Tag Archives: MOST satellite

Астрономия, статия на деня: космически телескопи за жълти стотинки – откритията на космическите телескопи МОСТ и БРИТЕ и ползата от развитието на космически технологии


Трудно е да се свържат жълтите стотинки с космическите телескопи. За сравнение, през последното десетилетие годишният бюджет на Европейската Южна обсерватория (ЕСО), където работя, се колебае около 120-140 милиона евро. За 20 години експлоатация на космическия телескоп Хъбъл (диаметър на главното огледало 2.4 метра) са похарчени около 10 милиарда долара, което прави около 500 милиона долара на година. Оценките за следващия голям проект на НАСА – космическият телескоп Джеймс Уеб (диаметър на главното огледало 6.5 метра), който се очаква да работи в продължение на 5 или 10години – са около 5-6 милиарда долара (тези оценки могат да се видят тук: http://www.nasa.gov/pdf/499224main_JWST-ICRP_Report-FINAL.pdf). Даже сравнително малкият инфрачервен космически телескоп Спитцер (диаметър на главното огледало 0.6 метра) се нуждаеше от около 700 милиона (http://www.spitzer.caltech.edu/info/107-Innovations).

Даже без да взимаме под внимание, че ЕСО има четири 8-метрови телескопа, три 4-метрови и множество други по-малки (и повечето телескопи имат по няколко инструмента), правенето на астрономия от космоса е на порядъци по-евтини, отколкото от Земята.

И все пак космическата астрономия се развива, макар че разходите за нея са значителни. Причината е проста – от космоса може да се получат наблюдения, които не са възможни с наземни телескопи. Първо, земната атмосферата е непрозрачна – тя почти напълно поглъща фотоните с високи енергии, в ултравиолетовата и в инфрачервената области – по тази причина рентгеновите наблюдения и наблюденията в гама лъчите се правят почти изключително от космоса (https://en.wikipedia.org/wiki/XMM-Newton, https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_and_Heliospheric_Observatory, https://en.wikipedia.org/wiki/Swift_Gamma-Ray_Burst_Mission, за по-пълен списък: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_space_telescopes; този списък не включва инструментите, изстрелвани със суб-орбитални ракети но за тях – друг път).

Второ, земната атмосфера е нестабилна. Въздухът се движи, променя се налягането му и заедно с това – оптичните му свойства. Това води до „размиване“ на звездните изображения, които вместо почти идеални точки, се превръщат в дискове. Разбира се, размерът на тези дискове е незабележими за човешкото око, но той е пагубен за астрономическите инструменти, защото намалява разделителната им способност – най-просто казано, способността им да разделят две близко разположени звезди. Проблемът е особено актуален когато се търсят планети около ярки звезди, защото звездното изображение става толкова голямо, че „скрива“ планетите от наблюдателите.

Трето, в земната атмосфера има облаци. Облаците се състоят от водни пари, които имат свойството да поглъщат светлината много добре и тяхната „променливост“ превръща получаването на точна фотометрия от наземните телескопи доста трудна задача. При хубави условия – безоблачна нощ, ниска влажност и липса на Луна (която има лошия навик да повдига фоновото излъчване и да увеличава шума на измерванията), за ярки обекти и с прилично голям телескоп е сравнително лесно да се получи фотометрия с точност от няколко процента. Тук използвам понятията ярки обекти и прилично голям телескоп съвсем условно. Проблемът е, че за много наблюдателни задачи такава точност не е достатъчна – например пасажите (още известни като транзити) на екзопланетите обикновено имат дълбочина под един процент и много малко от тях са в орбита около „условно“ ярки звезди, дори за най-големите съвременни телескопи. Нещо повече, наистина интересните планети, с диаметър подобен на земния, предизвикват пасажи с дълбочина десети или дори стотни от процента. До някаква степен може да помогнат така наречените относителни измервания, когато се наблюдават едновременно обектът на изследване и звезда (или по-добре много звезди) за сравнение (два примера от работи на един мой аспирант, Клаудио Кацерес: http://adsabs.harvard.edu/abs/2009A%26A…507..481C, http://adsabs.harvard.edu/abs/2011A%26A…530A…5C, но и това решение не работи винаги, защото звездата за сравнение трябва да е почти толкова ярка, колкото обекта, а ярките звезди на небето са малко и обикновено са разположени далече една от друга и рядко попадат в полето на съвременните инструменти. За телескоп в космоса няма нужда от звезди за сравнение, нито от постоянни наблюдения на „стандартни“ звезди за да се калибрира сигналът. Нещо повече, обикновено космическите телескопи се калибрират на земята преди изстрелването им, и след това само се проверява дали чувствителността им съответствува на определената преди старта (съвсем без стандарти и калибриране не може, защото трябва да се следи за деградацията на огледалата и детекторите в суровите космически условия). Демонстрация на възможностите да се получава свръхточна фотометрия от космоса са телескопите Коро (https://en.wikipedia.org/wiki/COROT) и Кеплер (https://en.wikipedia.org/wiki/Kepler_%28spacecraft%29).

* * *

Наред с големи проекти, които изброявах до сега, съществуват и множество малки космически телескопи, за които рядко се говори. Причините за малката им „популярност“ са комплексни – в някой аспекти те успешно се конкурират с „големите“, но създателите им неизбежно са приели конструктивни решения за да намалят себестойността им, което в повечето случаи ги е превърнало в „нишови“ инструменти, подходящи само за адресирането на определени специфични наблюдателни задачи.

МОСТ (MOST; Microgravity and Oscillation of Stars) беше изстрелян на 30.юни.2003 година. Той представлява „куфар“ с размери 65 на 65 на 30 сантиметра, тежи 53 килограма и носи на борда си 15-сантиметров оптичен телескоп. Както се вижда от името, първоначалната задача е била да се изследва вътрешната структура на звездите с методите на астросеизмологията (https://en.wikipedia.org/wiki/Asteroseismology) – микро-променливост на звездите, породена от акустични осцилации в недрата им.

Обаче, не изненадващо, най-цитираните резултати са свързани с изследването на планети около други звезди. Джейсън Роу и съавторите му (списъкът включва и българина Димитър Съселов, професор в Харвард) наблюдават в продължение на 58 дни звездата HD 209458. Тя е от спектрален клас GoV и има ефективна температура около 6000 градуса по скалата на Келвин – не много различна от Слънчевата. В орбита с период около 3.5 дни около нея обикаля „горещ Юпитер“ (https://en.wikipedia.org/wiki/HD_209458_b). Роу и колеги му са се опитали да регистрират отразената светлина на планетата, но неуспешно (http://adsabs.harvard.edu/abs/2006ApJ…646.1241R и http://adsabs.harvard.edu/abs/2008ApJ…689.1345R). Това поставя горна граница на албедото (отражателна способност) на планетата и означава, че тя не е покрита с облаци, които да отразяват светлината на тамошното слънце. Такива отразяващи облаци в Слънчевата система имат Земята и Венера.

МОСТ има малко полезрение, което е именно един от тези компромиси, необходими за да се намали стройността на спътника. Това ограничава приложението му до изследване на единични обекти, какъвто е случая в HD 209458. Подобна беше стратегията на Джоуша Уин и неговите колеги, които през 2011 година обявиха (http://adsabs.harvard.edu/abs/2011ApJ…737L..18W), че петата и най-вътрешна планета в системата на звездата 55 Cnc има транзити. До тогава беше известна само масата на планетата – от измервания на радиални скорости, около 8.6 земни маси, а транзитите позволиха да се измери радиусът ѝ – два пъти по-голям от земния. Звездата 55 Cnc е от шеста звездна величина и човек със средно добро зрение може да я види с невъоръжено око (с други думи, без да използва телескоп или дори бинокъл). Това измерване постави планета в класа, наречен свръх-земи, защото тези обекти имат малко по-големите маси и размери от земните. Теоретичните модели предсказват за повечето от тях структура, подобна по-скоро на газови планети, затова някой предпочитат да ги наричат мини-Нептун.

Себестойността на МОСТ е около 7 милиона евро, телескопът продължава да се използва вече тринадесет години. За сравнение, обществената поръчка за 75 автомобила за Народното събрание от 2012 година е около 4.4 милиона лева, но за срок от само три години(http://www.dnevnik.bg/bulgaria/2012/09/13/1904108_narodnoto_subranie_obiavi_poruchka_za_tochno_opredelen/).

През 2014 година, когато канадското правителство реши да намали финансирането за наука, учените, които го използват се канеха да прибягнат до crowdfunding, за да продължат мисията му. В момента МОСТ се управлява от частната фирма MSCI (http://www.mscinc.ca/products/most.html), от името на Канадската Космическа Агенция. MSCI продължава научните изследвания с него, но също предлага и наблюдения на комерсиална основа.

БРИТЕ (BRITE; Bright Target Explore; https://en.wikipedia.org/wiki/BRITE) също е канадска обсерватория (с участието на Полша и Австрия; полската страница за БРИТЕ е тук: http://www.brite-pl.pl/index_en.html), но за разлика от МОСТ това не е един спътник, а цели шест наноспътника, кубове с дължина на страната 20 сантиметра и тегло 10 килограма. Апертурата на телескопите е само 3 сантиметра – това е компромисът при този проект, – но пък телескопите са много и могат да се използват паралелни за наблюдения на различни обекти. Към настоящия момент пет от шест изстреляни БРИТЕ наноспътника са в работно състояния. Не на последно място е важно, че ползрението на спътниците е 24 градуса, което позволява да се наблюдават едновременно множество ярки звезди. Статия с подробно техническо описание на проекта може да се види тук: http://cdsads.u-strasbg.fr/cgi-bin/bib_query?2014PASP..126..573 и стойността на всеки един от наноспътниците е около 1-2 милиона долара (http://thevarsity.ca/2013/03/10/u-of-t-launches-nano-satellites-into-orbit/).

Няколко мои колеги от Есо, сред които Дитрих Бааде използваха БРИТЕ като част от голяма колаборация за да изследват загубата на маса при Бе звездите (https://en.wikipedia.org/wiki/Be_star). Това са горещи звезди, които се въртят толкова бързо, че центробежната сила на екватора им почти се изравнява с гравитацията и част от звездното вещество „отлита“ в космоса и образува газов диск около звездата. Тези звезди се разпознават лесно по силните емисионни линии в спектрите им. Наблюденията показват, че прехвърлянето на материал от звездата към диска не става с постоянна скорост, а е модулирано от пулсации на Бе звездите, което на свой ред води до активност в диска. Това е само една от първие три статии, използващи наблюдателен материал от БРИТЕ. Сигурен съм, че ни предстои да видим още важни резултати от този проект.

* * *

Надявам се, че успях да покажа – малкит и евтини космически телескопи имат своята ниша, специално в наблюденията на ярки звезди и в продължителните кампании, покриващи много седмици или дори месец. Обаче ползата от тях не се изчерпва до тук.

Нека да си спомним за спускаемия апарат Бийгъл-2 (https://en.wikipedia.org/wiki/Beagle_2), изпратен към Марс заедно с космическата станция Марс експрес, той трябваше да кацне малко преди Коледа на 2003 година. Апаратът се отдели от станцията, спусна се в атмосферата и изчезна. Разследването на ЕСА стигна до заключението, че проектът е било доста „суров“, и раязкри. Наиситна, в началото на 2015 годна Бийгъл-2 беше открит върху фотографии на марсианската повърхност и стана ясно, че той все пак е кацнал, но една от слънчевите батерии не се е отворила, блокирайки възможността за радиоконтакт със Земята.

Проблемите с Бийгъл-2 издават липсата на опит и бих казал, на „зрялост“ в космическата Британската космическа индустрия, която навремето се отказа от създаването на собствени носител; рязък контраст с Японската космическа агенция, която трупа опит с годините изпращайки една след друга амбициозни мисии като Хаябуса (https://en.wikipedia.org/wiki/Hayabusa) например.

Малките космически телескопи са именно школата, която създава кадрите и инфраструктурата, необходими за по-смели космически проекти. Разбира се, натрупаният опит в създаването и управлението на спътници не се ограничава до телескопи, както и обучението на студентите по астрономия не означава, че те непременно трябва да станат астрономи – уменията да решават проблеми, да намират отговори чрез изследователски методи могат да се приложат навсякъде и са един от начините науката да върне на обществото инвестициите, които са направени за нея.

Leave a comment

Filed under astronomy, астрономия, космонавтика, наука, science