Впечатление художника от римского космического телескопа Нэнси Грейс. Активно охлаждаемое главное зеркало имеет диаметр 2,4 метра. Это копия главного зеркала космического телескопа Хаббл. Научные цели — исследование темной материи, темной энергии и экзопланет. Инструмент «Коронограф» (CGI), в разработке и создании которого участвует MPIA, тестирует новую технику наблюдения для поиска и исследования экзопланет. Фото предоставлено: GSFC/SVS
Инженеры и ученые из Астрономического института Макса Планка (MPIA) под руководством Оливера Краузе разработали важнейшие оптические элементы для инструмента «Коронограф» (CGI) Римского космического телескопа и доставили их в Лабораторию реактивного движения (JPL) в США.
Полностью собранный и протестированный CGI недавно прибыл в Центр космических полетов имени Годдарда НАСА (GSFC), где он будет интегрирован в телескоп. CGI протестирует инновационную конструкцию камеры, которая позволит получать прямые изображения и спектроскопию экзопланет на близких орбитах вокруг далеких звезд. Этот проект потенциально может стать первым прямым открытием второй Земли.
Римский космический телескоп Нэнси Грейс (ранее WFIRST) разрабатывался под руководством НАСА около десяти лет. Диаметр главного зеркала составляет 2,4 метра и является копией главного зеркала космического телескопа Хаббл.
Институт астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге изготовил важнейшие оптико-механические компоненты для одного из двух научных инструментов — коронографа (CGI). CGI — это технологическое исследование, которое тестирует новую концепцию измерения для обнаружения экзопланет с помощью прямых изображений.
Если, как ожидается, газовые планеты, подобные Юпитеру, можно будет надежно отобразить в виде точки света возле их звезды-хозяина, эту технику можно будет использовать для обнаружения и изучения каменистых планет, таких как Земля, с помощью будущих космических телескопов.
Вклад MPIA в CGI
MPIA разработала и изготовила шесть летных моделей и еще шесть строительных моделей механизмов точной центровки (PAM). Эти механизмы, которые выравнивают и стабилизируют оптические компоненты CGI, такие как зеркала и фильтры, во время наблюдений, были тщательно разработаны и тщательно протестированы в мастерских и лабораториях MPIA. Компания Hoerner & Sulger из соседнего города Шветцинген поддерживала компанию на этапе строительства.
Оливер Краузе, руководитель исследовательской группы инфракрасной космической астрономии, и его команда с весны 2022 года постепенно доставляют эти основные элементы компьютерной графики в Лабораторию реактивного движения (JPL) Калифорнийского технологического института (CalTech) в Пасадене, США. JPL является частью НАСА и занимается технической разработкой космических зондов.
MPIA является прямым партнером НАСА и Лаборатории реактивного движения в проекте CGI. НАСА и Лаборатория реактивного движения были особенно впечатлены выдающимися достижениями в разработке и производстве механизмов NIRSpec и MIRI, основных инструментов космического телескопа Джеймса Уэбба. NIRSpec и MIRI предоставляют впечатляющие изображения и данные с середины 2022 года.
Летные модели PAM уже установлены в CGI и тщательно протестированы для космических полетов. Для проверки технических характеристик на местах используются идентичные инженерные модели. Сюда входит натурная модель, уже выполнившая более 27 000 движений, что примерно в два раза превышает нагрузку летной модели во время наземных испытаний и полета в космос.
Еще одной важной вехой стала доставка CGI в Центр космических полетов имени Годдарда НАСА 19 мая 2024 года. Инструмент будет установлен в телескоп и пройдет дальнейшие обширные функциональные и нагрузочные испытания.
Конструкция камеры для поиска второй Земли
CGI является первым, кто объединил два распространенных метода наблюдения в космосе: коронографию и адаптивную оптику. Астрономы используют коронографы, чтобы блокировать яркие объекты специальными масками и, таким образом, делать видимыми более тусклые небесные тела поблизости.
Этот метод уже позволил обнаружить экзопланеты с помощью прямых изображений. Однако маски часто вызывают значительные искажения изображения вокруг скрытых звезд. Поэтому любую потенциальную экзопланету, отражающую свет своей родительской звезды, можно надежно обнаружить только на относительно больших расстояниях.
Поэтому астрономы используют этот метод почти исключительно для поиска гигантских газовых планет, подобных Юпитеру, на широких орбитах вокруг своих звезд-хозяев.
Уменьшение этих артефактов имеет важное значение для поиска меньших планет с более близкими орбитами. Поэтому CGI также оснащен адаптивной оптикой, которая обеспечивает более высокий контраст яркости между звездой и планетой. Эта технология обычно помогает уменьшить помехи на изображениях наземных телескопов, вызванные турбулентной атмосферой Земли.
В компьютерной графике эта технология смягчает искажающее воздействие оптической системы телескопа. Однако необходимая для этого вычислительная мощность представляет собой новую задачу для космических камер. В целом, учёные должны иметь возможность обнаруживать экзопланеты как никогда близко к своим ярким родительским звёздам, видимым как яркая точка света на изображении.
CGI предназначен для идентификации планеты, чья ближайшая родительская звезда в миллиард раз ярче, что примерно равно контрасту между Юпитером и Солнцем. По сравнению с сегодняшними возможностями это соответствует улучшению почти в тысячу раз. Встроенный спектрограф облегчит исследование состава атмосферы этих планет.
Технология с высочайшей точностью
Для этого ПАМ производства MPIA должны обеспечивать чрезвычайно высокую точность и стабильность позиционирования оптических элементов, таких как фильтры, коронографы и зеркала, в течение нескольких часов.
Во время работы PAM не должны наклоняться более чем на 40 миллисекунд дуги (3,6 миллиона миллисекунд дуги равны одному градусу) в течение восьми часов. Это ограничение соответствует углу, который позволил бы определить рост человека в Лос-Анджелесе из Гейдельберга.
Эти требования и сложность CGI делают его самым сложным и дорогим научным инструментом, когда-либо развернутым в космосе. Если первые испытания в космосе пройдут успешно, компьютерная графика станет доступна астрономам для изучения экзопланет.
План для будущих поколений
Если миссия CGI окажется успешной, оптимизация технологии может позволить использовать ее для будущих космических телескопов, таких как Обсерватория обитаемых миров. Тогда прямое изображение второй Земли было бы в пределах досягаемости.
Римский космический телескоп, первоначально называвшийся WFIRST (широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп), назван в честь астронома Нэнси Грейс Роман, которая на протяжении десятилетий возглавляла программы астрономических исследований НАСА. Помимо прочего, она отвечала за научное планирование космического телескопа Хаббл. Римский телескоп планируется запустить в 2027 году.
