和Jennifer Lumbres。
瞄准准星
一个多世纪以来，天文学家一直在使用实际的星星作为稳定地面望远镜的“向导”。
道格拉斯说:“如果望远镜马达或齿轮的缺陷导致望远镜的轨迹稍微快一点或慢一点，你可以用眼睛在十字准星上观察引导星，并在长时间曝光时慢慢保持它的中心。”
在20世纪90年代，科学家们开始在地面上使用激光作为人造导星，通过激发高层大气中的钠，将激光指向天空，在距离地面约40英里的地方产生一个光点。然后，天文学家可以使用这种光源来稳定望远镜，这种光源可以产生在天文学家想要指向望远镜的任何地方。
道格拉斯说:“现在我们正在扩展这个想法，但不是从地面将激光指向太空，而是从太空将其照射到太空中的望远镜上。”地面望远镜需要引导恒星来抵消大气的影响，但用于系外行星成像的太空望远镜必须抵消系统温度的微小变化和由于运动引起的任何干扰。
太空激光导航星的想法源于美国宇航局资助的一个项目。该机构一直在考虑在太空中设计大型分段望远镜，并要求研究人员找到降低大型天文台成本的方法。
道格拉斯说:“这与现在相关的原因是，美国宇航局必须在未来几年内决定这些大型太空望远镜是否将是我们未来几十年的首要任务。”“这个决策正在发生，就像决策因为哈勃太空望远镜发生在20世纪60年代，但直到90年代才发射。”
星舰队
卡霍伊的实验室一直在开发用于立方体卫星的激光通信，立方体卫星是鞋盒大小的卫星，可以以传统航天器的一小部分成本建造并发射到太空。
在这项新研究中，研究人员研究了激光是否可以集成到立方体卫星或稍大的小型卫星中，以维持大型分段空间望远镜的稳定性，该望远镜是模仿美国宇航局的LUVOIR(大型紫外光学红外探测器)的概念设计，包括多个将在太空中组装的镜子。
研究人员估计，这样的望远镜必须保持完全静止，在10皮米(大约是氢原子直径的四分之一)范围内，以便机载日冕仪精确测量行星的光，除了恒星。
道格拉斯说:“航天器上的任何干扰，比如太阳角度的轻微变化，或者电子设备的开关和改变整个航天器散热的数量，都会导致结构的轻微膨胀或收缩。”“如果你受到的干扰大于10皮米左右，你就会开始看到望远镜内部星光模式的变化，这种变化意味着你不能完美地减去星光来看到行星的反射光。”
该团队提出了一个激光导星的总体设计方案，它离望远镜足够远，可以被视为一颗固定的恒星——大约在数万英里之外——它会指向望远镜，并将其光线射向望远镜的镜子，每个镜子都会将激光反射到机载相机上。摄像机将测量反射光随时间的相位。任何10皮米或更大的变化都将表明望远镜的稳定性受到损害，机载执行器可以迅速纠正。
为了看看这样的激光导星设计在今天的激光技术下是否可行，道格拉斯和卡霍伊与亚利桑那大学的同事一起提出了不同的亮度来源，例如，为了计算出激光的亮度需要多大才能提供有关望远镜位置的一定数量的信息，或者使用大型太空望远镜的分段稳定性模型来提供稳定性。然后，他们绘制了一组现有的激光发射器，并计算了每个激光距离望远镜的稳定性、强度和距离，以作为可靠的导星。
总的来说，他们发现激光导星设计在现有技术下是可行的，而且该系统可以完全安装在一颗大约立方英尺大小的小型卫星上。道格拉斯说那是单人房导游之星可以想象，随着望远镜变换观测目标，从一颗恒星到另一颗恒星的“凝视”。然而，这将需要较小的航天器与远处的望远镜一起旅行数十万英里，因为望远镜会重新定位以观察不同的恒星。
相反，道格拉斯说，一个小型的引导恒星舰队可以部署，经济实惠，并在天空中间隔，以帮助稳定望远镜，因为它正在调查多个系外行星系统。Cahoy指出，最近美国宇航局的MARCO立方体卫星(MARCO CubeSats)的成功，证明了带有推进系统的立方体卫星可以在行星际空间工作，持续时间更长，距离更远。MARCO立方体卫星支持火星洞察号(Mars Insight)着陆器作为通信中继。
道格拉斯说:“现在我们正在分析现有的推进系统，并找出实现这一目标的最佳方法，以及我们希望有多少艘航天器在太空中相互跨越。”“最终，我们认为这是降低这些大型、细分市场成本的一种方法空间望远镜。”
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