Космическая обсерватория Гершеля — космическая обсерватория , построенная и управляемая Европейским космическим агентством (ЕКА). Он действовал с 2009 по 2013 год и был крупнейшим инфракрасным телескопом , когда-либо запущенным до запуска космического телескопа Джеймса Уэбба в 2021 году. [5] Гершель несет 3,5-метровое (11,5 футов) зеркало [5] [6] [7] ] [8] и приборы, чувствительные к дальнему инфракрасному и субмиллиметровому диапазонам волн (55–672 мкм). Herschel был четвертой и последней краеугольным камнем программы Horizon 2000 после SOHO / Cluster II , XMM-Newton и Rosetta .
Обсерватория была выведена на орбиту кораблем «Ариан-5» в мае 2009 года и примерно через два месяца достигла второй точки Лагранжа (L2) системы Земля-Солнце , на расстоянии 1 500 000 километров (930 000 миль) от Земли. Гершель назван в честь сэра Уильяма Гершеля , первооткрывателя инфракрасного спектра и планеты Уран , и его сестры и соратницы Кэролайн Гершель . [9]
Обсерватория была способна увидеть самые холодные и пыльные объекты в космосе; например, прохладные коконы, в которых формируются звезды, и пыльные галактики, которые только начинают наполняться новыми звездами. [10] Обсерватория проанализировала звездообразующие облака — «медленницы» звездных ингредиентов — чтобы проследить путь, по которому формируются потенциально жизнеобразующие молекулы, такие как вода.
Срок службы телескопа зависел от количества охлаждающей жидкости , доступной для его инструментов; когда эта охлаждающая жидкость закончится, инструменты перестанут работать правильно. На момент запуска предполагалось, что срок эксплуатации составит 3,5 года (примерно до конца 2012 года). [11] Он продолжал работать до 15:20 UTC 29 апреля 2013 г., когда у Гершеля закончилась охлаждающая жидкость. [12]
НАСА было партнером миссии Гершель, в миссии участвовали участники из США; предоставление инструментальных технологий, позволяющих выполнять миссии, и спонсирование Научного центра Гершеля НАСА (NHSC) в Центре инфракрасной обработки и анализа и поиска данных Гершеля в Инфракрасном научном архиве . [13]
В 1982 году Европейскому космическому агентству был предложен телескоп в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах ( ПЕРВЫЙ ) . Долгосрочный политический план ЕКА «Горизонт 2000», разработанный в 1984 году, предусматривал миссию высокопроизводительной гетеродинной спектроскопии в качестве одной из своих краеугольных задач. В 1986 году FIRST был принят в качестве этой краеугольной миссии. [14] Он был выбран для реализации в 1993 году после промышленного исследования, проведенного в 1992–1993 годах. Концепция миссии была изменена с околоземной орбиты на точку Лагранжа L2 в свете опыта, полученного в Инфракрасной космической обсерватории [(2,5–240 мкм) 1995–1998 гг.]. В 2000 году FIRST была переименована в Herschel. После выставления на тендер в 2000 году промышленная деятельность началась в 2001 году. [15] Herschel был запущен в 2009 году.
Миссия Гершеля обошлась в 1100 миллионов евро . [16] Эта цифра включает космический корабль и полезную нагрузку, расходы на запуск и миссию, а также научную деятельность. [17]
Гершель специализировался на сборе света от объектов Солнечной системы , Млечного Пути и даже внегалактических объектов, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет , таких как новорожденные галактики , и ему было поручено четыре основных области исследований: [18]
Во время миссии Гершель «провел более 35 000 научных наблюдений» и «собрал [редактировал] более 25 000 часов научных данных из примерно 600 различных программ наблюдений». [19]
В миссии участвовала первая космическая обсерватория , охватывающая весь дальний инфракрасный и субмиллиметровый диапазон волн. [18] При ширине 3,5 метра (11 футов) «Гершель» нес самый большой оптический телескоп, когда-либо развернутый в космосе. [20] Он был сделан не из стекла, а из спеченного карбида кремния . Заготовка зеркала была изготовлена компанией Boostec в Тарбе , Франция ; шлифовка и полировка компанией Opteon Ltd. в обсерватории Туорла , Финляндия ; и покрыт методом вакуумного осаждения в обсерватории Калар-Альто в Испании . [21]
Свет, отраженный зеркалом, фокусировался на три прибора, детекторы которых находились при температуре ниже 2 К (-271 °С). [22] Инструменты охлаждались более чем 2300 литрами (510 имп галлонов; 610 галлонов США) жидкого гелия , выкипающего в почти вакууме при температуре примерно 1,4 К (-272 ° C). Запас гелия на борту космического корабля был фундаментальным ограничением срока службы космической обсерватории; [8] Первоначально предполагалось, что он будет работать не менее трех лет. [23]
У Гершеля было три детектора: [24]
НАСА разработало и изготовило смесители, гетеродинные цепи и усилители мощности для этого инструмента. [30] Научный центр НАСА имени Гершеля , входящий в состав Центра инфракрасной обработки и анализа Калифорнийского технологического института, также в Пасадене, предоставил программное обеспечение для научного планирования и анализа данных. [31]
Модуль общего обслуживания (SVM) был спроектирован и построен компанией Thales Alenia Space на ее заводе в Турине для миссий «Гершель» и «Планк» , поскольку они были объединены в одну единую программу. [32]
Конструктивно СВМ Гершеля и Планка очень похожи. Оба SVM имеют восьмиугольную форму, и в обоих случаях каждая панель предназначена для размещения определенного набора теплых блоков с учетом требований к рассеиванию тепла различных теплых блоков, приборов, а также космического корабля.
Кроме того, на обоих космических кораблях достигнута общая конструкция систем авионики , систем ориентации и измерения (ACMS), систем управления и управления данными (CDMS), силовых подсистем и подсистемы слежения, телеметрии и управления (TT&C).
Все агрегаты корабля на СВМ резервированы.
На каждом космическом корабле подсистема питания состоит из солнечной батареи , в которой используются солнечные элементы с тройным переходом , аккумулятор и блок управления питанием (PCU). Он предназначен для взаимодействия с 30 секциями каждой солнечной батареи, обеспечения регулируемой шины 28 В, распределения этой мощности через защищенные выходы и управления зарядкой и разрядкой аккумулятора.
В Herschel солнечная батарея закреплена в нижней части перегородки, предназначенной для защиты криостата от Солнца. Трехосная система ориентации удерживает эту перегородку в направлении Солнца. Верхняя часть этой перегородки покрыта зеркалами с оптическим солнечным отражателем (OSR), отражающими 98% солнечной энергии , что позволяет избежать нагрева криостата.
Эту функцию выполняет компьютер управления ориентацией (ACC), который является платформой для ACMS. Он разработан для удовлетворения требований по наведению и повороту полезной нагрузки Herschel и Planck .
Космический корабль «Гершель» имеет трехосную стабилизацию . Абсолютная ошибка наведения должна быть менее 3,7 угловых секунд.
Основным датчиком прямой видимости в обоих космических кораблях является звездный трекер .
Космический корабль, построенный в Каннском космическом центре Манделье под руководством космического подрядчика Thales Alenia , был успешно запущен из Гвианского космического центра во Французской Гвиане в 13:12:02 по всемирному координированному времени 14 мая 2009 года на борту ракеты Ariane 5 вместе с кораблем Planck . космический корабль , выведенный на очень эллиптическую орбиту на пути ко второй точке Лагранжа . [33] [34] [35] Перигей орбиты составлял 270,0 км (предполагаемый270,0 ± 4,5 ), апогей 1197080 км (предполагаемый1 193 622 ± 151 800 ), наклон 5,99 град (предполагаемый6,00 ± 0,06 ). [36]
14 июня 2009 года ЕКА успешно отправило команду на открытие криоукрытия, что позволило системе PACS увидеть небо и передать изображения через несколько недель. Крышка должна была оставаться закрытой до тех пор, пока телескоп не уйдет далеко в космос, чтобы предотвратить загрязнение. [37]
Пять дней спустя ЕКА опубликовало первый набор тестовых фотографий, изображающих группу M51 . [38]
В середине июля 2009 года, примерно через шестьдесят дней после запуска, он вышел на гало-орбиту средним радиусом 800 000 км вокруг второй точки Лагранжа (L2) системы Земля-Солнце , в 1,5 миллионах километров от Земли. [35] [39]
21 июля 2009 года ввод в эксплуатацию Herschel был объявлен успешным, что позволило начать этап эксплуатации. Была объявлена официальная передача общей ответственности за Гершель от руководителя программы Томаса Пассвогеля руководителю миссии Йоханнесу Ридингеру. [35]
Гершель сыграл важную роль в открытии неизвестного и неожиданного этапа процесса звездообразования. Первоначальное подтверждение, а затем и проверка с помощью наземных телескопов огромной дыры в пустом пространстве, ранее считавшейся темной туманностью , в районе NGC 1999, пролили новый свет на то, как вновь образующиеся звездные области отбрасывают окружающий ее материал. их. [40]
В июле 2010 года был опубликован специальный выпуск журнала « Астрономия и астрофизика», в котором были опубликованы 152 статьи о первоначальных результатах обсерватории. [41]
Второй специальный выпуск журнала «Астрономия и астрофизика» был опубликован в октябре 2010 года, посвященный единственному прибору HIFI из-за его технического сбоя, из-за которого он вышел из строя в течение 6 месяцев с августа 2009 года по февраль 2010 года. [42]
1 августа 2011 года сообщалось, что молекулярный кислород был окончательно подтвержден в космосе с помощью космического телескопа Гершель, это второй раз, когда ученые обнаружили молекулу в космосе. Об этом ранее сообщила команда Odin . [43] [44]
В отчете, опубликованном в журнале Nature за октябрь 2011 года , говорится, что измерения Гершелем уровня дейтерия в комете Хартли-2 позволяют предположить, что большая часть воды на Земле могла изначально образоваться в результате ударов кометы. [45] 20 октября 2011 года сообщалось, что в аккреционном диске молодой звезды был обнаружен пар холодной воды, способный исчисляться океанами. В отличие от теплого водяного пара, который ранее обнаруживался вблизи формирующихся звезд, холодный водяной пар способен образовывать кометы, которые затем могли бы приносить воду на внутренние планеты, что и предполагает происхождение воды на Земле . [46]
18 апреля 2013 года команда Гершеля объявила в другой статье журнала Nature , что она обнаружила исключительную галактику со звездообразованием , которая производит более 2000 звезд солнечной массы в год. Галактика, получившая название HFLS3 , расположена на координате z = 6,34 и возникла всего через 880 миллионов лет после Большого взрыва . [47]
Всего за несколько дней до окончания миссии ЕКА объявило, что наблюдения Гершеля привели к выводу, что вода на Юпитер попала в результате столкновения кометы Шумейкера-Леви-9 в 1994 году . [48]
22 января 2014 года ученые ЕКА , используя данные Гершеля, впервые сообщили об обнаружении водяного пара на карликовой планете Церера , крупнейшем объекте в поясе астероидов . [49] [50] Это открытие является неожиданным, поскольку обычно считается, что кометы , а не астероиды , «выпускают струи и шлейфы». По словам одного из ученых, «границы между кометами и астероидами становятся все более размытыми». [50]
29 апреля 2013 года ЕКА объявило, что запасы жидкого гелия «Гершеля » , использовавшегося для охлаждения приборов и детекторов на борту, исчерпаны, что положило конец его миссии. [12] На момент объявления Гершель находился примерно в 1,5 миллионах км от Земли. Поскольку орбита «Гершеля » в точке L2 нестабильна, ЕКА хотело направить корабль по известной траектории. Менеджеры ЕКА рассматривали два варианта:
Менеджеры выбрали первый вариант, поскольку он менее затратный. [52]
17 июня 2013 года «Гершель» был полностью дезактивирован, его топливные баки были принудительно опустошены, а бортовой компьютер был запрограммирован на прекращение связи с Землей. Последняя команда, прервавшая связь, была отправлена из Европейского центра космических операций (ESOC) в 12:25 UTC. [3]
Послеоперационный этап миссии продолжался до 2017 года. Основными задачами были консолидация и уточнение калибровки приборов для улучшения качества данных и обработка данных для создания массива научно подтвержденных данных. [53]
После кончины Гершеля некоторые европейские астрономы выступили за совместный европейско-японский проект обсерватории дальнего инфракрасного диапазона SPICA , а также за продолжение партнерства ЕКА с космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА . [12] [54] Джеймс Уэбб охватывает ближний инфракрасный спектр от 0,6 до 28,5 мкм, а SPICA охватывает средний и дальний инфракрасный спектральный диапазон от 12 до 230 мкм. В то время как зависимость Гершеля от жидкого гелиевого теплоносителя ограничивала расчетный срок службы примерно тремя годами, SPICA использовала бы механические охладители Джоуля-Томсона для поддержания криогенных температур в течение более длительного периода времени. Чувствительность SPICA должна была быть на два порядка выше, чем у Гершеля. [55]
Предложенный НАСА космический телескоп Origins (OST) также будет вести наблюдения в дальнем инфракрасном диапазоне света. Европа возглавляет исследование одного из пяти инструментов OST — гетеродинного приемника для OST (HERO). [56]