Top 5 průkopnických fyzikálních observatoří

Minulý týden jsme hovořili o nejzajímavějších konceptech fyzikálních observatoří, které byly navrženy, avšak nikoliv (zatím) schváleny k realizaci. Dnes si naopak představíme některé velmi důležité mise, které otevřely cestu mnoha dalším a pokročilejším kosmickým observatořím. Ty poté mohly jejich výzkum upřesnit, rozšířit či doplnit. Nicméně dnes probírané průkopnické mise už navždy budou mít místo v historii kosmonautiky, neboť právě jimi začalo něco nového.

5) HALCA

HALCA při předstartovní přípravě.

HALCA při předstartovní přípravě.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Všechny oblasti elektromagnetického spektra měly a mají v kosmickém prostoru své výrazné zastoupení. V podstatě jedinou výjimkou z tohoto pravidla je rádiové záření. Ačkoliv je radioastronomie stará už téměř celé jedno století, mimo Zemi se dosud téměř žádné radioteleskopy nepodívaly. Sice se neustále hovoří o radioteleskopech v kráterech na odvrácené straně Měsíce, ty však mají v tuto chvíli k realizaci ještě velmi daleko.

Tato situace má celou řadu důvodů. Jedním z nich je, že rádiové záření disponuje jen dosti nízkou energií a proto musíme pro zachycení smysluplného signálu provozovat buď jeden velký radioteleskop a nebo několik jednotek či desítek menších radioteleskopů. Druhým důvodem je to, že rádiové vlny poměrně dobře pronikají atmosférou Země. Zatímco tedy u gama nebo rentgenového záření bychom bez kosmických technologií nenapozorovali téměř nic, u rádiového záření nehraje kosmonautika natolik zásadní úlohu.

HALCA v rozloženém stavu.

HALCA v rozloženém stavu.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Přesto se již vyskytlo několik rádiových observatoří, které byly umístěny v kosmickém prostoru. Jako první si tuto cestu zvolili Japonci, kteří v únoru 1997 z kosmodromu Kagošima vypustili na raketě M-V radioteleskop HALCA. Ten měl průměr osm metrů a hmotnost 830 kilogramů. Aby se vešel pod aerodynamický kryt rakety, startoval složený. Radioteleskop byl umístěn na vysoce eliptickou dráhu s perigeem ve výšce 533,5 km, apogeem ve výšce 21 244 km, sklonem vůči rovníku 31,18 stupňů a oběžnou dobou 376 minut.

HALCA dokázala dobře spolupracovat s pozemními radioteleskopy a měla také poměrně dobré rozlišení. Nicméně vzhledem k dosti malé velikosti antény se soustředila hlavně na jasnější zdroje rádiového záření. Pozorovat mohla na třech frekvencích, a to 1,6 GHz, 5,0 GHz a 22 GHz. Vzhledem k poškození antény vlivem vibrací při startu, však byla kvalita pásma na 22 GHz výrazně snížena, observatoř proto v praxi používala téměř výhradně první dvě frekvence.

Umělecká představa observatoře HALCA v kosmickém prostoru.

Umělecká představa observatoře HALCA v kosmickém prostoru.
Zdroj: https://www.isas.jaxa.jp/

Na konci února 1997 došlo k rozložení teleskopu a následně začala vědecká fáze mise. Původně se očekávala tříletá doba činnosti, nakonec se ale podařilo posunout dobu pozorování až do října 2003 a k deaktivaci došlo ještě o další dva roky později, v listopadu 2005. Mezi nejdůležitější studované objekty patřily kvasary, rádiové galaxie, pulsary nebo astrofyzikální masery. Nejvýznačnější úspěchy zahrnují zachycení radiových vln z kvasaru PKS0637-752 a též pozorování relativistického výtrysku eliptické galaxie M 87. Celkově jde říci, že šlo o značný úspěch, bohužel však dodnes nemá observatoř HALCA téměř žádné pokračovatele.

4) CoRoT

Umělecká představa dalekohledu CoRoT.

Umělecká představa dalekohledu CoRoT.
Zdroj: https://www.esa.int/

Výzkum exoplanet učinil za posledních 30 let obrovský skok kupředu. V roce 1993 byla známa jediná exoplaneta, dnes jich je více než 5 400. Velkou zásluhu na tom mají i kosmické observatoře, neboť astronomové velmi brzy pochopili, že potenciál výzkumu exoplanet z kosmického prostoru je značný. Sondou, která v tomto ohledu otevřela dveře pozdějším misím typu Kepler, PLATO nebo TESS, byla francouzská observatoř CoRoT. Využívala stejnou metodu jako všechny pozdější družice. Pozorovala tzv. tranzity, jakási mikrozatmění, jež vznikají když planeta přechází před kotoučem své hvězdy.

Názorná ukázka tranzitní metody detekce exoplanet

Názorná ukázka tranzitní metody detekce exoplanet
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Jde o metodu velmi účinnou a oblíbenou, většina exoplanet byla objevena právě takto. Díky tranzitům můžeme celkem dobře určit rozměr planety, naopak stanovení hmotnosti bývá vcelku problematické. Metoda má ovšem i další úskalí. Zdaleka totiž neodhalí všechny planety. Jestliže nějaké těleso obíhá kolem své hvězdy tak, že z našeho pohledu nepřechází před mateřskou hvězdou, je pro nás tímto způsobem neviditelné.

Observatoř CoRoT připravila francouzská kosmická agentura CNES ve spolupráci s ESA. Výrobu zajistila společnost Thales Alenia Space. Startovní hmotnost činila 630 kilogramů, z toho necelá polovina připadla na užitečné zatížení. Do kosmického prostoru sondu vynesla koncem prosince 2006 raketa Sojuz 2.1b startující z kosmodromu Bajkonur. Krátce po vzletu došlo k navedení na cílovou oběžnou dráhu, která byla vůči rovníku téměř přesně kolmá a měla perigeum ve výšce 607 km a apogeum ve výšce 898 km. Jeden oběh trval CoRoTu téměř 100 minut.

CoRoT při předstartovní přípravě.

CoRoT při předstartovní přípravě.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Brzy začal sběr dat a již v květnu 2007 objevil teleskop svou první exoplanetu. Mise měla původně trvat dva a půl roku, ale protože vše probíhalo nadmíru dobře, došlo k prodloužení. V listopadu 2012 ovšem utrpěl CoRoT závažnou závadu počítače. Pokusy o opravu nevedly k úspěchu, proto v červnu 2012 technici oznámili, že mise bude ukončena. K deaktivaci sondy došlo nakonec v červnu 2014.

Finální skóre CoRoTu činí 37 objevených exoplanet (a dva hnědí trpaslíci). Kromě toho mají astronomové k dispozici více než sto dalších kandidátů na exoplanety, které je třeba potvrdit. Ze všech objevů jsou nejzajímavější asi dvě planety, jež obíhají kolem jedné z hvězd binárního systému, popřípadě kamenná planeta v souhvězdí Jednorožce. Ta leží ovšem 489 světelných let od Země, na dovolenou se tam tedy asi nepodíváme.

CoRoT při pozorování v představě umělce.

CoRoT při pozorování v představě umělce.
Zdroj: https://www.esa.int/

Výsledky CoRoTu se ale neomezují jen na exoplanety. Teleskop sledoval třeba i značné množství dvojhvězd. Významné jsou zejména měření zákrytových dvojhvězd typu γ Doradus. Díky těmto pozorováním umíme lépe odlišit zákrytové dvojhvězdy od exoplanet nebo lépe rozumíme otřesům u hvězd (asteroseismologie). Dále se podařilo zachytit množství masivních hvězd hlavní posloupnosti spektrální třídy O a několik otevřených hvězdokup.

Velký význam mají též měření rudých obrů, kteří vznikají z hvězd na konci jejich fáze hlavní posloupnosti. CoRoT pomohl odhalit více o populaci rudých obrů v Mléčné dráze nebo vztahu stáří a metalicity u těchto hvězd. Studovala se rovněž struktura povrchových vrstev hvězd, jejich chemické složení a to, jak se v jednotlivých hvězdách mísí chemické prvky. Opomenout nelze ani objevy ve fyzice hvězd a výše zmíněné asteroseismologii. Díky této misi víme mnohem více třeba o tom, jaké jsou jednotlivé vibrační módy hvězd.

3) IRAS

IRAS v kosmickém prostoru.

IRAS v kosmickém prostoru.
Zdroj: https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/

Infračervené záření bylo známé už od samého počátku 19. století, kdy jej objevil slavný britský astronom německého původu William Herschel. Přesto tato oblast astronomie čekala na svůj vesmírný teleskop ještě déle, než třeba mnohem později objevené rentgenové nebo gama záření. Dnes máme v kosmickém prostoru Webbův dalekohled, nedávno skončily i jiné observatoře jako Spitzerův teleskop a některé další. Proto vás možná překvapí, že první infračervený teleskop je starý teprve 40 roků.

Koncem ledna 1983 vynesla raketa Delta 3000 startující z kosmodromu Vandenberg do kosmického prostoru průkopnický infračervený teleskop Infrared Astronomy Satellite (IRAS). Nosič fungoval bezvadně, proto se 1083 kg těžká observatoř mohla usadit na zvolené oběžné dráze s výškou perigea 879 km, výškou apogea 906 km, sklonem vůči rovníku 99 stupňů a oběžnou dobou 102 minut. Teleskop, jenž byl společným projektem Spojených států amerických, Spojeného království a Nizozemska mohl začít pracovat.

Start teleskopu IRAS.

Start teleskopu IRAS.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Vybaven byl Ritcheyho–Chrétiénovým dalekohledem o průměru 57 cm a mohl pozorovat v poměrně širokém rozmezí vlnových délek od blízké infračervené až po vzdálenou infračervenou oblast. Aby ovšem mohl teleskop pozorovat, musel být chlazen na dosti nízké teploty, jinak by tepelné záření vyzařované samotným dalekohledem rušilo měření. Z toho důvodu se využilo kryogenní chlazení kapalným heliem, které dokázalo ochladit observatoř až na teplotu 2 Kelvinů. Bohužel, zásoba kapalného helia v listopadu 1983 došla a teleskop musel být deaktivován.

IRAS tak pozoroval jen zhruba 10 měsíců. I za tuto relativně krátkou dobu nicméně mnohé dokázal. Podařilo se zmapovat 96 % oblohy a na vlnových délkách 12, 25, 60 a 100 mikrometrů se povedlo objevit více než 350 000 zdrojů infračerveného záření. Rozlišení se pohybovalo od 30 obloukových vteřin na vlnové délce 12 mikrometrů po 2 obloukové minuty na vlnové délce 100 mikrometrů. Velkou část pozorovaných zdrojů tvoří hvězdotvorné galaxie a hvězdy s prachovými disky. Teleskop však dokázal uskutečnit i některé zajímavé nové objevy.

IRAS před startem.

IRAS před startem.
Zdroj: https://universemagazine.com/

IRAS objevil čtyři nové planetky, z nichž nejznámější je 3200 Phaeton. Tento objekt je mateřským tělesem meteorického roje Geminidy. V budoucnu by jej měla důkladně prozkoumat japonská mise DESTINY+. IRAS dále nalezl dvě krátkoperiodické a čtyři dlouhoperiocké komety. Observatoř také poprvé vyfotografovala jádro Mléčné dráhy a nalezla prachové disky kolem některých hvězd, z nichž se později díky novým datům například z Hubbleova dalekohledu vyklubaly protoplanetární disky.

IRAS byl velmi významnou observatoří, otevřel nám totiž nové okno do vesmíru a z jeho objevů jsme těžili ještě dlouhé roky po skončení mise. Velký význam měl však i v tom, že ukázal smysluplnost infračervené astronomie. Díky jeho úspěchu se později do vesmíru podívalo množství dalších infračervených teleskopů od Spitzeru, přes WISE a Akari, až po Webbův dalekohled.

2) Uhuru

Bruno B. Rossi a Marjorie Townsend u satelitu Uhuru

Bruno B. Rossi a Marjorie Townsend u satelitu Uhuru
Zdroj: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/

Rentgenové záření bylo objeveno jen o něco později než rádiové. Zasloužil se o to Wilhelm Conrad Röntgen, který za tento počin obdržel historicky první Nobelovu cenu za fyziku. Vzhledem k tomu, že dnes využívají toto záření zcela běžně na denní bázi lékaři po celém světě a jeho objev zachraňuje a zlepšuje miliony životů nejen lidí, ale i zvířat, určitě se shodneme, že ocenění bylo velmi zasloužené.

Vědce napadlo využít rentgenové záření i v astronomii. Realizace však trvala poměrně dlouho. Až v polovině minulého století se podařilo zachytit rentgenové záření z prvního mimozemského zdroje. Sondážní rakety tehdy zaznamenaly signál ze Slunce. Následně se povedlo objevit i další rentgenové zdroje díky balónovým experimentům. V 60. letech začali astronomové chystat také první kosmickou observatoř zaměřenou na rentgenovou astronomii.

Popis přístrojů observatoře Uhuru.

Popis přístrojů observatoře Uhuru.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Misi schválila americká agentura NASA a pod její záštitou proběhl v prosinci 1970 start. Do kosmického prostoru sondu vynesla raketa Scout B startující z italské platformy San Marco umístěné nedaleko keňského přístavního města Mombasa. Právě kvůli pohostinnosti Keňanů získala sonda název Uhuru, což ve svahilštině znamená svoboda. Stejný název nese i 5895 metrů vysoká hora v Tanzanii, nejvyšší vrchol celé Afriky. Vzhledem k zařazení mise do programu Explorer byla nicméně sonda známá i jako Explorer 42 nebo X-ray Explorer Satellite.

Pozorování zdroje Hercules X-1 z observatoře Uhuru.

Pozorování zdroje Hercules X-1 z observatoře Uhuru.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Start proběhl úspěšně a 141,5 kilogramů těžká sonda byla umístěna na dráhu se sklonem tří stupňů vůči rovníku, výškou perigea 520 km, výškou apogea 560 km a dobou oběhu 96 minut. Brzy po startu začala družice sbírat vědecká data. Hlavní úkoly spočívaly v pravidelném pozorování známých zdrojů rentgenového záření a v objevování a katalogizaci nových zdrojů. Ke splnění těchto cílů měla sonda k dispozici jednak dvě sady čítačů citlivých na rentgenové záření v energetickém rozmezí 2 – 20 keV a jednak na tu dobu nebývale citlivý částicový detektor.

Observatoř vydržela fungovat asi dva a čtvrt roku. V březnu 1973 ztratilo řídící středisko s družicí kontakt. Ta potom zanikla v atmosféře v dubnu 1979. Mise skončila velkým úspěchem. Sonda objevila řadu nových zdrojů rentgenového záření, mimo jiné i známý Hercules X-1. Řadu dalších, třeba Vela X-1 nebo Centaurus X-3 poprvé detailně prozkoumala. A u objektu Cygnus X-1 se díky ní podařilo prokázat hypotézu, že jde o černou díru. Tím se potvrdila existence vůbec první černé díry.

Nejznámější cíl Uhuru - Cygnus X-1. Vlevo ve viditelném světle, vpravo pohled zblízka v představě umělce.

Nejznámější cíl Uhuru – Cygnus X-1. Vlevo ve viditelném světle, vpravo pohled zblízka v představě umělce.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Astronomové stojící za misi Uhuru vydali na základě jejích dat několik katalogů rentgenovských objektů. Nejznámější z nich obsahuje 339 zdrojů a leží v pásmu 2 – 6 keV. Na Uhuru později navázalo množství dalších observatoří, o řadě z nich jsme také již hovořili. Na sondě se mimo jiné podílel italsko-americký fyzik Riccardo Giacconi, který za rozvoj rentgenové astronomie obdržel v roce 2002 Nobelovu cenu za fyziku.

Čestné zmínky

Richard Belian z národní laboratoře Los Alamos se dvěma družicemi Vela.

Richard Belian z národní laboratoře Los Alamos se dvěma družicemi Vela.
Zdroj: https://bloximages.newyork1.vip.townnews.com/

Podobně jako u ostatních dílů našeho seriálu, i zde přichází místo pro stručné shrnutí několik misí, které se do finálního výběru nedostaly. Nezařadil jsem sovětské družice programu Proton, které jako první zkoumaly gama záření, ani družice projektu Vela, jež objevily gama záblesky. O gama záření a gama záblescích jsme totiž už dostatečně hovořili v jiných článcích. Vynechal jsem i první družici určenou pro pozorování v ultrafialové oblasti, americkou OAO-2.

Nedostalo se ani na první astrometrickou družici Hipparcos, o níž jsme už hovořili v jednom z minulých článků série TOP 5 v loňském roce a rozebírali jsme ji i v několika jiných článcích. Z téhož důvodu jsem opomenul i sovětskou družici Prognoz 9 a americký COBE, které jako první zkoumaly reliktní záření. Také jim jsme se již věnovali jindy a jinde. A rozhodl jsem se vynechat též evropskou družici LISA Pathfinder. Ta totiž sloužila jako technologický demonstrátor pro technologie potřebné k pozorování gravitačních vln, ona sama však gravitační vlny nepozorovala.

1) Helios

Prototyp sondy Helios

Prototyp sondy Helios
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Naši hvězdu, Slunce, zkoumáme již tisíce let, podrobněji pak od doby Galilea Galileiho asi 400 roků. Pozorování Slunce proto brzy nalezlo své místo i v kosmonautice, na první observatoř, respektive observatoře určené výhradně k výzkumu Slunce jsme si ale museli počkat až do 70. let. Šlo o dvojici americko – německých družic Helios. Ty jsou obvykle označovány jako Helios-A a B nebo Helios 1 a 2. Obě observatoře vypadaly velmi podobně a měly i obdobné parametry.

Sondy měly výšku 2,1 metru a maximální průměr 2,7 metru. Po startu byly rozvinuty telekomunikační antény, jež prodloužily výšku sond na 4,2 metru, a antény pro detekci rádiových vln o délce 16 metrů. Obě sondy disponovaly centrálním tělesem o tvaru šestnáctibokého hranolu s průměrem 1,75 metru a výškou 0,55 metru. V tomto centrálním tělese nesla sonda většinu přístrojového vybavení. Nad a pod centrálními tělesy se rozkládaly kónické solární panely. Díky nim měly sondy typický tvar diabola.

Srovnání velikosti sondy Helios s lidskou postavou.

Srovnání velikosti sondy Helios s lidskou postavou.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Konstrukci sondy zajistila německá firma Messerschmitt-Bölkow-Blohm, šlo proto o první dvě sondy vyrobené mimo Sovětský svaz nebo USA, které se podívaly do kosmického prostoru. Každá sonda nesla deset vědeckých experimentů. Mezi ně patřily přístroj určený pro stanovení rychlosti a distribuce plazmatu slunečního větru, magnetometry měřící indukci a směr magnetických polí v blízkosti Slunce, zařízení schopné měřit elektrostatické a elektromagnetické vlny v plazmatu slunečního větru, spektrometr určený k měření vlastností elektronů, pozitronů a protonů, detektory kosmického záření nebo fotometry snímající intenzitu a polarizaci zodiakálního světla.

Obě observatoře odstartovaly z Kennedyho vesmírného centra. Helios-A vynesla raketa Titan IIIE v prosinci 1974, Helios-B stejná raketa v lednu 1976. Naštěstí proběhly oba vzlety výborně a mohla tak začít hlavní fáze misí. Sondy byly vypuštěny na eliptické heliocentrické dráhy s vysokou excentricitou, proto měly afelium 0,98 a 0,99 AU od Slunce (tedy téměř u Země), ale perihelium jen 0,29 a 0,31 AU od Slunce. Oběžná doba byla 185, respektive 190 dní.

Sondy Helios a Parker Solar Probe.

Sondy Helios a Parker Solar Probe.
Zdroj: https://planetary.s3.amazonaws.com/

Helios-B létal o něco blíže ke Slunci a provedl tak nejbližší průlety kolem naší hvězdy až do éry Parker Solar Probe. Vůbec největší přiblížení proběhlo v dubnu 1976 a sonda při něm dosáhla rychlosti 70 km/s. Protože Helios-B startoval o něco později než Helios-A, mohli inženýři jeho konstrukci vylepšit na základě dat získaných z jeho předchůdce. Díky tomu dokázal Helios-B detekovat zdroje gama záblesků, především ale došlo ke zlepšení tepelné izolace. Proto přežily některé přístroje bez úhony zahřátí na 152 stupňů Celsia.

Právě Helios-B fungoval výrazně kratší dobu, deaktivován byl v prosinci 1979. Helios-A vydržel pracovat až do února 1985, poslední data ze sondy přijala pozemská stanoviště v únoru 1986, což znamenalo konec mise observatoří Helios. Nikoliv ovšem definitivní fyzický konec obou sond. Ty jsou sice neaktivní, ale na své heliocentrické dráze jsou stále a ještě dlouhou dobu budou.

Popis sond Helios.

Popis sond Helios.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Po vědecké stránce lze mise hodnotit velmi pozitivně. Podařilo se důkladně proměřit vlastnosti meziplanetárního prachu nacházejícího se ve vzdálenosti 0,1 – 1 AU od Slunce. Zjistilo se, že je zde asi desetkrát více prachu, než v okolí Země. Vzhledem k průchodům komet se očekávalo heterogenní rozložení prachu, ale to se nepotvrdilo. Povedlo se také detailně probádat sluneční vítr v období od minima slunečního cyklu až po jeho maximum. Za dobu činnosti jedné ze sond prošlo kolem Slunce rovněž několik komet. Díky tomu mohli vědci prozkoumat tyto komety a jejich vliv na prostředí v blízkosti Slunce.

Studovaly se také koronární výrony hmoty, směr magnetického pole v různých vzdálenostech od Slunce, rázové vlny spojené se slunečními erupcemi nebo to, jakým způsobem ovlivňuje Slunce a meziplanetární prostředí šíření kosmického záření a to slunečního i galaktického. Sondy Helios představovaly velký úspěch a otevřely cestu dalším observatořím zkoumajícím Slunce.

Závěr

V příštím dílu našeho miniseriálu TOP 5 se podíváme na některé velmi zajímavé kosmické observatoře, které měly taktéž důležité a pozoruhodné výsledky, ale na něž už veřejnost z toho či onoho důvodu víceméně zapomněla.

 

Opravy a doplnění 

  • 18. 7. 2023 12:05 – Opravena pasáž o oběžných drahách u sond Helios. Pochopitelně se v tomto případě nejednalo o apogeum a perigeum, ale afélium a perihelium, popřípadě apocentrum a pericentrum.

Použité a doporučené zdroje

Zdroje obrázků

Print Friendly, PDF & Email

Kontaktujte autora: hlášení chyb, nepřesností, připomínky
Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

2 komentářů ke článku “Top 5 průkopnických fyzikálních observatoří”

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.