Гершель (космічний телескоп)

Космічна обсерваторія Гершеля — космічна обсерваторія Європейського космічного агентства (ESA). Працювала з 2009 по 2013 рік й у свій час була найбільшим космічним інфрачервоним телескопом. Телескоп мав 3,5-метрове дзеркало та прилади, чутливі до далекого інфрачервоного та субміліметрового діапазонів хвиль (55–672 мкм). Обсерваторія була четвертою й останньою наріжною місією в програмі після SOHO/Cluster II, XMM-Newton і Rosetta.

Космічний апарат було виведено на орбіту ракетоносієм Ariane 5 у травні 2009 року й приблизно через два місяці він досягнув другої точки Лагранжа (L2) системи Земля — Сонце, що перебуває на відстані близько 1,5 млн км від Землі.

Обсерваторія названа на честь сера Вільяма Гершеля, першовідкривача інфрачервоного спектра, і його сестри та колеги Кароліни Гершель.

Обсерваторія була здатна бачити об'єкти в космосі, які складно спостерігати через оптичні телескопи, наприклад, об'єкти, що випромінюють світло на інфрачервоних та субміліметрових довжинах хвиль та об'єкти, спостереженню яких заважає міжзоряний пил. Наприклад, досліджувались області утворення зір та галактики, що тільки починали наповнюватися новими зорямиESA Science & Technology: Herschel.. Обсерваторія досліджувала зореутворюючі хмари, щоб простежити за утворенням потенційно важливих для життя молекул, таких як вода.

Тривалість роботи телескопа залежала від кріогенної рідини (надплинного гелію), необхідної для його інструментів. Гелій поступово випаровувався й інструменти переставали працювати належним чином. На момент запуску передбачалося, що його робота триватиме 3,5 роки (приблизно до кінця 2012 року). Він продовжував працювати до 29 квітня 2013 року 15:20 UTC, коли запаси охолоджувача закінчилися.

NASA було партнером місії «Гершель», відповідно американські учасники зробили свій внесок у місію та надали інструментальну технологію і спонсорували NASA Herchel Science Center (NHSC) у Центрі обробки та аналізу інфрачервоних даних () та Herschel Data Search у Науковому архіві інфрачервоних даних ().

Історія Ідея створення величезного орбітального інфрачервоного телескопа народилася 1982 року у європейських дослідників. У розробці телескопа під керівництвом Європейського космічного агентства . Через 27 років ракета-носій Ariane-5 стартувала з космодрому у французькій Гвіані.

Спочатку телескоп називали FIRST (абревіатура від  — телескоп далекого інфрачервоного й субміліметрового діапазонів).

Огляд місії У свій час телескоп Гершеля став найбільшим серед виведених за межі Землі. Діаметр його головного дзеркала — однієї з найважливіших компонентів оптичної системи — становить 3,5 м. Для порівняння, головне дзеркало «Хаббла» приблизно на метр менше — його діаметр становить 2,4 метра. За площею дзеркало «Гершеля» перевищує дзеркало «Хаббла» більш ніж удвічі (9,6 м² проти 4,5 м²). Від площі головного дзеркала опосередковано залежить «гострота зору» телескопа — що воно більше, то більше випромінювання зможе зібрати.

«Гершель» бачить Всесвіт не в оптичному, а в інфрачервоному й субміліметровому діапазонах. Усі створені доти космічні інфрачервоні телескопи за своїми розмірами навіть не наближалися до «Гершеля»: іхні дзеркала збирали приблизно у 20 разів менше випромінювання.

Людський зір обмежений вузьким інтервалом довжин хвиль від 360 до 730 нм, що отримав назву видимого світла. Видиме світло служило основним джерелом інформації про космос до середини XX ст.

У міру накопичення нових знань астрономи переконалися в тому, що наші очі, навіть посилені потужними телескопами, є малопридатним інструментом для вивчення Всесвіту. Видимого світла в космосі дуже мало й воно несе лише дещицю інформації про властивості космічних тіл. Однією з головних перешкод для видимого світла є пил, якого досить багато в космічному просторі. Діаметр часток пилу порівняний із довжиною хвиль видимого світла, тому порошинки ефективно відбивають і поглинають його.

Пил незмінно оточує народжувані зорі й планети з тієї простої причини, що саме з малесеньких часток космічного пилу й газу формуються величезні космічні тіла. Пил не затримує випромінювання назавжди — він випромінює, але вже не в оптичному, а в інфрачервоному діапазоні. Для телескопів, що працюють в оптичному діапазоні, пил є непереборною перешкодою, що приховує об'єкти спостереження.

Саме в інфрачервоному діапазоні світять холодні області Всесвіту. Загалом близько половини світла зір за весь час існування Всесвіту, було випромінено в інфрачервоному діапазоні.

У першу чергу, інфрачервоний телескоп дозволяє астрономам побачити Всесвіт без пилу. «Гершель» вловлює випущене порошинками випромінювання, отримане від інших космічних тіл. Аналізуючи його, вчені можуть скласти уявлення про початкове світло. Наприклад, про світло, що випромінюється під час утворення зір і планет.

Ще один об'єкт вивчення нового телескопа — це комети. Вони складаються переважно з водяного льоду, метану та вуглекислого газу і несуть в собі речовину, з якої складався молодий Всесвіт. Протягом еволюції Всесвіту речови́ни, що утворилися в результаті Великого вибуху та невдовзі після нього, зазнавали численних перетворень. Комети несуть в собі частинки первинного космосу, тому їх дослідження є критично важливим для складання картини Всесвіту.

Телескоп «Гершель» зможе вивчати не тільки еволюцію, а й хімію Всесвіту. Внаслідок Великого Вибуху утворилося лише три найлегших елемента — водень, гелій і літій — а всі інші утворилися в зоряних «печах». Зокрема й елементи, з яких побудовані живі істоти. Вивчення хімічного складу різних областей космосу допоможе не тільки уточнити закони еволюції зір, але й (імовірно) з'ясувати питання про механізми появи життя.

Розробка У 1982 р. ЄКА запропонувало телескоп далекого інфрачервоного та субміліметрового діапазону (FIRST). Довгостроковий план ЄКА «Horizon 2000», складений у 1984 році, передбачав місію високопродуктивної гетеродинної спектроскопії як одну з основних. У 1986 році FIRST було адаптовано під цю місію. Його обрали для впровадження в 1993 році після промислового дослідження в 1992—1993 роках. Концепція була перероблена з навколоземної орбіти на точку Лагранжа L2 після отриманого досвіду у 1995—1998 роках в (), що була розроблена для вивчення інфрачервоного світла з довжинами хвиль від 2,5 до 240 мкм. У 2000 році FIRST було перейменовано на Herschel на честь Вільяма Гершеля, який відкрив інфрачервоне випромінювання. Після проведення тендеру у 2000 році виготовлення почалося у 2001 році.

Наукова мета Гершель мав спеціалізуватися на зборі світла від об'єктів у Сонячній системі, а також Чумацького Шляху та навіть позагалактичних об'єктів, таких як новоутворені галактики. Було визначено чотири основні напрямки досліджень:

Утворення галактик у ранньому Всесвіті та еволюція галактик; Зореутворення та його взаємодія з міжзоряним середовищем; Хімічний склад атмосфер і поверхонь тіл Сонячної системи, включаючи планети, комети і супутники; Молекулярна хімія у Всесвіті.

Конструкція Космічна обсерваторія охоплювала далекий інфрачервоний і субміліметровий діапазони хвиль. Обсерваторія складалася з трьох підсистем: Власне телескоп, основною деталлю якого є 3,5-метрове головне дзеркало. Воно захищене від надмірного випромінювання спеціальним екраном, на якому розташовані сонячні батареї. Детектори, на які потрапляє зібране телескопом випромінювання. Сервісний модуль для виконання технічних функцій з підтримання роботи телескопа, обробки даних спостережень, зміни орбіти та зв'язку з Землею.

Телескоп У свій час телескоп «Гершеля» був найбільшим у космосі. Його головне дзеркало має діаметр 3,5 метри. Замість скла для виготовлення було використано спечений карбід кремнію. Заготовку дзеркала виготовила компанія Boostec у Тарбі, Франція; дзеркало відшліфувала та відполірувала компанія Opteon Ltd. в обсерваторії Туорла, Фінляндія. Потім в обсерваторії Калар-Альто в Іспанії шляхом вакуумного осадження на дзеркало нанесли адгезивну хромонікелеву плівку й відбивну плівку з алюмінію.

Детектори

Випромінювання, зібране телескопом, фокусувалося на три прилади, детектори яких охолоджували до температури нижче 2 К (−271 °C). Інструменти охолоджувалися понад 2300 літрами (510 імпгаллонів; 610 галлонів США) рідкого гелію, який википав у майже вакуумі при температурі приблизно 1,4 K (−272 °C). Забезпечення гелієм було основними обмеженням терміну експлуатації космічної обсерваторії; спочатку передбачалося, що вона працюватиме щонайменше три роки.

PACS Камера для обробки зображень і спектрометр з низькою роздільною здатністю (), що охоплює довжини хвиль від 55 до 210 мкм, розроблені та створені Інститутом позаземної фізики Товариства Макса Планка. Спектрометр мав спектральну роздільну здатність від R=1000 до R=5000 і міг виявляти слабкі сигнали до -63 дБ. Він працював як інтегральний польовий спектрограф, поєднуючи просторову і спектральну роздільну здатність. Камера для обробки зображень могла знімати зображення одночасно у двох діапазонах (60–85/85–130 мкм і 130—210 мкм) з межею виявлення в кілька міліянських.

SPIRE Камера для обробки зображень і спектрометр із низькою роздільною здатністю (), що охоплює діапазон хвиль від 194 до 672 мкм. Спектрометр мав роздільну здатність від R=40 до R=1000 на довжині хвилі 250 мкм та створювати зображення точкових джерел з яскравістю близько 100 міліянських (мЯн) і протяжних джерел з яскравістю близько 500 мЯн. Камера для обробки зображень мала три смуги, зосереджені на 250, 350 і 500 мкм, кожна з яких мала 139, 88 і 43 пікселі відповідно. Він зміг виявити точкові джерела з яскравістю понад 2 мЯн і від 4 до 9 мЯн для протяжних джерел. Прототип фотокамери SPIRE здійснив політ на висотній кулі BLAST. лабораторія реактивного руху NASA в Пасадені, штат Каліфорнія, вдосконалила та побудувала болометри-«павутини» для цього приладу, який у 40 разів чутливіший за попередні версії. Прилад Herschel-SPIRE створив міжнародний консорціум, до якого входили понад 18 інститутів із восьми країн, серед яких Кардіффський університет був провідним.

HIFI Гетеродинний детектор для далекого інфрачервоного діапазону (), здатний електронно розділяти випромінювання різних довжин хвиль, давав спектральну роздільну здатність до R=107. Спектрометр працював у двох діапазонах довжин хвиль: від 157 до 212 мкм і від 240 до 625 мкм. Нідерландський інститут космічних досліджень SRON очолював весь процес проєктування, конструювання та тестування HIFI. Центр управління приладами HIFI, також під керівництвом SRON, відповідав за отримання та аналіз даних.

NASA розробило та побудувало змішувачі, ланцюги гетеродина та підсилювачі потужності для цього приладу. Науковий центр NASA Herschel, який є частиною Інфрачервоного центру обробки та аналізу в Каліфорнійському технологічному інституті, надав програмне забезпечення для планування та аналізу даних.

Сервісний модуль

Спільний сервісний модуль (SVM) для місій Гершеля і Планка розробила й побудувала Thales Alenia Space на заводі в Турині, оскільки їхні місії були об'єднані в єдину програму.

За структурою SVM Гершеля і Планка дуже схожі. Обидва SVM мають восьмикутну форму, і для обох кожна панель призначена для розміщення визначеного набору теплових блоків, враховуючи при цьому вимоги до розсіювання тепла різних теплових блоків, інструментів, а також космічного корабля.

Крім того, на обох космічних кораблях було створено загальну конструкцію для систем авіоніки, контролю орієнтації та вимірювання (ACMS), управління командами та даними (CDMS), підсистем живлення та підсистеми відстеження, телеметрії та команди (TT&C).

Усі блоки космічного корабля на SVM резервувалися.

Підсистема живлення На кожному космічному апараті підсистема живлення складається з сонячної батареї, що використовує фотоелектричні комірки з потрійним переходом, акумулятора та блоку керування живленням. Він призначений для взаємодії з 30 секціями кожної сонячної батареї, забезпечує регульовану шину 28 В, розподіляє цю потужність через захищені виходи та забезпечує зарядку та розрядку батареї.