NASA se neustále snaží dodávat astrofyzikům a astronomům mise, které by odborníkům poskytly opět o něco lepší informace o vzdálených objektech vesmíru. Součástí této snahy je i Astro2020: Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics, tedy jakýsi sborník úkolů, požadavků a vizí, které by se měly na poli astronomie a astrofyziky rozvíjet v dalším desetiletí. Momentálně se ve fázi koncepčních studií nachází čtyři velké kosmické teleskopy, o kterých jsme psali už před dvěma lety. Dnes se zaměříme na jeden z nich – Habitable Exoplanet Observatory alias zkráceně HabEx.
Zdroj: http://planetary.s3.amazonaws.com/
Pokud by byl realizován, nabídl by možnost přímého pozorování exoplanet, přičemž primárně by se zaměřoval na Zemi podobné světy obíhající kolem hvězd podobných Slunci. Připadá Vám to už dost atraktivní? Pak ještě dodejme, že vědci očekávají také možnost detekce tzv. biomarkerů v atmosféře, tedy jakýchsi spektroskopických stop, které by mohly naznačovat možnou přítomnost tamního života.
Dlouhé tisíce let lidstvo pálí otázka, zda jsme v celém širém vesmíru sami. Tahle otázka vrtala hlavou všem včetně vědců. Ale ještě nedávno chyběla v celé rovnici jedna podstatná neznámá – kolik exoplanet vlastně v naší Galaxii a celém vesmíru vlastně je? Teprve až v posledním desetiletí minulého milénia se lidstvo dočkalo první potvrzené exoplanety. Následně se ukázalo, že již v předchozí dekádě proběhla pozorování v této oblasti. Jenže pozorování pozemskými teleskopy bylo pomalé a nenavazující na sebe.
Zdroj: http://img.timeinc.net/
Definitivním řešením těchto problémů měl být americký teleskop Kepler vypuštěný v roce 2009. Jeho jediným úkolem bylo hledat exoplanety a určit, jak časté ve vesmíru jsou. A výsledky byly mimořádné. Kepler dokázal odhalit velké množství exoplanet i v relativní blízkosti Země.
Během své několikaleté mise, kdy bojoval s technickými problémy, prokázal nejen to, že exoplanety jsou běžné ve všech částech viditelného vesmíru kolem Země, ale také to, že prakticky každá hvězda má alespoň jednu planetu. Plný význam teleskopu Kepler možná doceníme až časem, ale už teď je jisté, že lidstvu otevřel dveře k výzkumu exoplanet.
Zdroj: http://spaceflightnow.com/
A to nebylo zdaleka všechno. Kepler objevil i překvapivě velký počet exoplanet, které obíhají v takzvané obyvatelné zóně kolem mateřské hvězdy. V této zóně by totiž podle výpočtů měly na pevném povrchu planety panovat teploty umožňující přítomnost kapalné vody. Do 1. září 2019 tu bylo 4 109 potvrzených exoplanet ve 3 059 systémech, přičemž 667 systémů mělo více než jednu planetu.
Zdroj: https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/
Jakmile měli vědci k dispozici tyhle informace, začali snít o dokonalejších teleskopech, které by zvládly přímé snímkování povrchu exoplanety, nebo by dokázaly provést chemickou analýzu jejich atmosféry. Doposud se však přímé zobrazení podařilo jen u obřích planet, jejichž rozměry mnohonásobně překračují velikost našeho Jupiteru. Spektroskopická pozorování atmosfér exoplanet jsou možná s využitím teleskopů specifických technologií, ale možnosti jsou omezené a používají se vzácně. Jakýsi Svatý grál, tedy přímé zobrazení Zemi podobné planetě u Slunci podobné hvězdy je v současné době nereálné.
Co ale nejde dnes, může jít v budoucnu a proto vznikl návrh teleskopu HabEx. Tento návrh si vytýčil následující smělé úkoly:
- Pohlédnout na blízké světy a prozkoumat jejich obyvatelnost.
- Zmapovat blízké exoplanetární systémy a porozumět rozdílnosti světů, které obsahují
- Umožnit nový výzkum astrofyzikálních systémů od naší Galaxie až po celý Vesmír pomocí rozšíření našeho dosahu v ultrafialové, optické a blízké infračervené části spektra.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com
Při snahách o přímé zobrazení exoplanet narážíme na velký problém – jak si poradit se svitem mateřské hvězdy, která je mnoho miliardkrát jasnější než samotná exoplaneta. HabEx by měl tuto překážku vyřešit hned pomocí dvou systémů. Prvním je zařízení označované jako starshade, což můžeme do češtiny volně přeložit jako hvězdný stín. Ve skutečnosti jde o druhou samostatnou sondu, která poletí ve formaci s hlavním teleskopem. Na starshade je úctyhodná především vzdálenost mezi oběma objekty, která má být průměrně 124 000 kilometrů! Starshade se bude nacházet před HabExem v ose jeho pozorování a má zablokovat většinu světla od mateřské hvězdy, ale nikoliv světlo od planety, která kolem ní obíhá.
Speciální přístroj v těle teleskopu pak toto světlo exoplanety zachytí a provede analýzu spektra. Pokud bude pozorovací čas dostatečně dlouhý, dokáže přístroj detekovat v atmosféře exoplanety třeba oxid uhličitý a metan – za předpokladu, že v ní budou oba plyny zastoupeny v koncentraci vyšší než na Zemi. Pozorovací kampaň by mohla teoreticky obnášet devět exoplanetárních systémů ve vzdálenosti 10 – 20 světelných let. Každý z nich by měl být během pětileté primární fáze teleskopu pozorován celkem třikrát s celkovým sledovacím časem tři měsíce.
Vzhledem k povaze letů ve formaci by přeorientování starshade na jiný cíl byl pomalý a dlouhodobý proces. Proto v době, kdy bude k těmto přesunům starshade na jiný cíl docházet, použije HabEx jiné palubní přístroje, mezi kterými najdeme i vector vortex coronagraph. Ten dokáže pořídit „rodinné fotografie“ téměř 110 exoplanetárních systémů.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com
Koronograf je přídavek ke konstrukci teleskopu, který blokuje přímé světlo z hvězdy, aby byly vidět i blízké objekty, které by jinak byly skryté ve hvězdném svitu. Podobně jako u starshade, i zde se má blokovat pouze světlo mateřské hvězdy a nikoliv světlo exoplanet. Během pěti let primární mise by měl být koronograf používán souhrnně 3,5 roku, během kterých kromě již zmíněných rodinných portrétů 110 exoplanetárních systémů bude vyhledávat prach, pásy asteroidů a ekvivalenty Kuiperova pásu. Z těchto pozorování budou také vybíráni kandidáti na pozorování s pomocí starshade – především kamenné exoplanety v obyvatelných zónách.
Společně se starshade vyplní pozorování koronografem 75 % prvních pěti let služby. Zbylých 25 % má být vyhrazeno vědecké komunitě, která bude předkládat své návrhy na pozorování. tyto návrhy budou procházet schvalovacím a výběrovým procesem, který bude hodně podobný systému, který se dnes používá pro Hubbleův teleskop.
Zdroj: https://www.jpl.nasa.gov
Už jsme si popsali koronoraf a starshade, ale kromě nich má mít HabEx ještě dva důležité vědecké přístroje – kameru HWC (HabEx Workhorse Camera) a ultrafialový spektrograf UVS. Druhý zmíněný přístroj, tedy UVS pokryje desetkrát větší plochu než ekvivalentní přístroj na Hubbleově teleskopu. Jelikož se dny Hubbleova teleskopu nezadržitelně blíží ke konci, vědci by s jeho zánikem přišli o jediný ultrafialový spektrograf, jaký mají k dispozici – právě UVS má tuto mezeru vyplnit.
Zdroj: https://www.jpl.nasa.gov
Kamera HWC má představovat technologický krok vpřed oproti kameře Wide-Field Camera 3 na Hubbleově teleskopu. Vědci očekávají, že poskytne snímací a víceštěrbinovou spektroskopii pro dva kanály s rozsahem od blízkého ultrafialového po blízké infračervené záření. Při pozorování exoplanet se mají souběžně se starshade a koronografem používat HWC i UVS.
Zastavme se ještě na chvíli u starshade, který jsme nakousli výše. Ostatně je to mimořádná technologie, která zatím nemá obdoby. Starshade pro HabEx má mít průměr 72 metrů a má jej tvořit několik tenkých vrstev materiálu – průměr je dán provozní vzdáleností od teleskopu a potřebou pozorovat Zemi podobné planety u Slunci podobných hvězd, které jsou vzdálené 10 – 20 světelných let. Z konstrukčního hlediska půjde o disk s průměrem 40 metrů doplněný o 24 „okvětních lístků“ – každý s délkou 16 metrů a šířkou u základny 5,25 metru, což ve výsledku vytvoří výše uvedený průměr 72 metrů. Celková hmotnost starshade má být 2520 kg, přičemž dalších 500 kg má vážit rozkládací mechanismus.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com
Materiálem použitým k vytvoření starshade má být několik vrstev černého Kaptonu s přídavkem uhlíku. Mezera mezi jednotlivými vrstvami má minimalizovat riziko poškození po zásahu mikrometeoritem. K protržení vrstev by jistě došlo, ale pozorování by to pokazilo jen v případě, že by vznikla přímá spojnice v ose hvězda – několik děr – HabEx. Konce každého okvětního lístku mají být chemicky naleptány, aby jejich okraje minimalizovaly rozptyl světla. Starshade má být připojen k řídícímu systému, který by měl podle současných odhadů vážit s prázdnými nádržemi 6 394 kg.
Zdroj: https://www.jpl.nasa.gov
Tento servisní modul bude obsahovat palivové nádrže, řídící systémy a 12 hydrazinových trysek pro udržování orientace vůči HabExu. Tyto trysky mají mít k dispozici celkem 1 407 kg kapalných dvousložkových pohonných látek. Servisní modul však má být vybaven také šesti tryskami iontových motorů pro změnu plánovaného cíle. Pro ně bude v nádržích připraveno 5 600 kg xenonu. Množství pohonných látek by mělo být dostatečné pro 100 jednotlivých zaměření, přičemž prvotní fáze počítá s 18 změnami cílů během prvních 5 let.
Zdroj: https://www.jpl.nasa.gov/
Koronografy jsou dnes relativně běžně používané při pozorováních Slunce, ale i při jiných úkolech pozemních teleskopů. V kosmonautice si k nim teprve hledáme cestu, ale jsou tu již první vlaštovky – za všechny jmenujme Dalekohled Jamese Webba nebo WFIRST. Podobně jako v případě jmenovaných teleskopů bude i koronograf na HabExu fungovat pouze za situace, kdy je dráha světla procházejícího skrz teleskop extrémně stálá a v souladu s očekáváním. Jakákoliv deformace vinou teplotních přechodům vibrací teleskopu, polarizace a jiných efektů může zničit jeho účinek.
Zdroj: https://www.jpl.nasa.gov
Kvalita optických povrchů musí být velmi vysoká, což je důvod, proč je právě koronograf klíčovým prvkem pro návrh mnoha aspektů teleskopu HabEx. Aby se minimalizovaly vibrace, nemá tento teleskop k udržování orientace používat silové setrvačníky. Místo toho mají posloužit tzv. mikrotrysky, jejichž sledování už ověřila NASA u projektu Gravity Probe B a ESA zase u misí Gaia a LISA Pathfinder – zde si dovolím doporučit neskutečně podrobný a detailní článek věnovaný právě této technologii, který vyšel na našem webu před dvěma lety. Mikrotrysky by okolním strukturám způsobovaly mnohem méně vibrací a navíc by nebyly tak náchylné k selháním jako jsou rotující setrvačníky.
Zdroj: https://www.jpl.nasa.gov
Aby se omezilo tepelné rozpínání primárního zrcadla, mají být přístroje umístěny na straně teleskopu. A když už jsme nakousli primární zrcadlo, tak HabEx počítá s průměrem 4 metry, přičemž kromě primárního má HabEx disponovat i sekundárním a terciárním zrcadlem. Návrh specifikuje, že se má použít sklo s chráněným označením ZERODUR, které se vyznačuje nulovou roztažností. Jeho nevýhodou je sice vyšší hmotnost oproti ostatním podobným materiálům, ale na druhou stranu může být opracováno běžnými výrobními postupy. To znamená, že by se nemusely vyvíjet komplikované technologie jako v případě beryliových zrcadel pro JWST.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com/
Pokud bychom předpokládali, že bude návrh teleskopu HabEx schválen, okamžitě vyvstane otázka, jak jej dostat do kosmického prostoru. Nepůjde totiž o žádného drobečka – společně se starshade má být startovní hmotnost teleskopu jen lehce pod 35 tunami! A to ještě uvažte, že cílem tohoto teleskopu nemá být oběžná dráha Země, ale librační centrum L2 soustavy Slunce – Země vzdálené od Naší planety 1,5 milionu kilometrů. Sečteno a podtrženo – mnoho možností pro vynesení tu není.
Zdroj: https://www.jpl.nasa.gov
Použít by se dala raketa SLS v konfiguraci Block 1B. Druhou možností je systém Starship, který vyvíjí SpaceX. Ta by mohla za určitých podmínek spadat do podobné kategorie jako SLS Block 1B, ale údaje o její nosnosti se průběžně mění, protože celý projekt je zatím ve fázi příprav. Jisté je, že ani SLS Block 1B ani Starship zatím nejsou v provozu a zatím nevíme, jak silné budou, až se do něj skutečně dostanou.
Starship zatím stále prochází vývojem a možná už za pár dní se díky Elonu Muskovi dozvíme aktualizované informace ohledně tohoto projektu. U SLS je důležitý hlavně vývoj horního stupně EUS (Exploration Upper Stage), který je již dnes zpožděn o několik let. Proto také NASA přesunula několik prvních misí na starší a slabší variantu Block 1. Pro aktuální agresivní harmonogram počítající s přistáním lidí na Měsíci v roce 2024 není SLS Block 1B potřeba. Jeho vývoj v dalších letech tedy není příliš pravděpodobný, protože peníze budou potřeba jinde.
Zdroj: https://www.jpl.nasa.gov
Pokud by SLS Block 1B vznikla a byla vybrána k vynesení HabExu, mohla by nabídnout schopnost dopravit do libračního centra L2 soustavy Slunce- Země náklad vážící 36 tun. Zvolené librační centrum má hned několik výhod. gravitační přechod je zde mírný a tepelné prostředí je nerušené. Také by tu bylo možné relativně snadno provádět servisní činnost. Na základě rozhodnutí amerického Kongresu z roku 2010 totiž mají být všechny nové velké kosmické konstrukce servisovatelné.
Zájemcům o mnohem podrobnější informace můžeme doporučit toto pdf s 212 stranami.
Přeloženo z:
https://www.nasaspaceflight.com/
https://www.nasaspaceflight.com/
Zdroje obrázků:
https://www.nasaspaceflight.com/…/2019/09/Screen-Shot-2019-09-19-at-12.51.37.png
https://planetary.s3.amazonaws.com/assets/images/exoplanets/20170222_trappist-1-top-view.jpg
https://img.timeinc.net/time/daily/2012/1204/360_sci_kepler_funding_0406.jpg
http://spaceflightnow.com/…/uploads/2015/01/kepler_hall_of_fame_jan2015_profile-full.jpg
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/uploads/2017/12/exoplanets-678×381.jpg
https://www.nasaspaceflight.com/wp-content/uploads/2019/09/StarshadeWideBanner_700px.jpg
https://www.nasaspaceflight.com/…/2019/09/Screen-Shot-2019-09-19-at-12.55.50.png
https://www.jpl.nasa.gov/habex/assets/images/mission/instrument-spectrograph-lg.jpg
https://www.jpl.nasa.gov/habex/assets/images/mission/instrument-workhorse-lg.jpg
https://www.nasaspaceflight.com/…/uploads/2019/09/Screen-Shot-2019-09-19-at-12.56.16.png
https://www.jpl.nasa.gov/habex/pdf/HabEx_Interim_Report.pdf
https://www.jpl.nasa.gov/habex/assets/images/mission/instrument-coronograph-lg.jpg
https://www.nasaspaceflight.com/…/uploads/2019/09/Screen-Shot-2019-09-19-at-12.57.06.png
Krásná věcička ten stershield, akorát ten problém – mrknout se kousek vedle znamená změnu jeho polohy o tisíce kilometrů.
Jen takový bláznivý nápad, jak starshield nahradit: evidujeme cca milion asteroidů (zatím). Pokud bychom byli schopní dostatečně upřesnit jejich trajektorie (což dříve či později musíme, a raději dříve, než se nějaký trefí do Země), jsme schopní předpovědět zákryt nějaké hvězdy (těch evidujeme miliardu) některým z asteroidů. Přesněji řečeno – třetím bodem musí být v daný moment některý z existujících teleskopů. Při výpočetních výkonech dnešních superpočítačů je to hračka. No a pak už zbývá jen pořídit fotku ve správný okamžik.
Problém je trochu rychlost asteroidů, vhodnější by možná byla transneptunická tělesa, ta se pohybují řádově pomaleji.
Obávám se, že máte pravdu: je to bláznivý nápad. Takto světlo nefunguje. Ten starshield má tvar, který má a jeho okraje jsou dělány s mikronovou (tj. vlnová délka světla) přesností aby difrakce ohnula světlo mimo teleskop a ne do teleskopu. Jak bz dělal obyčejný disk. Nebo obyčejný asteroid.
P.S.
Malý překlep v článku: ten disk má průměr 40 m. (40 plus dvakrát 16 rovná se 72 m.)
Lépe: aby difrakce ohnula světlo hvězdy mimo teleskop a ne do teleskopu
Díky za upozornění, jednička tam opravdu neměla co dělat.
Jenže difrakce je otázkou několika mikrometrů kolem tělesa. Spočítejte si zastíněnou plochu, a plochu, kde dochází k difrakci. Pak si uvědomte, že difrakce neohýbá všechno světlo do toho teleskopu, ale rozptýlí ho na neskutečně obrovskou plochu. Asteroid přeci také nemá okraj jako ideální kružnice, nýbrž velmi nepravidelý. Takže v případě asteroidu je difrakce naprosto bezvýznamná. Rychost asteroidů pochopitelně je limitující, možná i nějaké slabé výpary mohou vadit, potom by hodně omezující byla poloha asteroidů (drtivá většina je blízko orbitální roviny planet), ale difrakce opravdu ne.
Dále, zvětšení teleskopu by mělo být takové, aby planety byly odlišitelné od hvězdy, což je dnes už běžně splněno. Nejde tedy o úplné zakrytí hvězdy, ale o to, aby světlo z ní nepřetížilo senzor. To znamená, že i kdyby nějaká ta difrakce byla, bude se prostě jevit jen jako slabě svítící okraj asteroidu nebo sunshieldu, ale nebude oslepovat čidlo.
Vzhledem k tomu, že přesnost musí být vysoká a navíc se bude s pomocí starshade sledovat jen pár vybraných hvězd, je lepší mít k dispozici něco, co můžete ovládat.
Je ještě jeden důvod, proč jsou asteroidy k ničemu, a to je potřebný pozorovací čas, k práci budete potřebovat opravdu velmi dlouhé expozice a těch s letícím asteroidem opravdu nedosáhnete
Mě stále fascinuje, jak si lidstvo neustále myslí, že je něčím výjimečné. Nejdříve, že je Země středem vesmíru, pak alespoň Slunce no a nakonec se zjistí, že jsme nějaká nezvýznamná planeta na kraji galaxie. Pak, že planety jsou jen v naší sluneční, což také není pravda. No a stejné to bude ze životem. Aby se nakonec nezjistilo, že jsme nějaký genetický odpad z jiného systému. Dále pak neustálé lpění na přítomnosti vody (a v návaznosti metanu) jako podmínky života. To, že si neumíme představit životní formy na jiné bázi, než existuje na Zemi ještě neznamená, že takový život neexistuje.
Chémia nepustí, jediný prvok ktorý dokáže vytvárať dostatočne flexibilné, komplikované, pestré a pritom dostatočne stabilné zlúčeniny je uhlík. Všetky ostatné prvky dokážu vytvárať iba jednoduché zlúčeniny rádovo max cca 100 druhov, ale väčšinou iba 10-tky druhov zlúčenín, či ešte menej, kdežto uhlík miliardy a miliardy.
Nevím, nejsem chemik, ale z více zdrojů jsem slyšel o křemíku, síře a fosforu.
Jejich chování bude záviset na teplotě a tlaku na konkrétní planetě.
A jistě i na přítomnosti katalyzátorů a dalších vlivech, o kterých momentálně nevíme.
Já si živé formy na jiné bázi rozhodně představit dovedu. Čistě technické pochopitelně. Nechápu, proč by vyspělá civilizace měla být nějaká živá hmota. Skutečně vyspělá civilizace tohle období musí mít už dávno za sebou. Potřebuje pouze hmotu, v níž je obsažená nějaká využitelná energie. Například nějaké bezbřehé mračno plynu v mezigalaktickém prostoru, daleko od nebezpečných supernov, černých děr apod.
Pozemští vědci asi spíš chtějí objevit nějaký život v kasickém pojetí – žáby (Písně kosmické), ještěry (Jurský park) apod. Ani se jim nedivím, že nechtějí potkat něco vyspělejšího – a být posléze v roli žab, nebo předpotopních ještěrů.
„Z konstrukčního hlediska půjde o disk s průměrem 401 metrů“
Nema to byt 40,1m?
Jinak to cele zni uplne neskutecne. Takova formace, s tim jak presne bude muset byt Starshade umisten aby odstinil pouze primarni hvezdu… Fascinujici.
Fascinujici projekt
Diky za skvely clanek 🙂
Rádo se stalo. 😉
Tak jestli tohoto se dožiju, tak se strašně opiju.
Jsem neskutečně fascinován takovým návrhem a vůbec nerozumím tomu, jak toto vůbec někdo dokáže vymyslet, natož pak funkčně realizovat. Už jen ten warpový pohon chybí vymyslet :-).
Vymyslet lze spoustu věcí, těžší je sehnat peníze na realizaci. A pak to dotáhnout do provozu, viz JWST.
Áno peniaze, v začiatkoch na dejinné objavy stačili desiatky či stovky $ (celé vybavenie laboratória M.Faradaya by vyšlo cca na 50 $, dnes miliarda nestačí, potrebujeme mnoho miliard, viď LIGO a VIRGO, CERN, JWST … o 20-50 rokov to budú bilióny, to neutiahne ani perfektná spolupráca najbohatšich a najštedrejších štátov sveta.
Nejde ani tak o tu obrovskou částku, jde o to, že existuje jisté nenulové riziko, že ta mise selže. Ať už při startu selháním nosiče, nebo se zasekne něco na rozvinovacím mechanismu… A peníze přijdou vniveč. minimálně z pohledu daňového poplatníka, který se těšil na nové fotky. A najde se halda lidí, kteří se začnou ptát, proč by měli financovat NASA a spol, když z toho nic není…
Ano, jak je vše stále složitější a komplikovanější, postup se zpomaluje a prodražuje i přes to že práci usnadňují nové technologie. Jenom nové objevy, které dokáží celý proces zjednodušit, mají velký přínos. Jinak doporučuji knihu Joseph A. Tainter – Kolapsy složitých společností.
No mě nejvíce potěšila zmínka o znovuzavedení možnosti servisu pro nové projekty
Taky mě to příjemně překvapilo. Jen jsem zvědav, jak hodlají servisovat sondu vzdálenou 1,5 mio km…
Myslím že servis bude robotický za využití do jisté míry autonomních zařízení
Pak bude jedno pokud tam servis poletí třeba rok.
Ještě by se mi líbil systém kosmických teleskopů, které by nepřetržitě sledovaly celou oblohu. Kolik exoplanet je do vzdálenosti 1000 světelných let? Odhaduji, ze jich neznámé ani tisícinu.