Kosmiczne Obserwatorium Herschela

Herschel Space Observatory
Ilustracja
Inne nazwy

Herschel,
Far Infrared and Sub-millimetre Telescope,
FIRST

Zaangażowani

ESA

Indeks COSPAR

2009-026A

Rakieta nośna

Ariane 5 ECA

Miejsce startu

Gujańskie Centrum Kosmiczne, Gujana Francuska

Cel misji

teleskop kosmiczny

Orbita (docelowa, początkowa)
Czas trwania
Początek misji

14 maja 2009 (13:12:02 UTC)

Koniec misji

17 czerwca 2013

Wymiary
Wymiary

7,5 m wys., 4,5 m śred.

Masa całkowita

3402 kg

Kosmiczne Obserwatorium Herschela podczas testów w European Space Research and Technology Centre (ESTEC)

Kosmiczne Obserwatorium Herschela (ang. Herschel Space Observatory), w skrócie nazywane Herschel – teleskop Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) przeznaczony do prowadzenia obserwacji astronomicznych w zakresie dalekiej podczerwieni i fal submilimetrowych. Obserwatorium zostało wyniesione 14 maja 2009 roku, wspólnie z satelitą Planck, na orbitę wokół punktu L2 układu Ziemia–Słońce, znajdującego się w odległości około 1,5 mln km od Ziemi. Obserwacje astronomiczne były prowadzone do 29 kwietnia 2013. Łączność z satelitą została zakończona 17 czerwca 2013[1].

Nazwa obserwatorium została nadana na cześć słynnego astronoma i odkrywcy promieniowania podczerwonego, Williama Herschela, oraz jego siostry, odkrywczyni wielu komet, Caroline Herschel.

Cele naukowe misji

Konstrukcja

Obserwatorium Herschela składało się z dwóch elementów – modułu ładunku (ang. Extended Payload Module) i modułu serwisowego (ang. Service Module).

Głównym elementem modułu ładunku był teleskop Cassegraina zbudowany ze spiekanego węgliku krzemu ze zwierciadłem głównym o średnicy 3,5 m i zwierciadłem wtórnym o średnicy 308 mm[2]. Był to największy z dotychczas skonstruowanych teleskopów kosmicznych. Zwierciadła ogniskowały światło w zakresie podczerwieni w znajdującej się poniżej, wewnątrz kriostatu, płaszczyźnie ogniskowej. Wewnątrz kriostatu umiejscowiono, wymagające niskiej temperatury do pracy, elementy trzech instrumentów naukowych. W zbiorniku kriostatu zmagazynowane było 2300 litrów nadciekłego helu, utrzymywanego w temperaturze wrzenia 1,65 K (-271,5 °C). Wrzący hel tworzył gaz zaopatrujący układy chłodzenia i stopniowo opróżniał zbiornik kriostatu. Bolometry instrumentów SPIRE i PACS były dodatkowo schładzane do temperatury 0,3 K. Osłona słoneczna chroniła teleskop i kriostat przed promieniowaniem słonecznym i rozproszonym światłem Ziemi. Zewnętrzna powierzchnia osłony była częściowo pokryta przez dostarczające energii elektrycznej ogniwa słoneczne.

Poniżej kriostatu znajdował się moduł serwisowy. Umieszczono w nim systemy niezbędne do funkcjonowania statku. Systemy zasilania magazynują i dystrybuowały energię elektryczną. Obserwatorium było stabilizowane trójosiowo. Do kontroli położenia i orbity wykorzystywane były czujniki Słońca, gwiazd i żyroskopy oraz koła reakcyjne i silniki rakietowe. 256 kg hydrazyny stanowiło paliwo dla 12 silników rakietowych (6 głównych i 6 rezerwowych). W module serwisowym znajdowały się też systemy sterowania, łączności, układy przetwarzania danych obserwacyjnych z instrumentów naukowych oraz te części instrumentów, które nie wymagały chłodzenia.

Głównym wykonawcą obserwatorium Herschela było Thales Alenia Space w Cannes. Głównym wykonawcą modułu ładunku było EADS Astrium w Friedrichshafen, modułu serwisowego Thales Alenia Space w Turynie, a teleskopu EADS Astrium w Tuluzie.

Instrumenty naukowe

Obserwatorium Herschela przeznaczone było do prowadzenia obserwacji fotometrycznych i spektroskopowych w zakresie fal o długości 55 – 672 μm. Na jego pokładzie znajdowały się trzy instrumenty naukowe:

  • Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) – fotometr obrazujący i spektrometr; obserwacje w zakresie długości fal 55 – 210 μm; skonstruowany przez konsorcjum kierowane przez Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik w Garching.
  • Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE) – fotometr obrazujący i obrazujący spektrometr fourierowski; obserwacje w zakresie długości fal 194 – 672 μm; skonstruowany przez konsorcjum kierowane przez Uniwersytet Walijski w Cardiff.
  • Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) – spektrometr heterodynowy o bardzo wysokiej rozdzielczości spektralnej (od 3 km/s do 0,03 km/s); obserwacje fal w zakresie częstotliwości 480 – 1250 GHz i 1410 – 1910 GHz (długości fal 240-625 µm i 157-212 μm); skonstruowany przez konsorcjum kierowane przez SRON Netherlands Institute for Space Research w Groningen, w jego budowie uczestniczyło też polskie Centrum Badań Kosmicznych PAN, które dostarczyło system zasilania, sterowania i kontroli lokalnego oscylatora heterodyny[3][4].

Przebieg misji

14 maja 2009 rakieta nośna Ariane 5 ECA, startująca z Gujańskiego Centrum Kosmicznego, wyniosła Obserwatorium Herschela i satelitę Planck na trajektorię transferową prowadzącą do punktu L2 układu Ziemia – Słońce. Odłączenie Obserwatorium Herschela od górnego stopnia rakiety nośnej nastąpiło po 25 min i 53 s od startu, na wysokości 1142 km nad wschodnim wybrzeżem Afryki. Odłączenie satelity Planck miało miejsce na wysokości 1723 km, po 28 min i 29 s od startu. Od tej pory misje obydwu satelitów były kontynuowane niezależnie[5].

Podróż Obserwatorium Herschela w okolice punktu L2 trwała około 60 dni. Rakieta nośna wprowadziła satelitę na wstępną orbitę o perygeum 270 km, apogeum 1 197 080 km i nachyleniu 5,99°[6]. 15 maja został wykonany pierwszy manewr korekcyjny trajektorii (Δv = 8,7 m/s). Drugi manewr korekcyjny (Δv = 0,99 m/s) został wykonany 18 maja. Rozpoczęła się trwająca do połowy lipca faza oddawania obserwatorium do użytku. W tym czasie następowało ochładzanie i odgazowanie elementów obserwatorium. Następnie rozpoczęła się faza weryfikacji i demonstracji możliwości aparatury[7].

14 czerwca otwarta została pokrywa kriostatu, która dotychczas chroniła znajdujące się w nim instrumenty przed zanieczyszczeniem. Tego samego dnia wykonano pierwsze zdjęcia próbne przy użyciu instrumentu PACS, potwierdzające jego dobry stan. Przykładowe fotografie zostały opublikowane przez ESA[8].

W lipcu obserwatorium weszło, bez konieczności wykonywania dodatkowego manewru, na orbitę wokół punktu L2 układu Ziemia – Słońce, znajdującą się w średniej odległości około 800 tysięcy km od tego punktu[a]. Odległość obserwatorium od Ziemi zmieniała się przez to od 1,2 do 1,8 mln km. Pozycja ta zapewniała optymalne warunki obserwacyjne, ze względu na brak zakłóceń ze strony promieniowania podczerwonego emitowanego przez Ziemię i Księżyc oraz łatwość zasłonięcia teleskopu przed światłem pochodzącym od Słońca, Ziemi i Księżyca. Ponieważ orbita ta jest dynamicznie niestabilna, raz w miesiącu były wykonywane manewry jej korekcji.

2 sierpnia 2009 r. doszło do awarii w układzie kontrolnym lokalnego oscylatora instrumentu HIFI, co spowodowało wyłączenie instrumentu. Instrument posiadał system zapasowy, jednak inżynierowie zdecydowali nie uruchamiać go dopóki nie zrozumieją przyczyny awarii[6]. Dochodzenie wykazało, że z nieznanego powodu, prawdopodobnie uderzenia przez cząstkę promieniowania kosmicznego w jeden z procesorów, doszło do skoku napięcia, który zniszczył diodę urządzenia. Po wprowadzeniu zmian, które zabezpieczały przed powtórzeniem się tego rodzaju awarii, w dniach 10 – 14 stycznia 2010 r. instrument HIFI został ponownie uruchomiony[9].

Faza prowadzenia rutynowych obserwacji naukowych zaplanowana była na trzy lata, z możliwością przedłużenia o rok. Czynnikiem ograniczającym długość jej trwania był ograniczony zapas nadciekłego helu w kriostacie. Po jego zużyciu instrumenty naukowe uległy ociepleniu, co uniemożliwiło wykonywanie dalszych obserwacji.

29 kwietnia 2013 roku centrum kontroli lotu poinformowało, że zapas helu wyczerpał się ostatecznie i obserwatorium nie przeprowadzi już więcej obserwacji. Misja teleskopu kosmicznego została zakończona, ale analiza zebranych danych obserwacyjnych będzie trwała przez następne lata[10][11].

Po wyczerpaniu zapasu helu, inżynierowie z Europejskiego Centrum Operacji Kosmicznych w Darmstadt wykorzystali satelitę do przeprowadzenia serii testów technologicznych. Posłużyły one do walidacji sprzętu, oprogramowania i funkcjonalności systemów, które mają zostać użyte w przyszłych misjach kosmicznych. Wykonano też serię manewrów, po których obserwatorium opuściło dotychczasową orbitę wokół punktu L2 układu Ziemia – Słońce i zostało wprowadzane na orbitę heliocentryczną o peryhelium 1,04 au, aphelium 1,06 au i nachyleniu względem ekliptyki 0,19°[12]. Największy manewr, polegający na trwającym 7 h 45 min odpaleniu silników, został przeprowadzony 13 i 14 maja. 17 czerwca 2013, po ostatnim odpaleniu silników, został zużyty cały zapas paliwa na pokładzie satelity. Po zakończeniu tego manewru, z centrum kontroli lotu, wysłano o 12:25 UTC ostatnią komendę, nakazującą wyłączenie transpondera na pokładzie obserwatorium[1][13].

Całkowity koszt misji Obserwatorium Herschela wyniósł około 1 miliarda euro. Wchodzi w to koszt budowy satelity, jego instrumentów naukowych, koszty startu i operacyjne[14].

Galeria zdjęć wykonanych przez Obserwatorium Herschela

  • Ciemna mgławica w gwiazdozbiorze Orła

    Ciemna mgławica w gwiazdozbiorze Orła

  • Obłoki gazu i pyłu w płaszczyźnie Drogi Mlecznej

    Obłoki gazu i pyłu w płaszczyźnie Drogi Mlecznej

  • Odległe galaktyki w obszarze Dziury Lockmana

    Odległe galaktyki w obszarze Dziury Lockmana

Zobacz też

Uwagi

  1. ↑ Orbita tego rodzaju nazywana jest orbitą Lissajous

Przypisy

  1. ↑ a b ESA: Herschel ends operations as orbiting testbed (ang.). 2013-06-17. [dostęp 2013-06-17].
  2. ↑ Sein, E., et al. A 3.5 m diameter SiC telescope for Herschel mission 2003-03-01
  3. ↑ Centrum Badań Kosmicznych PAN: Herschel. [dostęp 2011-12-31].
  4. ↑ Tomasz Kamiński, Maja Kaźmierczak. Herschel — nowy teleskop kosmiczny do obserwacji w dalekiej podczerwieni. „Urania — Postępy Astronomii”. 4/2009 (742). [dostęp 2013-05-02]. 
  5. ↑ ESA: ESA en route to the origins of the Universe. 2009-05-14.
  6. ↑ a b HSC Operations(B)Log (ang.). ESA.
  7. ↑ Orbit/navigation (ang.). European Space Agency.
  8. ↑ Herschel's 'sneak preview': a glimpse of things to come (ang.). ESA, 2009-06-16.
  9. ↑ SRON Netherlands Institute for Space Research: HIFI resumes quest for water in Universe (ang.). 14 stycznia 2010. [dostęp 2013-05-02].
  10. ↑ Markus Bauer, Göran Pilbratt: Herschel closes its eyes on the Universe (ang.). Europejska Agencja Kosmiczna, 2013-04-29. [dostęp 2013-05-02].
  11. ↑ Herschel Completes Its 'Cool' Journey In Space (ang.). NASA, 2013-04-29. [dostęp 2013-05-02].
  12. ↑ Jonathan Mcdowell, Jonathan Space Raport, 2013.
  13. ↑ Jonathan Amos: Herschel telescope switched off (ang.). BBC, 2013-06-17. [dostęp 2013-06-17].
  14. ↑ Herschel Factsheet; ESA; 2009-02-26

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Sondy kosmiczne i satelity z uczestnictwem ESA
Satelity Ziemi
Sondy kosmiczne

Media użyte na tej stronie

Embryonic Stars Amongst Gas and Dust.jpg
This image from the Herschel Observatory reveals some of the coldest and darkest material in our galaxy. The choppy clouds of gas and dust pictured here are just starting to condense into new stars. The yellow filaments show the coldest dust dotted with the youngest embryonic stars.

Infrared, or submillimeter, light with a wavelength of 250 microns is represented in blue; 350-micron light in green; and 500-micron light in red. Much of this region of our galaxy would be hidden in visible-light views.

The area pictured is in the plane of our Milky Way galaxy, 60 degrees from the center. It spans a region 2.1 by 2.1 degrees.

This image was taken by Herschel's spectral and photometric imaging receiver. Herschel is a European Space Agency mission with important participation from NASA.
Herschel Image of Andromeda Galaxy.jpg
This image of the Andromeda spiral galaxy highlights explosive stars in its interior, and cooler, dusty stars forming in its many rings. The image is of an observation from the Herschel Space Observatory taken in infrared light. NASA plays a role in both of these European Space Agency-led missions.

Herschel provides a detailed look at the cool clouds of star birth that line the galaxy's five concentric rings. Massive young stars are heating blankets of dust that surround them, causing them to glow in the longer-wavelength infrared light, known as far-infrared, that Herschel sees.

Andromeda is our Milky Way galaxy's nearest large neighbor. It is located about 2.5 million light-years away and holds up to an estimated trillion stars. Our Milky Way is thought to contain about 200 billion to 400 billion stars. .
Herschel Space Observatory.jpg
Artist's impression of the Herschel Space Observatory
Infrared Image of Dark Cloud in Aquila.jpg
An unseen stellar nursery comes into view in this Herschel image. Some 700 newly-forming stars are estimated to be crowded into these colourful filaments of dust. The complex is part of a mysterious ring of stars called Gould’s Belt.

This image shows a dark cloud 1000 light-years away in the constellation Aquila, the Eagle. It covers an area 65 light-years across and is so shrouded in dust that no previous infrared satellite has been able to see into it. Now, thanks to Herschel’s superior sensitivity at the longest wavelengths of infrared, astronomers have their first picture of the interior of this cloud.

It was taken on 24 October 2009 using two of Herschel’s instruments: the Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) and the Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE). The two bright regions are areas where large newborn stars are causing hydrogen gas to shine.

Embedded within the dusty filaments are 700 condensations of dust and gas that will eventually become stars. Astronomers estimate that about 100 are protostars, celestial objects in the final stages of formation. Each one just needs to ignite nuclear fusion in its core to become a true star. The other 600 objects are insufficiently developed to be considered protostars, but these too will eventually become another generation of stars.

This cloud is part of Gould’s Belt, a giant ring of stars that circles the night sky – the Solar System just happens to lie near the centre of the belt. For more than a hundred years, astronomers have puzzled over the origin of this ring, which is tilted to the Milky Way by 20º. The first to notice this unexpected alignment, in the mid-19th century, was England’s John Herschel, the son of William, after whom ESA’s Herschel telescope is named. But it was Boston-born Benjamin Gould who brought the ring to wider attention in 1874.Gould’s Belt supplies bright stars to many constellations such as Orion, Scorpius and Crux, and conveniently provides nearby star-forming locations for astronomers to study. Observing these stellar nurseries is a key programme for Herschel, which aims to uncover the demographics of star formation and its origin, or in other words, the quantities of stars that can form and the range of masses that such newborn stars can possess. Apart from this region of Aquila, Herschel will target 14 other star-forming regions as part of the Gould’s Belt Key Programme.
Star-Forming Galaxies in the Lockman Hole.jpg
Thousands of galaxies crowd into this Herschel image of the distant Universe. Each dot is an entire galaxy containing billions of stars.

For more than a decade, astronomers have puzzled over strangely bright galaxies in the distant Universe. These ‘luminous infrared galaxies’ appear to be creating stars at such phenomenal rates that they defy conventional theories of galaxy formation.

Now ESA’s Herschel infrared space observatory, with its ability for very sensitive mapping over wide areas, has seen thousands of these galaxies and pinpointed their locations, showing for the first time that they are packing themselves closely together, forming large clusters of galaxies by the force of their mutual gravity.

The mottled effect in the image gives away this clustering. All the indications are that these galaxies are busy crashing into one another, and forming large quantities of stars as a result of these violent encounters.

This image is part of the Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey (HerMES) Key Project, which studies the evolution of galaxies in the distant, ancient Universe. The project uses the SPIRE (Spectral and Photometric Imaging REceiver) instrument on Herschel and has been surveying large areas of the sky, currently totalling 15 square degrees, or around 60 times the apparent size of the Full Moon.

This particular image was taken in a region of space called the Lockman hole, which allows a clear line of sight out into the distant Universe. This ‘hole’ is located in the familiar northern constellation of Ursa Major, The Great Bear.

The galaxies seen in this image are all in the distant Universe and appear as they did 10–12 billion years ago. They are colour coded in blue, green, and red to represent the three wavebands used for Herschel’s observation. Those appearing in white have equal intensity in all three bands and are the ones forming the most stars. The galaxies shown in red are likely to be the most distant, appearing as they did around 12 billion years ago.

HerMES will continue to collect more images, over larger areas of the sky in order to build up a more complete picture of how galaxies have evolved and interacted over the past 12 billion years.