|
Herschel/Planck: Kosmisk drømmehold
Europæisk kryoteknisk tvillingteleskop mission planlægges opsendt om nogle uger
Michael A. Taverna/Paris
Af alle de usikkerheder, der forvirrer astronomerne, er ingen mere gådefuld, end hvad der skete i den første milliontedel af et sekund efter Big Bang. Forståelse, af hvad der foregik da, vil hjælpe med at afsløre nogle af de bedst bevarede hemmeligheder i universet – inklusive stoffets tæthed og natur, eksistensen af ”mørk energi” og oprindelsen til stjerner og galakser. Det vil være formålet med en tvillingteleskop mission til 1,3 milliard euro som planlægges opsendt fra den europæiske rumhavn i Kourou, Fransk Guiana i slutningen af april.
Herschel – det største af de to teleskoper – vil studere dannelsen og udviklingen af galakser og stjerner. Som sin forgænger, Infrared Space Observatory (ISO), og tidligere sonder fra USA (Spitzer) og Japan (Akari) vil denne mission lave observationer i infrarøde bølgelængder, ikke i synligt lys som Hubble Space Telescope gør. Det vil gøre det muligt at se relativt koldt og spredt stof som støv og gas i det interstellare rum og omkring stjerner eller skjulte stjerner og galakser som indtil nu er forblevet usete. ”Ved at observere i det infrarøde kan vi studere, hvordan tingene dannedes, de meget tidlige trin, fordi dannelsesprocesserne meget ofte sker på kolde og støvede steder,” forklarer Goran Pilbratt, European Space Agencys Herschel projektforsker.
Teleskopet har fået navn efter den britiske astronom William Herschel, som opdagede infrarød stråling (såvel som planeten Uranus). Det er stabiliseret i tre akser og er omkring 7,5 meter højt og vejer 3.300 kg. Det vil fungere i det fjerne infrarøde til submilimeter bølgelængder (60-670 mikroner). Dette er båndene, som lyset – på grund af rødforskydning – fra de fjerneste og yngste galakser (der eksisterede i den første periode efter Big Bang) udsender. Foruden sin primære mission vil Herschel studere den kemiske sammensætning af atmosfæren omkring himmellegemer – især interessante objekter opdaget i tidligere missioner – og udforske universets molekylære kemi ved at studere kometers atmosfære.
Herschel, som oprindeligt blev kaldt Far Infrared and Submilimeter Telescope (FIRST), er udstyret med et primært spejl med en diameter på 3,5 meter; det er halvanden gang så stort som Hubbles spejl. Det vil forblive det største indtil Hubbles afløser, James Webb Space Telescope (JWST) opsendes omkring 2013.
Det andet teleskop på denne mission, Planck, vil undersøge hele himlen for at hjælpe forskerne med at forstå oprindelsen og udviklingen af de store strukturer, der befolkede universet umiddelbart efter Big Bang. Som en fortsættelse efter NASAs Cosmic Background Explorer (COBE), opsendt i 1989, og Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), opsendt i 2001, vil Planck, som vejer 1.800 kg. måle temperatursvingningerne (eller anisotropierne) i den kosmiske mikrobølge baggrund (CMB) med opløsning og følsomhed uden fortilfælde. Astronomerne håber, at sådanne ultrapræcise målinger vil hjælpe med at bestemme fundamentale kosmologiske gåder – som tæthedsparameteren og Hubblekonstanten – der længe har undgået deres forståelse. Et yderligere formål med missionen, som vil observere himlen samtidigt i ni frekvenskanaler fra 30-900 Ghz., vil være at udlede CMBs polarisationstilstand, hvilket aldrig før er gjort.
Desuden er der en mulighed for, at Planck – som fik navn efter den tyske fysiker Max Planck, kvanteteoriens grundlægger – vil detektere en lille forvrængning af CMB forårsaget af en periode, som man har mistanke om, i den kosmiske historie, der kaldes den inflatoriske epoke. Inflationsteorien postulerer, at universet gennemgik en periode med enormt accelereret ekspansion lige efter Big Bang, der skulle få hele rummet til at bølge på en særlig måde. Denne lille krusning viser sig måske i data fra Planck. ”Af al den spændende videnskab, vi vil lave, er dette den mest muligt spændende måling af alle,” siger Jan Tauber, Planck projektforsker.
Herschel og Planck vil blive opsendt af den samme Ariane 5 ECA tungt-løft raket. De to rumfartøjer vil så rejse uafhængigt til L2 Lagrangepunktet, 1,5 millioner kilometer fra Jorden, hvor de vil fungere upåvirkede af Jordens, Månens eller Solens gravitationsvirkninger. Ved ankomsten, 60 dage efter opsendelsen, vil de blive indsat i en Lissajous formation med Herschel i det største af to koncentriske kredsløb og Planck i det mindre. Herschel forventes at fungere i mindst 3,5 år og Planck i 18 måneder – længe nok til at kortlægge mindst 95% af himlen to gange.
Teleskoperne blev kombineret i en enkelt mission som et forsøg på at spare penge for ESAs evigt underfinancierede videnskabsprogram. Imidlertid forårsagede kompleksiteten ved at klargøre to så sofistikerede teleskoper samtidigt en overskridelse af omkostningerne på 180 millioner euro og skubbede opsendelsen, som var planlagt til februar 2007, et godt stykke. ”Det var et mareridt,” bekræftede Jacques Louet, ESAs leder af de videnskabelige projekter. Oplevelsen overbeviste planlæggerne om at vælge en indfaldsvinkel baseret på at dele bus, instrumenter og undersystemer i enkle, mindre missioner, som det er sket med Mars Express og Venus Express.
Både Herschel og Planck anvender teknologier, som er på forkant af udviklingen, især reflektorer og kryotekniske kølere, der forårsagede de fleste hovedpiner under konstruktionen. Thales Alenia Space, som byggede ISO, har hovedkontrakten for tvillingemissionen.
Thales Alenias italienske afdeling leverer bussen til de to satelliter, mens EADS Astrium er ansvarlige for Herschels last og integration. Talrige underleverandører og institutter fra nationer – inklusive USA, Rusland, Israel og Taiwan – deltager.
Herschels primære spejl – der erstattede en kulfibersammensat konstruktion, som NASA først havde planlagt at bidrage med – er helt lavet af siliciumkarbid (SiC), en letvægtssammensætning der gør det muligt at bygge meget store spejle med glimrende varme-, mekaniske og akustiske egenskaber uden at medføre store omkostninger i vægt. Ulig JWST spejlet af beryllium, som vil blive 6,5 meter i diameter, er Herschel enheden i et stykke, ikke-foldende.
Til trods for dens størrelse vil den 3 milimeter tykke Herschel reflektor knap veje 320 kg, mod 1.000 kg for den på Hubble.
Ingeniører på Boostech, en Astrium afdeling, der byggede spejlet, siger, at den primære vanskelighed ved en konstruktion i ét stykke af denne størrelse er at bringe de 12 dele sammen indenfor tolerancer, der garanterer den optiske ydelse.
Specifikationerne kræver, at spejlets overfladeruhed skal være mindre end 30 nanometer og reflektivitet bedre end 0,97. Den samme SiC teknologi vil blive brugt i ESAs Gaia observatorium, som skal opsendes sidst i 2011 og Japans Spica, en samarbejdsmission med ESA, der vil virke i kortere IR bølgelængder end Herschel.
Herschel har også en avanceret kryostat, afledt fra erfaringer med ISO, der vil muliggøre, at instrumenterne virker ved 1,7 Kelvin (-271C) – en brøkdel over absolut nul – for at hindre den i at udsende infrarøde udstrålinger og på den måde skjule indkommende infrarødt lys. Rumfartøjet vil altid vende mod Solen for at maksimere energien fra solpanelerne. En skærm vil hjælpe med at beskytte den mod solskinnet.
Konstruktion af kryostaten – med en hovedtank til 2.250 liter flydende helium og en 50 liter buffer tank, der holder hovedtanken kold på jorden – udgjorde den største teknologiske udfordring i Herschel-Planck missionen. Kryostaten kunne også komplicere affyringsproceduren, fordi den ikke kan tolere en udsættelse af opsendelsen på mere end 24 timer. Hvis man forsinkes mere end det, vil man skulle rulle raketten tilbage til bygningen, hvor raketten samles, for at hovedtanken kan blive tømt, fyldt igen og kølet ned.
Planck vil bruge en særlig lavt-spind platform udstyret med et 1,5 meter offset Cassegrain teleskop konstrueret til at fokusere kosmisk mikrobølge baggrundsstråling mod dens detektorer. Reflektoren blev konstrueret af det danske rumforskningsinstitut og ESA. Teleskopets højfrekvens detektorer køles passivt ved hjælp af en kølekæde (som udgøres af en 20K hydrogen absorptionskøler, en kompressordrevet 4K køler og en fortyndingskøler), som vedligeholder temperaturen på 0,1K, hvilket er vigtigt for at opnå høj følsomhed. Følsomheden vil være bedre end 2 x 10-6 og vinkelopløsning på 10 bueminutter.
Herschel vil medføre · Heterodyn Instrument for the Far Infrared (HIFI), bygget af Frank Helmich fra Netherlands Institute for Space Research i Groningen. HIFI vil udføre høj- og meget højopløsning spektroskopi i 250-600 mikron området, nyttigt til at få information om kemisk sammensætning og kinematik. · Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS), bygget af et konsortium ledet af Albrecht Poglitsch fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland. PACS vil udføre liniespektroskopi og fotometri i 80-210 mikronbåndene. · Spectral and Photometric Imaging Receiver (Spire), et inkohærent bolometrisk instrument samlet af et hold ledet af Matthew Griffin fra Cardiff University i Wales. Spire vil køre fotometri målinger samtidigt i tre bånd og spektroskopi over hele 260-670 mikron bølgelængdeområdet.
Planck pakken udgøres af lav- og højfrekvens instrumenter (LFI/HFI). LFI – udviklet af Nazzareno Mandolesi fra Institute of Space Astrophysics i Bologne, Italien – består af en række tunede radiometre, der bruger 56 høj-elektron-mobilitet-transistor detektorer; de vil omdanne mikrobølger til strålingsintensitet for hver frekvens. HFI, ledet af Jean-Loup Puget fra Institute for Space Astrophysics i Paris, vil undersøge 100-857 Ghz frekvensområdet ved brug af 48 bolometriske detektorer, nyttigt til at udpege og måle små mængder varmestråling.
Astronomerne forventer, at de fem instrumenter vil give det, indtil nu, mest detaljerede billede af forskellige sider af det kolde kosmos og forberede missioner ved det næste årtis slutning.
ESA Photos and Concepts Bolometri: Måling af varmestråling. Fra Aviation Week & Space Technology, 6. april 2009.
|
