Obserwacje instrumentem HIFI z pokładu Obserwatorium Kosmicznego Herschel (część 2/3)
17 Lut 2012r. w Astronautyka napisał/a Ryszard SzczerbaW drugiej części artykułu znajdują się informacje nt. instrumentów znajdujących się na pokładzie Herschel'a oraz polskim wkładzie w budowę spektrometru HIFI. Autor tego materiału pełnił rolę koordynatora udziału Polski w budowie HIFI.
Obserwatorium Kosmiczne Herschela
Obserwatorium Kosmiczne Herschela (w skrócie Herschel) jest projektem ESA zrealizowanym przy około 20% zaangażowaniu finansowym NASA oraz mniejszym wsparciu z innych krajów niestowarzyszonych, takich jak Kanada czy Polska. Całkowity koszt realizacji misji wyniósł ponad miliard Euro. Herschel wyposażony jest w 3,5 metrowe zwierciadło (dla przykładu teleskop kosmiczny Hubble'a posiada zwierciadło o średnicy około 2 m.), które wykonano z węglika krzemu i jest ono największym zwierciadłem wśród wyniesionych dotychczas w przestrzeń kosmiczną. Jednym z ograniczeń rozmiarów zwierciadeł, które wynoszone są w przestrzeń kosmiczną, są możliwości pomieszczenia ich w lukach transportowych rakiet nośnych. Z tego też powodu następne misje (np. planowany teleskop James Webb - następca teleskopu Hubble'a) będą miały już zwierciadła wielosegmentowe.Widok Kosmicznego Obserwatorium Herschela w zbliżeniu na jego lustro
Instrumenty znajdujące się na pokładzie misji Herschel obserwują Wszechświat w zakresie fal od około 60 do 670 mikrometrów (od 0,06 do 0,67 milimetra). Każde ciało emituje promieniowanie własne (termiczne) w pobliżu fali, której długość jest odwrotnie proporcjonalna do jego temperatury. Herschel obserwuje zatem najchłodniejsze obszary/obiekty we Wszechświecie (obiekt o temperaturze około 10 K będzie emitował większość swojej energii termicznej na falach o długości około 300 mikrometrów). Dodatkowo, przejścia rotacyjne molekuł leżą właśnie w zakresie submm.
Obserwacje Wszechświata w dalekiej podczerwieni i w zakresie sub-milimetrowym wymagają schłodzenia detektorów do temperatur bliskich zeru bezwzględnemu (bez tego detektory widziałyby promieniowanie termiczne pochodzące od satelity i samych siebie). Aby schłodzić detektory do tak niskiej temperatury, wykorzystuje się nadciekły hel. Herschel zabrał ponad 2200 litrów nadciekłego helu, które pozwalają utrzymywać detektory w temperaturach zbliżonych do zera bezwzględnego. Dotychczasowe zużycie helu pozwala oczekiwać, że jego zapasy wystarczą do początku 2013 r. Niestety, po wyczerpaniu nadciekłego helu, te bardzo kosztowne instrumenty staną się bezużyteczne. Pojawia się więc pytanie: dlaczego zainwestowano ponad miliard Euro w tak nietrwałe urządzenie? Odpowiedź jest prosta: aby zobaczyć, co się dzieje we Wszechświecie widzianym w promieniowaniu z zakresu sub-milimetrowego. Oczywiście naukowcy mają pewne oczekiwania (o których poniżej), ale spojrzenie na Wszechświat w nowych zakresach widma daje możliwość zobaczenia (odkrycia) zjawisk, o których nie mieliśmy dotychczas pojęcia.
Instrumenty naukowe misji Herschel
Na pokładzie satelity Herschel umieszczono trzy instrumenty naukowe, pozwalające na obserwacje w zakresie od około 60 mikrometrów do 0,67 milimetra. Warto jeszcze raz podkreślić, że dla większości fal z tego zakresu nie mieliśmy dotychczas żadnych szans, aby dokonać ich detekcji, nawet z najlepszych miejsc obserwacyjnych na Ziemi. Instrumenty dla misji Herschel zostały wybrane w drugiej połowie lat 90-tych ubiegłego stulecia. Są to: PACS (ang. Photodetector Array Camera and Spectrometer); SPIRE (ang. Spectral and Photometric Imaging Receiver) oraz HIFI (Heterodyne Instrument for FarInfrared). Ich budowa trwała około dziesięciu lat! Przy okazji warto nadmienić, że pierwsza propozycja, aby przygotować misję do obserwacji kosmicznych w zakresie submm, pochodzi z początku lat 80-tych ubiegłego stulecia. Pokazuje to, ile czasu zajmuje wszechstronne przygotowanie takich misji. Podstawowe informacje na temat poszczególnych instrumentów, a także linki do ich bardziej szczegółowych opisów, można znaleźć na stronie ESAC (ang. European Space Astronomy Center) (http://herschel.esac.esa.int/science_instruments.shtml). W skrócie: PACS zbudowało konsorcjum kierowane przez A. Poglitsch z MPE (ang. Max-Planck-Institute for Extraterrestial Physics); SPIRE powstał w konsorcjum kierowanym przez M. Griffin, z Uniwersytetu Cardiff; HIFI zbudowało konsorcjum kierowane przez T. de Grauw a w ostatnich latach przez F. Helmich z SRON (ang. Netherlands Institute for Space Research).
PACS może pracować jako kamera (ang. imaging photometer) lub też zestaw spektrometrów (ang. integral field spectrometer) w zakresie od około 60 do 210 mikrometrów. W tym drugim trybie rozdzielczość wynosi od 1000 do 5000, a widma otrzymywane są jednocześnie z 25 pól położonych w obszarze 47" x 47". Pracując jako kamera, PACS ma pole widzenia 1,75' x 3,5' i może otrzymywać mapy w dwóch pasmach jednocześnie: od 60 do 85 lub od 85 do 130 mikrometrów (matryca 64 x 32 pikseli) i od 130 do 210 mikrometrów (matryca 32 x 16 pikseli). Badania w tym zakresie długości fal koncentrują się na szukaniu odpowiedzi na pytania dotyczące powstawania gwiazd wraz z ich układami planetarnymi oraz powstawania galaktyk i ich ewolucji.
SPIRE podobnie jak PACS może pracować jako kamera i jako spektrometr, jednak w zakresie fal dłuższych niż PACS, mianowicie od około 200 do 670 mikrometrów. W trybie spektrometrycznym obserwacje z rozdzielczością maksymalnie 300 km/s można prowadzić w polu o średnicy 2' widzianym jednocześnie przez 37 i 19 pikseli, które są czułe odpowiednio na promieniowanie w zakresie od 200 do 300 i od 300 do 670 mikrometrów. W trybie fotometrycznym, SPIRE ma pole widzenia 4' x 8', które jest obserwowane jednocześnie przez matryce złożone z 139, 88 i 43 pikseli czułych na promieniowanie w szerokich zakresach fal o długościach centralnych, odpowiednio na 250, 350 i 500 mikrometrów. Dwa zasadnicze problemy naukowe stojące przed SPIRE to: szukanie odpowiedzi na pytanie kiedy i jak powstawały galaktyki, a także zrozumienie ewolucji gwiazd od ich powstania aż do "śmierci".
HIFI, w przeciwieństwie do poprzednich instrumentów, wykorzystuje heterodynę stosowaną w naziemnych obserwatoriach radioastronomicznych do zakresu fal sub-milimetrowych (od 157 do 615 mikrometrów z przerwą od 210 do 236 mikrometrów). Jest to najwyższej klasy spektrometr, bardzo wysokiej rozdzielczości, pozwalający na szczegółowe badanie linii molekularnych i atomowych, znajdujących się w różnych fazach ośrodka międzygwiazdowego. Widma HIFI pozwalają nie tylko zbadać skład chemiczny, ale również szczegółowo odtworzyć warunki fizyczne panujące w obserwowanych obiektach/obszarach. Jedną z molekuł, której obecności we Wszechświecie nie jesteśmy w stanie badać z obserwatoriów naziemnych ze względu na jej obecność w atmosferze ziemskiej, jest woda. Dlatego też kluczowym zadaniem stojącym przed HIFI jest prześledzenie obecności wody we Wszechświecie, począwszy od atmosfer najbliższych nam planet, komet i otoczek gazowo-pyłowych wokół gwiazd kończących swoją ewolucję, poprzez obszary formowania się gwiazd i rozrzedzony ośrodek międzygwiazdowy aż do odległych galaktyk.
W budowę tego bardzo zaawansowanego technologicznie instrumentu, jakim jest HIFI, zaangażowanych było 25 instytutów naukowych z 13 krajów, w tym Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika (CAMK) PAN (autor tego artykułu pełnił rolę koordynatora udziału Polski w budowie HIFI) i Centrum Badań Kosmicznych (CBK) PAN z dr Piotrem Orleańskim, który kierował pracą zespołu inżynierów zaangażowanych w budowę jednostki sterującej tzw. lokalnym oscylatorem HIFI. Warto podkreślić, że jeszcze 10 lat temu zbudowanie tak zaawansowanego instrumentu nie byłoby możliwe ze względu na ograniczenia technologiczne. Niektóre kluczowe podzespoły zostały skonstruowane po raz pierwszy i istnieją tylko w kilku egzemplarzach. Koszt budowy instrumentu HIFI to około 300 milionów Euro, a zaangażowanie finansowe Polski poprzez granty z Komitetu Badań Naukowych i później z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego wyniosło około 500 tysięcy Euro. Niemniej jednak, prace wykonane w Polsce, zostały wycenione na ponad 4 miliony Euro, co zaowocowało przyznaniem Polsce 3% czasu gwarantowanego na instrumencie HIFI.
Przyznany Polsce czas gwarantowany został rozdystrybuowany na 4 projekty badawcze związane z badaniem końcowych faz ewolucji gwiazd mało i średnio-masywnych, z badaniem ośrodka międzygwiazdowego w naszej, ale również w innych galaktykach oraz z badaniem atmosfer planet i komet w Układzie Słonecznym. Realizacja tych projektów odbywa się w ramach dużych zespołów badawczych, w skład których wchodzą naukowcy z krajów, które brały udział w budowie instrumentu HIFI. Ze strony polskiej zaangażowani są naukowcy z CAMK PAN, CBK PAN, UMK (Uniwersytet Mikołaja Kopernika) i IChF (Instytut Chemii Fizycznej) PAN. Warto podkreślić, że czas gwarantowany to jedynie około 1 roku obserwacji. Pozostały czas obserwacyjny został rozdysponowany na tzw. czas otwarty w ramach 2, już rozstrzygniętych, konkursów.
Pierwsze wyniki otrzymane głównie przy pomocy instrumentów PACS i SPIRE opublikowano w wydaniu specjalnym "Astronomy & Astrophysics" (A&A) zatytułowanym "Herschel: the first science highlights" (A&A 518) z 16 lipca 2010 r. Wszystkie 152 artykuły z tego wydania są ogólnodostępne (http://www.aanda.org/index.php?option=com_toc&url=/articles/aa/abs/2010/10/contents/contents.html). W październiku 2010 r. ukazało się kolejne wydanie specjalne A&A, tym razem poświęcone wynikom z HIFI. Tytuł tego wydania to "Herschel/HIFI: first science highlights" (A&A 521). Jest ono również ogólnodostępne (http://www.aanda.org/index.php?option=com_toc&url=/articles/aa/abs/2010/13/contents/contents.html) i zawiera 50 artykułów naukowych. Powodem dla którego pierwsze wyniki z instrumentu HIFI były opóźnione o około 3 miesiące, w porównaniu z wynikami z PACS i SPIRE, była awaria HIFI w sierpniu 2009 r. Awarię spowodowało uderzenie bardzo energetycznej cząstki w urządzenie HIFI. W efekcie uległa zniszczeniu jedna z niezabezpieczonych przed przepięciem diod. Dogłębna analiza przyczyn tej awarii i znalezienie sposobu zabezpieczenia pozwoliły uruchomić zapasowe moduły HIFI w styczniu 2010 roku. Od tego momentu HIFI, podobnie jak i inne instrumenty na pokładzie satelity Herschel, pracują bez większych zakłóceń i dostarczają ogromną ilość danych, których dogłębne zrozumienie zajmie naukowcom przynajmniej kilka następnych lat. W następnej części omówię pokrótce wyniki obserwacji pary wodnej w otoczkach wokół gwiazd węglowych przy pomocy instrumentu HIFI.
Informacje o autorze:
Ryszard Szczerba
Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika,
Rabiańska 8, 87-100 Toruń
Fotografia: ESA (Image by AOES Medialab)
Komentarze użytkowników
( DODAJ SWÓJ )
Nikt jeszcze nie napisał komentarza do tego materiału.Napisz komentarz
Odpowiedz na pytanie zadane w sondzie.
Zjawiska oraz wydarzenia w nadchodzącym miesiącu.
Zagłosuj lub zgłoś swoją stronę.
Ostatnio pisaliście:
Twoje Imię
28.03.2023, 04:03