| |
Petr Kulhánek: TPF – hledač planet podobných Zemi
V americké NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.
připravují další z ambiciózních projektů, který dostal název TPF neboli
Terrestrial Planet Finder, což v češtině znamená „Hledač planet pozemského typu“.
Půjde o unikátní dvojici spolupracujících přístrojů. Prvním z nich bude
koronografKoronograf – původně přístroj k pozorování koróny Slunce, ve kterém je vlastní povrch Slunce zakryt, aby nerušil pozorování. Koronograf se používá i k pozorování okolí hvězd. Samotná hvězda je zakryta a koronograf zobrazuje její okolí, například protoplanetární disky nebo planety.
TPF-C, dalekohled ve vizuálním a ultrafialovém oboru, který dokáže
zaclonit světlo centrální hvězdy (aby nerušilo) a prohledávat její okolí. Druhým přístrojem
bude výkonný
interferometrInterferometr – soustava dvou a nebo více antén, ze kterých se signál přivádí do jednoho místa, kde interferuje (sčítají se amplitudy vln). Jsou-li v protifázi, může dojít k vyrušení výsledné vlny. V detekčním přístroji se zaznamenává intenzita vlny, která je kvadrátem amplitudy. Čím větší je základna interferometru, tím vyšší je jeho rozlišovací schopnost.
TPF-I v infračerveném oboru. Skládá se ze čtyř dalekohledů
letících v pevné formaci a senzoru. Koronograf by měl startovat někdy kolem roku 2016 a interferometr
kolem roku 2019. Základním cílem velkolepého projektu je prohledání okolí 150
nejbližších hvězd, vyhledávání oblastí vhodných pro život a nalezení planet podobných
naší Zemi.
TPF koronograf (nalevo) a interferometr (napravo). Zdroj: NASA.
|
NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.
Koronograf – původně přístroj k pozorování koróny Slunce, ve kterém je vlastní povrch Slunce zakryt, aby nerušil pozorování. Koronograf se používá i k pozorování okolí hvězd. Samotná hvězda je zakryta a koronograf zobrazuje její okolí, například protoplanetární disky nebo planety.
Interferometr – soustava dvou a nebo více antén, ze kterých se signál přivádí do jednoho místa, kde interferuje (sčítají se amplitudy vln). Jsou-li v protifázi, může dojít k vyrušení výsledné vlny. V detekčním přístroji se zaznamenává intenzita vlny, která je kvadrátem amplitudy. Čím větší je základna interferometru, tím vyšší je jeho rozlišovací schopnost.
|
Koronograf (TPF-C)
Základní součástí koronografu je dalekohled s eliptickým primárním zrcadlem
o rozměru 8×3,5 metru. Jde o mimoosový Cassegrainův systém s ohniskovou
vzdáleností 146 metrů! Vzdálenost mezi primárním a sekundárním zrcadlem bude 12
metrů, jeho velikost 83×37 cm. Terciární zrcadlo je rovinné. Primární i sekundární zrcadlo
se bude deformovat soustavou aktuátorůAktuátor – elektrostatický nebo hydraulický podpůrný prvek deformovatelného zrcadla, který zajišťuje jeho tvarové změny v závislosti na řídícím signálu. Podmínkou je, aby změny tvaru zrcadla probíhaly s vyšší frekvencí než změny v obrazu, který je adaptivní optikou opravován.
podle okamžité potřeby. Bude tak možné
reagovat na průhyby způsobené rotací sondy nebo manévrováním sondy.
| Zrcadlo |
Rozměr (m) |
Poloměr křivosti (m) |
| Primární |
8×3,5 |
26,8 |
| Sekundární |
0,83×0,37 |
3 |
| Terciární |
0,14×0,09 |
∞ |
Základní optické části koronografu. Zrcadla jsou značena modře.
Chod paprsků je mimoosový.
Primární zrcadlo bude uloženo v komoře vyhřívané na pokojovou teplotu. Je to
proto, aby pracovalo za stejných podmínek jako při odlití. Celý
koronografKoronograf – původně přístroj k pozorování koróny Slunce, ve kterém je vlastní povrch Slunce zakryt, aby nerušil pozorování. Koronograf se používá i k pozorování okolí hvězd. Samotná hvězda je zakryta a koronograf zobrazuje její okolí, například protoplanetární disky nebo planety.
bude
obklopen stínícím protislunečním štítem, jehož průměr je úctyhodných 16 metrů
a délka 14 metrů. Za slunečním štítem jsou panely slunečních baterií a panel
kompenzující vliv
slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v m3. Částice vylétávající v polárním směru mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země.. Celková délka soustavy tak dosáhne 37
metrů. Celé toto monstrum o velikosti 16×37 metrů se přitom musí při startu
vejít do nákladního prostoru o velikosti 4,5×16 m a hmotnost nesmí
přesáhnout 6 200 kg. Koronograf bude schopen prozkoumávat hvězdy od
spektrální třídySpektrální třída – rozdělení hvězd podle charakteristik jejich spekter do základních tříd W, O, B, A, F, G, K, M, L, T. Nejteplejší, modrofialové hvězdy mají spektrum označené W, nejchladnější hvězdy spektrálních tříd M, L a T jsou červené. Spektrální třída odpovídá zejména povrchové teplotě hvězdy. F po spektrální
třídu K a měl by být schopen detekovat i planetu poloviční velikosti
naší
ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.
(při stejném
albeduAlbedo – míra odrazivosti povrchu tělesa. Jde o poměr dopadajícího a odraženého elektromagnetického záření vyjádřený zpravidla v procentech nebo desetinných číslech. Pokud není specifikováno jinak, jde o viditelné světlo a kolmý dopad. Například albedo sněhu je 90 % (0,9), Země 31 % (0,31) a Měsíce 12 % (0,12).). Spektrální rozsah přístroje bude 500÷800 nm.
Start je plánován na rok 2016 a to pomocí nosné rakety
ArianeAriane – nosná raketa využívaná Evropskou kosmickou agenturou. Její název pochází z francouzského přepisu jména mytologické postavy Ariadne. Nosič byl vyvíjen od 70. let dvacátého století. První úspěšný start Ariane 1 proběhl v roce 1979. Dnes je k dispozici nosič Ariane 5 s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 6 tun. Rakety startují ze základny Kourou ve Francouzské Guianě. V nebo Delta IV
Heavy.
Koronograf TPF-C. Patrný je protisluneční štít, panely slunečních baterií
a kompenzátor slunečního větru. Zdroj: NASA.
Počítačová simulace obrazu vzdálené galaxie
gravitačně čočkovanéGravitační čočka – efekt gravitační čočky předpověděl A. Einstein v roce 1936. Hmotný objekt (zpravidla velká galaxie) ležící mezi zdrojem záření a pozorovatelem zakřivuje světelné paprsky podobně jako skleněná čočka v laboratoři. Jsou-li objekty dokonale na přímce, vznikne jako obraz vzdálené galaxie tzv. Einsteinův prstenec. Jsou-li objekty mírně vyosené, vznikne buď oblouk nebo několikanásobný obraz vzdálené galaxie či kvazaru.
mezilehlým
oblakem temné hmoty. Širokoúhlá kamera na TPF-C dokáže zobrazit i oblasti
ionizovaného vodíku. Zdroj: Simon Dedeo, Ed Sirko, Princeton University.
Interferometr (TPF-I)
InterferometrInterferometr – soustava dvou a nebo více antén, ze kterých se signál přivádí do jednoho místa, kde interferuje (sčítají se amplitudy vln). Jsou-li v protifázi, může dojít k vyrušení výsledné vlny. V detekčním přístroji se zaznamenává intenzita vlny, která je kvadrátem amplitudy. Čím větší je základna interferometru, tím vyšší je jeho rozlišovací schopnost.
byl navržen pro práci ve střední části infračerveného
spektra, kde je větší kontrast mezi planetou a hvězdou než ve viditelném
oboru. Má-li ovšem mít IR dalekohled stejnou rozlišovací schopnost jako
optický, musí mít primární zrcadlo desetkrát až dvacetkrát větší rozměr.
Tak velké zrcadlo by bylo obtížné vyrobit a dopravit do kosmu a proto se
rozhodlo o konstrukci interferometru, který kombinuje signál z několika
zdrojů. I v IR oboru je svit hvězdy výrazně větší než planety a proto
musí být interferometr nastaven tak, aby ve směru hvězdy nastalo minimum
interferenčního obrazce. Přítomnost planety potom známým způsobem deformuje
interferenční obrazec. Interferometr se bude skládat ze čtyř dalekohledů
se zrcadly o průměru 4 metry spojených buď lineárně (základna 60÷150 m)
nebo do tvaru X (základna 40÷100 m). Základní vlnový rozsah bude 7÷13 μm,
v ideálním případě od 5 μm až do 17 μm. Každé rozšíření
spektrálního rozsahu s sebou přináší možnosti sledovat další
důležité emisní a absorpční čáry. Úhlová rozlišovací schopnost
interferometru by měla dosáhnout až 0,05″.
Dvě možné geometrie čtyř dalekohledů a senzoru (žlutě). Lineární
uspořádání může
mít rozměry 60÷150 m, uspořádání typu X rozměry 40÷100 m.
| Parametr |
základní hodnota |
ideální hodnota |
| Průměr zrcadel |
4 m |
4 m |
| Rozsah |
7÷13 μm |
5÷17 μm |
| Úhlové rozlišení |
75″ |
50″ |
|
Spektrální rozlišení λ/ΔλRozlišení spektroskopu – je dáno podílem vlnové délky pozorovaného světla a nejmenšího rozdílu vlnových délek monochromatických vln stejné intenzity, které prvek ještě rozliší. U hranolu závisí r. s. na disperzi materiálu, ze kterého je vyroben a na absolutní velikosti jeho základny. U difrakční mřížky je r. s. tím větší, čím je větší řád spektra, ve kterém provádíme měření a čím je větší počet vrypů mřížky. |
20 |
40 |
| Zorné pole |
1″ při 12 μm |
1″ při 12 μm |
| Užitečné pole |
±45° ve směru od Slunce |
±45° ve směru od Slunce |
| Ukazatelé života |
H2O, O3 |
H2O, O3, CO2, CH4 |
| Trvání mise |
5 let |
10 let |
| Umístění |
L2Lagrangeovy body – pět bodů v sousedství dvou obíhajících hmotných těles, ve kterých je gravitační a odstředivá síla vyrovnána. Polohu těchto bodů poprvé vypočítal italsko-francouzský matematik Joseph-Louse Lagrange. Velmi výhodné je například umístění sondy do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce, který je vzdálený od Země 1 500 000 km ve směru od Slunce (WMAP, Planck, Herschel, TPF).
Země-Slunce |
L2Lagrangeovy body – pět bodů v sousedství dvou obíhajících hmotných těles, ve kterých je gravitační a odstředivá síla vyrovnána. Polohu těchto bodů poprvé vypočítal italsko-francouzský matematik Joseph-Louse Lagrange. Velmi výhodné je například umístění sondy do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce, který je vzdálený od Země 1 500 000 km ve směru od Slunce (WMAP, Planck, Herschel, TPF).
Země-Slunce |
Lineární varianta interferometru. Zdroj: NASA.
Testy fázování optických paprsků interferometru. Optická lavice na
Arizonské univerzitě.
Závěr
Ambicióznímu projektu TPF je věnována řada konferencí, nejbližší
proběhne v listopadu 2006 v Pasadeně. Vědci doufají nejen v detekci
planet podobných Zemi, ale zařízení by mělo spolehlivě odhalit
i sloučeniny nutné pro život nebo produkované životem samotným. Půjde
o nejcitlivější infračervenou observatoř světa a tak lze také očekávat
detailní prozkoumání chladných míst ve vesmíru. Přípravy projektu jsou
v plném proudu, včetně vývoje speciálních robotů umožňujících simulovat
manévry sondy v kosmu. Doufejme, že se americké NASA podaří tento
mimořádně zajímavý projekt uskutečnit.
|
Základní diagram srovnávací planetologie. Zanesena je hmotnost a poloměr planet
Jupiter, Uran, Saturn a Země spolu s křivkami, které odpovídají rovnovážné
hmotnosti a poloměru chladné sféry vyrobené z látky určité střední atomové
hmotnosti. Předpokládá se, že TPF doplní tento diagram o mnoho extrasolárních
planet. Zdroj: Zapolsky & Salpeter, 1969.
|
Klip týdne
Hledač pozemských planet TPF. Jde o ambiciózní projekt NASA s názvem TPF (Terrestrial Planet Finder). Hlavním cílem je vyhledávání
oblastí vhodných pro život a hledání planet podobných Zemi u 150
nejbližších hvězd. Aparatura se bude skládat ze dvou zařízení:
koronografu s eliptickým zrcadlem 8×3,5 metru pro viditelný obor
a infračerveného interferometru složeného ze čtyř čtyřmetrových
dalekohledů. Start koronografu se předpokládá v roce 2016 a interferometru v roce 2019. V animaci vidíte sestavení
jednotlivých dalekohledů interferometru. Zdroj: NASA 2006.
Odkazy
|
NASA: TPF homepage
J. A.
Dooley, P. R. Lawson: Technology Plan for the Terrestrial Planet Finder
Coronagraph, JPL Publication 05-8, 2005 (pdf, 5 MB)
J. A.
Dooley, P. R. Lawson: Technology Plan for the Terrestrial Planet Finder
Interferometer, JPL Publication 05-5, 2005 (pdf, 3 MB)
M.
J. Kuchner: General Astrophysics and Comparative Planetology with the
Terrestrial Planet Finder Missions, Based on a workshop held at Princeton
University 14–15 April 2004 (pdf, 2 MB)
D. J.
Des Marais et al.: Biosignatures and Planetary Properties to be Investigated
by the TPF Mission, JPL Publication 01-008, 2001 (pdf, 560 kB)
|
Fórum – diskuze k tomuto bulletinu
|
|
