Fara a avea pretentia de a cuprinde intr-un articol de cateva pagini, un subiect atat de vast ca acesta de fata vom incerca sa vedem care este domeniul astronomiei in infrarosu si de ce folosim telescoape in aceasta gama- cu un accent pe aspectul spatial al cercetarii.
Astronomia in infrarosu inseamna detectia si studiul radiatie IR emise de obiectele din Univers.
Facem aceste observatii pentru ca multe din regiunile din spatiu sunt ascunse in spatele unor regiuni dense de nori si praf interstelar. Ca sa le vedem trebuie sa ne ajustam instrumentele stiintifice si sa le privim in felul in care pot fi detectate.
Radiatia infrarosie poate trece de aceste obstacole naturale si observata de astronomi ne poate furniza informatii extrem de pretioase cu privire la Univers.
Astronomia in IR se imparte in trei mari categorii: NIR (near infrared), MIR (mid infrared) si FIR (far infrared). Fiecare din aceste trei categorii ne dezvaluie o alta fata a Universului: NIR-gigantii rosii sau praful interstelar, MIR- praful interstelar incalzit de lumina stelara, planete, comete, asteroizi etc iar FIR-regiunile centrale ale galaxiilor sau nori moleculari foarte reci.
Observata la diferite lungimi de unda, aceeasi regiune spatiala ne poate aparea in mod diferit asa cum este cazul pozei de mai jos care ilustreaza centrul galaxiei noastre.
centrul galaxiei observat la diferite lungimi de unda
Tehnologia folosita pentru detectia IR a evoluat si ea ca restul astronomiei de-a lungul timpului:
- Primele observatii de acest gen au fost realizate de W.Herschel in secolul al 19-lea.
- In 1856 astronomii au detectat pentru prima data radiatia IR a Lunii.
- La inceputul secolului 20 au fost descoperite radiatia IR ale lui Jupiter si Saturn.
- In anii 1950 au fost dezvoltati detectorii pe baza de PbS ce erau capabili sa studieze radiatia in gama 1-4 µm
- In anul 1961 se foloseste pentru prima data un bolometru pe baza de Ge, urmat la scurta vreme de un sistem imbunatatit ce folosea racirea detectorului cu ajutorul heliului (He)
- Detectorii moderni sunt construiti pe baza de InSb sau HgCdTe sub forma unor clustere (o combinatie de mai multi detectori) si raciti pe baza de He
Traditional astronomii au folosit observatoarele terestre pentru studierea Universului.
Acestea au insa cateva dezavantaje majore: in primul rand telescoapele cat si atmosfera Pamantului emit propria lor radiatie infrarosie facand dificil de distins intre semnalul real si cel parazit. Telescoapele compenseaza acest neajuns cu ajutorul unor sisteme speciale de racire in ideea ca un corp mai rece emite mai putina radiatie decat unul cald.
Un alt aspect negativ al observatoarelor terestre este ca vaporii de apa din atmosfera au tendinta de a absorbi radiatia IR. De aceea observatoarele trebuie plasate in conditii speciale- spre exemplu pe varfuri muntoase lipsite de umiditate cum ar fi telescopul din Mauna Kea/Hawaii.
Chiar si acolo astronomii trebuie sa corecteze imaginile pentru perturbatiile induse de atmosfera in continua sa schimbare si miscare. Este un proces costisitor si care afecteaza in final calitatea observatiilor.
De-a lungul timpului s-au discutat alternative la observatoarele terestre, iar una din ele a fost folosirea unor telescoape aeropurtate ca in cazul proiectului SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) in 2003, un proiect in cooperare germano-americana si care cara un telescop cu diametrul de 2.5 m la bordul unui Boeing 747.
Solutia adevarata a problemei a venit insa in anii 1970 cand comunitatea astronomica a propus pentru prima data lansarea unui telescop in afara atmosferei Pamantului. Noul satelit trebuia sa orbiteze in jurul Pamantului si sa beneficieze astfel de un mediu mult mai prielnic pentru obtinerea de imagini de calitate.
Acest proiect care a fost denumit IRAS- Infrared Astronomical Satellite a debutat ca propunere consolidata in 1977, dar a fost gata de lansare abia 6 ani mai tarziu in 1983. Dotat cu un telescop cu diametrul de 57 cm, IRAS a functionat timp de 11 luni (din ianuarie pana in noiembrie) intr-o orbita SSO (sun-synchronous orbit) 884 km x 903 km x 99 grade inclinatie orbitala si a observat Universul la 4 lungimi de unda: 12,25,60,100 µm.
De atunci multi alti sateliti s-au alaturat pe orbita asa cum se poate vedea in lista de mai jos.
Observatoare astronomice in spatiu
O categorie aparte de telescoape din tabelul de mai sus - care nu intra in gama IR, dar pe care le-am inclus in discutie pentru a arata un tip particular de misiune sunt si cele aflate in cautarea exoplanetelor- cum sunt Kepler si Corot.
Lansare satelit Keplerhttp://www.spacealliance.ro/articles/view.aspx?id=200907061728COROT descopera cea mai mica exoplanetahttp://www.spacealliance.ro/articles/view.aspx?id=200907061555Kepler este cel mai mare telescop lansat vreodata de NASA care nu graviteaza in jurul Pamantului si detine cel mai mare CCD zburat vreodata in spatiu (94.617.600 pixeli)-record ce va dura probabil pana cand ESA va trimite in spatiu o continuare a misiunii Hipparcos-satelitul Gaia care va fi echipat cu o camera impresionanta de 1 miliard de pixeli destinata realizarii celei mai precise harti stelare a galaxiei noastre.
Kepler determina frecventa planetelor asemanatoare Pamantului care se afla in zona unor stele cu spectre diferite, determina ordinul de marime si forma orbitelor acestor planete, calculeaza cate astfel de planete se afla in sisteme de stele multiple, determina ordinul de marime al orbitei, luminozitatea, marimea, masa si densitatea planetelor uriase, completeaza informatiile despre sistemele planetare deja descoperite prin folosirea unor noi tehnici si determina proprietatile stelelor apartinand acestor sisteme planetare.
Traditional satelitii din aceasta categorie (ISO, Most, Corot, Spitzer, Kepler) zburau in orbite heliocentrice sau in orbite SSO suferind de mari interferente ale radiatiei sau de lungi perioade de inactivitate. In continua miscare, satelitii trebuiau sa se protejeze in permanenta de interferenta Soarelui, Lunii si chiar a Pamantului in planul vizual al telescopului si nu numai.
Lucrurile aveau sa se schimbe insa odata cu lansarea satelitului WMAP al NASA ce fusese trimis spre punctul L2 al sistemului Soare-Pamant/Luna. Acesta este unul din punctele virtuale Lagrange si este plasat la 1.500.000 km in spatele Pamantului pe directia Pamant - Soare.
Determinarea punctului Lagrange L2http://www.spacealliance.ro/articles/view.aspx?id=200903060441Din punct de vedere matematic exista mai multe familii de orbite in jurul punctului L2, iar alegerea celei optime se face evident in functie de caracteristicile misiunii: in primul rand prin prisma rezervelor de combustibil-datorita micilor perturbatii la care este supus un satelit in spatiu fiecare din aceste orbite trebuie mentinut prin manevre periodice si deasemenea prin prisma evitarii perioadelor de eclipsa care ar putea aparea.
Oricum drift-ul orbitei este mult mai mic in acest caz fata de valoarea de 0.1 AU/an pentru un observator aflat in orbita heliocentrica.
Toate aceste lucruri sunt calculate cu atentie inca inainte de lansare.
Transferul orbital de pe Pamant spre o orbita in jurul lui L2 nu este un lucru simplu si costa de obicei mult combustibil, dar odata ajuns acolo un satelit are multe avantaje.
Primul dintre ele, un mediu de lucru mult mai stabil mai ales pentru ceea ce generic se numeste ‘cold Universe’.
Temperaturile externe scazute contribuie substantial la echilibrul termic al electronicii de bord si in special la scaderea emisiei termice a telescopului propriu zis (mergand pana la cateva grade K fata de 30-40K in cazul clasic SSO).
Al doilea avantaj este ca cele mai importante surse de perturbatii luminoase (Soarele, Pamantul si Luna) sunt intotdeauna aproape pe aceeasi directie din perspectiva satelitului.
Pentru a se proteja este suficienta amplasarea unui scut termic pe partea ce priveste in aceasta directie si mentinerea acestuia +/- sub acelasi unghi de aspect solar.
In aceeasi masura, cum spuneam mai devreme, printr-o alegere corecta a amplitudinii orbitei (in planul galactic si deasupra si dedesubtul lui) se pot evita aproape in totalitate eclipsele si disconfortul creat de acestea (stresul termic suplimentar, oprirea telescopului pentru a reduce consumul de energie, supradimensionarea bateriilor etc).
Practic, daca satelitul este operat corect putem avea o perioada continua de intrebuintare a instrumentatiei stiintifice ceea ce inseamna in final un plus pentru comunitatea de cercetatori si de ce nu avantaje financiare (intr-un domeniu in care fiecare zi a unei misiuni costa poate milioane de euro).
In sfarsit, cum satelitul orbiteaza in jurul acestui punct virtual L2, iar acesta se deplaseaza in spatiu odata cu orbita Pamantului in jurul Soarelui, in final se poate obtine o acoperire totala a sferei celeste.
Revenind la satelitii prezentati in tabelul de mai sus trebuie sa spunem ca ei se impart in mai multe categorii: pe de o parte avem observatoarele astronomice clasice, iar pe de alta parte avem investigatoarele CMB sau ‘cosmic microwave background’- in fapt studiul anizotropiilor din spatiul cosmic.
Acesta din urma este un domeniu special al astronomiei si studiaza radiatia primordiala a Universului. Conform teoriei, Universul s-a creat in urma cu circa 13700 milioane de ani, atunci fiind intr-un stadiu mult mai dens si mai cald decat astazi (conform ultimelor modele avea 1000 milioane de grade Kelvin la 3 minute de la aparitia sa). In urma acestui proces de expansiune, temperatura Universului a scazut in mod constant pana sub valoarea de 10000K atunci cand s-a finalizat procesul de recombinare a ionilor - undeva la 380.000 de ani de la momentul T0, atunci cand se estimeaza ca Universul a atins o temperature medie de 3000K. Acesta este si momentul cand temperatura a permis luminii sa inceapa sa calatoreasca liber in mediul extern. Pana in zilele noastre, datorita continuei expansiuni, temperatura medie a acestei materii aflate in CMB a scazut substantial pana la valoarea de 2,7 K, ceea ce o face extreme de greu de detectat.
Ea va continua sa scada pe masura ce Universul se va extinde.
Pentru a face observatii in aceasta gama un satelit este nevoit sa isi raceasca detectorii sub aceasta limita – rezolutia fiind data in final de raportul intre temperatura detectorului si temperatura radiatiei observate.
Planck, cel mai modern observator spatial din aceasta categorie, realizeaza masuratori la lungimi de unda de 1/10 ale radiatiei luminoase percepute de WMAP si la rezolutii unghiulare de 3 ori mai bune, rezultand o calitate de 15 ori mai buna a masuratorilor.
Mai mult, pentru a pastra rezolutia masuratorilor, planul focal al instrumentelor este racit pana la un neverosimil 0,1 Kelvin –si este unul din cele mai reci puncte din Univers.
Cealalta categorie de sateliti IR- observatoarele clasice adica cele care realizeaza imagini ale corpurilor cosmice (stele, galaxii etc), se impart la randul lor in ‘sky mapper’ sau ‘steady observer’.
Primii, cum este si satelitul american Wise despre care puteti citi in articolul de mai jos, genereaza observatii permanente complete asupra sferei celeste pe baza carora astronomii pot cere mai departe investigatii punctuale (asupra unei portiuni de cer ce le atrage interesul) cu instrumente mult mai puternice.
Printre acestea si uriasul telescop aflat la bordul satelitului european Herschel-cel mai modern si puternic telescop aflat in spatiu la momentul de fata.
Acesta este echipat cu o oglinda cu diametrul de 3.5 m adica de 4 ori mai mare decat predecesoarele telescoape in infrarosu si de 1.5 ori mai mare decat cea a lui Hubble.
Cu aceste caracteristici telescopul lui Herschel este capabil sa capteze spre exemplu de 12 ori mai multa radiatie luminoasa decat predecesorul ISO din care a fost inspirat.
Satelitul american Wise isi incheie pentru moment misiuneahttp://www.spacealliance.ro/articles/view.aspx?id=20110221095726Ultimele noutati despre satelitii Herschel si Planckhttp://www.spacealliance.ro/articles/view.aspx?id=201003180412Realizata pe baza de SiC cu o foarte mare precizie, oglinda lui Herschel cantareste surprinzator in ciuda gabaritului numai 315 kg.
Herschel este racit de un sistem foarte complex folosind un asa numit “cryostat” si coolerele aferente, totul bazat pe folosirea a circa 2300 de litri de Heliu lichid mentinut la temperatura de -271.15 grade Celsius.
Heliul superfluid se evapora la o rata constanta golind gradual rezervorul, dar asigura in acelasi timp o temperature constanta aproape de 0.3 Kelvin pentru perfecta functionare (fara perturbatii induse din exterior) a instrumentelor.
Aceasta este tehnologia folosita la momentul actual de observatoarele astronomice pentru a reduce emisia termica a electronicii care deserveste instrumentatia de bord. Este daca vrem un frigider foarte complicat si echivalentul sistemelor de compensatie mentionate la inceputul articolului pentru observatoarele terestre, dar in acelasi timp este si calcaiul lui Ahile pentru acest tip de sateliti- pentru ca odata consumata rezerva sistemului de racire, instrumentele devin neutilizabile pentru scopul lor.
Pentru a completa aceasta scurta radiografie, ar trebui sa ne referim si la modul de stabilizare folosit pentru acesti sateliti. Pentru cei care scaneaza sfera celesta proiectantii prefera de cele mai multe ori solutia naturala de stabilizare prin rotatie (spin spacecraft) care ofera avantajele ca este simpla, robusta la perturbatiile externe (asemenea unui giroscop satelitul tinde sa revina la directia de rotatie chiar daca apar perturbatii) si ca se potriveste bine profilului misiunii (prin rotatie instrumentele pot scana portiuni din cer).
In cazul observatoarelor punctuale desigur ca satelitul trebuie sa stea cat mai fix in spatiu pentru a nu avea imagini blurate, adica in termeni de specialitate sa fie stabilizat pe trei axe. Sistemul de control in acest caz are o misiune mult mai dificila.
In final, revenind la discutia noastra despre sateliti, trebuie sa spunem ca pe viitor capacitatea lui Herschel va fi depasita doar de cea a lui JWST - care va fi echipat cu un telescop cu diametrul de 6.5 m. Oglinda acestuia va fi construita insa din celule individuale grupate impreuna ceea ce inseamna ca nu va fi un telescop monobloc, asa cum este Herschel astazi.
JWST este considerat oarecum succesorul carismaticului telescop Hubble desi nu va acoperi decat partial lungimea de unda deservita de acesta, concentrandu-se pe infrarosu fata de Hubble care pe langa gama infrarosie mai oferea observatii in ultraviolet sau in spectrul vizibil.
Hubble, poate cea mai populara misiune astronomica a fost lansat in aprilie 1990 si a reusit sa supravietuiasca pana astazi. Plasat pe o orbita terestra satelitul care era dotat cu un telescop cu diametrul oglinzii principale de 2.4 m a fost deservit periodic de misiuni cu echipaj uman (de reparatie, de instalare a unor echipamente noi sau de compensare a scaderii inaltimii orbitei) trimise la bordul navetei spatiale americane.
Putina lume stie ca de fapt celebrul Hubble-un satelit masiv de 11 tone- derivat din satelitii militari americani de tip Keyhole (folositi pentru a produce poze de spionaj) fiind doar o adaptare a acestora pentru a putea fi folositi la observarea Universului.
Hubble detine si recordul de buget pana in prezent- in total de-a lungul celor 21 de ani de operare cheltuindu-se peste 6 miliarde de euro (incluzand aici si costurile misiunilor de intretinere ale lui Space Shuttle).
copyright SpaceAlliance.ro