Przejdź do treści

Następca Hubble'a w obserwacjach Układu Słonecznego?

img

Z chwilą gdy Kosmiczny Teleskop im. Hubble’a zakończy swoją misję, astronomowie utracą ważne narzędzie do badania planet Układu Słonecznego. Słynny teleskop przygląda się bowiem nie tylko najodleglejszym galaktykom, ale także najbliższemu sąsiedztwu Ziemi. Kto może popularnego Hubble’a zastąpić? Decyzja nie zapadła, a jedna z propozycji wydaje się bardzo ciekawa!

Artykuł pochodzi z bloga Andrzeja Kotarby "Czarne Światło"


Na początek idziemy do kąta!

Przymiotnik „planetarny” w odniesieniu do teleskopu oznacza, że mamy do czynienia z urządzeniem przeznaczonym do obserwacji planet i ich księżyców, ale także badania małych obiektów Układu Słonecznego – planetoid, planet karłowatych, komet, zagadkowych światów poza orbitą Neptuna. Specyfika obserwacji wymaga, by wybrane ciało niebieskie śledzić możliwie długo, gdyż wtedy w pełni ujawni się dynamika badanych procesów. Z drugiej strony byłoby dobrze, by analizowane zjawiska rejestrować z możliwie największą szczegółowością.

„Szczegółowość” oznacza w praktyce rozdzielczość kątową uzyskiwanych obrazów. (Astronomowie mierzą odległości i rozmiary na nieboskłonie stosując stopnie, a nie metry. Na przykład średnica Księżyca to 0,5 stopnia). Rozdzielczość kątowa ludzkiego oka to około 0,01748 stopnia, co odpowiada średnicy piłki do nogi, widzianej z odległości 720 m. Dla porównania, rozdzielczość kątowa Hubble’a to około 0,00001456 stopnia, a więc teleskop wypatrzyłby futbolówkę z dystansu 860 km (dla czytelników z USA: około 8000 długości boiska piłkarskiego). 


Rozmiar ma znaczenie

Jak uzyskać większą rozdzielczość? Zwiększając rozmiar zwierciadła teleskopu. Nie da się tego jednak robić w nieskończoność. W odniesieniu do misji kosmicznych barierą jest chociażby średnica osłony ładunku rakiety nośnej, obecnie około 5,5 m (rakiety Ariane-5, Atlas-5, Falcon-9). Budowa dużych zwierciadeł wymaga więc dzielenia ich na fragmenty, w taki sposób, by były złożone w czasie startu rakiety, a na orbicie rozkładały się formując docelowe zwierciadło. Podejście takie zastosowano projektując Kosmicznych Teleskopie im. Jamesa Webba. Czy z powodzeniem? Dowiemy się najwcześniej w przyszłym roku – start Webba planowany jest na październik 2021. 

Wzrost średnicy zwierciadła przekłada się na większą czułość teleskopu. Co ciekawe, tu astronomowie nie zgłaszają wygórowanych potrzeb. Twierdza, że do badań ciał Układu Słonecznego wystarczająca jest czułość, jaką już teraz oferuje Teleskop im. Hubble’a, a więc optyka z głównym lustrem o średnicy 240 cm. Może więc wystarczyłoby skopiować Hubble’a? Podejście całkiem bezpieczne od strony technicznej, a przez to sensowne z ekonomicznego punktu widzenia. Jednak pamiętajmy, że w taki sposób rozdzielczość kątowa również pozostanie jak w Hubble’u. A chcemy przecież większej.


Charyzmatyczny teleskop

Propozycję, jak zbudować „planetarny teleskop marzeń”, zgłosiła grupa naukowców skupiona wokół koncepcji CHARISMA, w pełnym brzmieniu: Caroline Herschel high-Angular Resolution In-Space assembled Multi-Aperture telescope (zgrabne tłumaczenie nazwy na polski jest poza moim zasięgiem). Astronomowie rezygnują z lustra monolitycznego (takiego, jak w Hubble’u), ale też z segmentowego (takiego, jak w Webbie). Zamiast tego sugerują aperturę rozproszoną. Cóż to takiego?

Otóż teleskop CHARISMA składałby się z dziewięciu małych, klasycznych teleskopów o średnicy jednego metra. Byłyby rozlokowane trójkami, na trzech ramienicach satelity. Każdy teleskop zbierałby światło niezależnie, przesyłając sygnał do modułu integrującego wiązki w jedną. Następnie wspólny sygnał wędrowałby do sekcji z instrumentami. Efektywna średnica zestawu rozproszonej optyki odpowiadałby pojedynczemu zwierciadłu o średnicy 10 metrów. Możliwa do osiągnięcia rozdzielczość kątowa wynosiłaby wtedy 0,0000035 stopnia, czyli 17 razy więcej niż dla Hubble’a. 

Powierzchnia dziewięciu jednometrowych luster to oczywiście mniej, niż powierzchnia jednego, dziesięciometrowego. A wielkość takiej powierzchni decyduje o czułości teleskopu. Niemniej okazuje się, że zaproponowane rozwiązanie zapewniłoby teleskopowi CHARISMA czułość porównywalna z możliwościami Hubble’a. 


Zbyt piękne by było prawdziwe?

W czasie startu dziewięć teleskopów zostałoby upakowane ciasno, jeden przy drugim, by pomieścić ładunek w osłonie aerodynamicznej. Na orbicie... Tu zaczynają się schody. Jak na razie nie wiadomo jeszcze, w jaki sposób teleskopy trafiłyby na pozycje robocze. Pewne jest to, że montaż musiałby być szalenie precyzyjny, z dokładnością do stutysięcznej części milimetra. Na jednej z grafik widziałem, że w konfigurowaniu systemu optyki mógłby pomóc manipulator – np. taki, jaki znamy z wahadłowców. 

Dotąd apertury rozproszonej nie stosowano w budowie kosmicznych teleskopów. CHARISMA byłby pierwszy, przecierając szlaki dla ewentualnych przyszłych misji o podobnej konstrukcji. Pomysł jest nowatorski i ryzykowny. Ale czy to właśnie nie takie koncepcje pozwalają przesuwać granicę tego, co znamy, wiemy i umiemy? „Ryzykowny” znaczy też, że trudno oszacować jego faktyczne koszty. Budżety tego typu przedsięwzięć lubią puchnąc w ślad za mnożącymi się wyzwaniami technicznymi. Tu wyzwań będzie sporo. Czy jednak nie było ich przy Kosmicznym Teleskopie im. Hubble’a, lub Kosmicznym Teleskopie im. Jamesa Webba?


PS dla dociekliwych. Zdolność rozdzielcza teleskopu zależy nie tylko od wielkości (średnicy) zwierciadła, ale także od długości rejestrowanego promieniowania. Podane w powyższym tekście wartości odnoszą się do fali o długości 500 nm. Teleskop planetarny działałby w domenie ultrafioletu, światła i bliskiej podczerwieni. 500 nm całkiem dobrze reprezentuje ten szeroki zakres.

 

Andrzej Kotarba


 

Na rysunku tytułowym: Możliwy wygląd teleskopu planetarnego w architekturze rozproszonej apertury. Rys. K. Sayanagi / arxiv.org/abs/2008.06816.