Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 28 (vyšlo 6. října, ročník 4 (2006)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

TPF – hledač planet podobných Zemi

Petr Kulhánek

V americké NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 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 či dalekohledů, ze kterých se signál z jediného zdroje přivádí do detektoru, kde interferuje (sčítají se amplitudy vln). Může jít také o jediný přístroj, v němž je paprsek rozdělen do více ramen. Jsou-li v detektoru vlny protifázi, může dojít k vyrušení výsledné vlny. V detektoru 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.

Terrestrial Planet Finder

TPF koronograf (nalevo) a interferometr (napravo). Zdroj: NASA.

NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 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 či dalekohledů, ze kterých se signál z jediného zdroje přivádí do detektoru, kde interferuje (sčítají se amplitudy vln). Může jít také o jediný přístroj, v němž je paprsek rozdělen do více ramen. Jsou-li v detektoru vlny protifázi, může dojít k vyrušení výsledné vlny. V detektoru 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 prvek. Takové prvky se využívají jak v nanotechnologiích, tak v klasických technologiích. V nanotechnologiích převádí prvek zaslanou informaci na mechanickou akci. V makrosvětě jde například o systém aktivní optiky – pod zrcadlem je sada aktuátorů, která kompenzuje jeho tvarové změny v závislosti na řídícím signálu. Podmínkou je, aby změny tvaru zrcadla probíhaly s vyšší frekvencí než změny v obrazu, který je korigován. podle okamžité potřeby. Bude tak možné reagovat na průhyby způsobené rotací sondy nebo manévrováním sondy.

Schéma 1

Schéma 2

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. Mohorovičićovým 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 ECA s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 10 tun. Rakety startují ze základny Kourou ve Francouzské Guianě. V nebo Delta IV Heavy.

Terrestrial Planet Finder - koronograf

Koronograf TPF-C. Patrný je protisluneční štít, panely slunečních baterií
a kompenzátor slunečního větru. Zdroj: NASA.

Simulace

Počítačová simulace obrazu vzdálené galaxie gravitačně čočkovanéGravitační čočka – efekt gravitační čočky předpověděl v roce 1924 ruský fyzik Orest Chvolson a v roce 1936 Albert Einstein. 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 mimo osu, vznikne buď oblouk, několikanásobný obraz nebo zdeformovaný obraz vzdálené galaxie či kvazaru. První gravitační čočka byla objevena v roce 1979. 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 či dalekohledů, ze kterých se signál z jediného zdroje přivádí do detektoru, kde interferuje (sčítají se amplitudy vln). Může jít také o jediný přístroj, v němž je paprsek rozdělen do více ramen. Jsou-li v detektoru vlny protifázi, může dojít k vyrušení výsledné vlny. V detektoru 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 geometrie

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 rozlišení spektroskopu na disperzi materiálu, ze kterého je vyroben a na absolutní velikosti jeho základny. U difrakční mřížky je rozlišení spektroskopu 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 sond určených k pozorování vzdáleného vesmíru do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce, který je vzdálený od Země 1 500 000 km ve směru od Slunce (WMAP, Planck, Herschel). Naopak, do bodu L1 soustavy Země-Slunce se umísťují sondy určené pro monitorování Slunce (například SOHO). Lagrangeův bod L3 soustavy Země-Slunce leží opačné straně Slunce, nepatrně dále, než je oběžná dráha Země. Body L4 a L5 neleží na spojnici obou těles, ale tvoří s nimi rovnostranné trojúhelníky. 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 sond určených k pozorování vzdáleného vesmíru do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce, který je vzdálený od Země 1 500 000 km ve směru od Slunce (WMAP, Planck, Herschel). Naopak, do bodu L1 soustavy Země-Slunce se umísťují sondy určené pro monitorování Slunce (například SOHO). Lagrangeův bod L3 soustavy Země-Slunce leží opačné straně Slunce, nepatrně dále, než je oběžná dráha Země. Body L4 a L5 neleží na spojnici obou těles, ale tvoří s nimi rovnostranné trojúhelníky. Země-Slunce

Terrestrial Planet Finder - interferometr

Lineární varianta interferometru. Zdroj: NASA.

Testy

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.

Planetologie

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

TPF(avi, 14 MB)

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

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage