Институт науки о космических телескопах ( STScI ) является научным операционным центром для космического телескопа Хаббл (HST), научным операционным центром и центром управления полетами для космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и научным операционным центром для космического телескопа Нэнси Грейс Роман . [1] STScI был основан в 1981 году как общественный научный центр, который управляется для NASA Ассоциацией университетов по исследованиям в области астрономии (AURA). [2] Офисы STScI расположены в кампусе Хоумвуд Университета Джонса Хопкинса и в здании Ротонда в Балтиморе , штат Мэриленд . [3]
Помимо выполнения постоянных научных операций HST и подготовки к научным исследованиям с JWST и Roman, STScI управляет и эксплуатирует Архив Микульского для космических телескопов (MAST), в котором хранятся данные многочисленных активных и устаревших миссий, включая HST, JWST, Kepler , TESS , Gaia и Pan-STARRS . [4]
Большая часть финансирования деятельности STScI поступает по контрактам с Центром космических полетов имени Годдарда при НАСА , но есть и более мелкие мероприятия, финансируемые Исследовательским центром Эймса при НАСА, Лабораторией реактивного движения НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА). [ необходима ссылка ]
Персонал STScI состоит из ученых (в основном астрономов и астрофизиков), инженеров космических аппаратов, инженеров-программистов, персонала по управлению данными, экспертов по образованию и связям с общественностью, а также административного и делового вспомогательного персонала. В STScI работает около 200 докторов наук, [5] 15 из которых являются сотрудниками ESA, которые находятся в командировке в проектах HST и JWST. [6] Общая численность персонала STScI составляет около 850 человек по состоянию на 2021 год. [7]
STScI выполняет свои миссии от имени NASA, мирового астрономического сообщества, и на благо общественности. Деятельность по научным операциям напрямую обслуживает астрономическое сообщество, в первую очередь в форме наблюдений и грантов HST и JWST (и в конечном итоге Roman), но также включает распространение данных от других миссий NASA и наземных миссий через MAST. Деятельность по разработке наземных систем создает и поддерживает программные системы, необходимые для предоставления этих услуг астрономическому сообществу. [8] Деятельность STScI по связям с общественностью предоставляет широкий спектр ресурсов для СМИ, неформальных образовательных площадок, таких как планетарии и научные музеи, и широкой общественности. [9] STScI также служит источником руководства для NASA по ряду вопросов оптической и ультрафиолетовой космической астрофизики.
Сотрудники STScI взаимодействуют и общаются с профессиональным астрономическим сообществом по ряду каналов, включая участие в двухгодичных встречах Американского астрономического общества , публикацию регулярных информационных бюллетеней STScI и веб-сайта STScI, размещение пользовательских комитетов и научных рабочих групп, а также проведение нескольких научно-технических симпозиумов и семинаров каждый год. Эти мероприятия позволяют STScI распространять информацию среди сообщества пользователей телескопов, а также позволяют сотрудникам STScI максимизировать научную производительность объектов, которыми они управляют, отвечая потребностям сообщества и NASA.
Примечание: Информация в этом разделе нуждается в обновлении. Для получения информации о текущей деятельности посетите официальный сайт STScI.
STScI проводит все мероприятия, необходимые для выбора, планирования и реализации научных программ космического телескопа Хаббл. Первым шагом в этом процессе является поддержка ежегодного отбора сообществом научных программ, которые будут выполняться с помощью HST. Это начинается с публикации ежегодного Призыва к предложениям, в котором указываются поддерживаемые в настоящее время возможности научных инструментов, требования к предложениям и крайний срок подачи. Любой может подать предложение. Все предложения критически рецензируются Комитетом по распределению времени (TAC). TAC состоит из около 100 членов американского и международного астрономического сообщества, отобранных для представления широкого спектра исследовательских знаний, необходимых для оценки предложений. Каждый цикл предложений обычно включает рассмотрение от 700 до 1100 предложений. Только 15–20% этих предложений в конечном итоге будут отобраны для реализации. TAC рассматривает несколько категорий времени наблюдения, а также предложения по архивным, теоретическим и совместным исследовательским проектам между HST и другими космическими или наземными обсерваториями (например, рентгеновской обсерваторией Chandra и Национальными оптическими астрономическими обсерваториями ). STScI предоставляет всю техническую и логистическую поддержку для этих мероприятий. Годовой цикл конкурсов предложений иногда менялся по продолжительности в те годы, когда была запланирована миссия по обслуживанию HST. [10] [11]
Заявители, которым посчастливилось получить время телескопа, именуемые Общими наблюдателями (GOs), должны затем предоставить подробные требования, необходимые для планирования и реализации их программ наблюдений. Эта информация предоставляется STScI в рамках так называемого предложения по фазе II. Предложение по фазе II определяет режимы работы инструментов, время экспозиции, ориентацию телескопа и т. д. [12] Сотрудники STScI предоставляют веб-программное обеспечение под названием Калькуляторы времени экспозиции (ETCs), которое позволяет GOs оценивать, сколько времени наблюдения потребуется любому из бортовых детекторов для накопления количества света, необходимого для достижения их научных целей. Кроме того, сотрудники STScI выполняют все шаги, необходимые для реализации каждой конкретной программы, а также планируют весь ансамбль программ на год. Для HST это включает в себя поиск опорных звезд, проверку ограничений ярких объектов, реализацию конкретных требований к расписанию и работу с наблюдателями для понимания и учета конкретных или любых нестандартных требований, которые у них могут быть. [13]
После сбора информации по фазе II разрабатывается долгосрочный план наблюдений, который охватывает весь год, находя подходящее время для планирования отдельных наблюдений и в то же время обеспечивая эффективное и действенное использование телескопа в течение года. Подробные графики наблюдений создаются каждую неделю, включая, в случае операций HST, планирование путей передачи данных через спутниковую систему слежения и ретрансляции данных ( TDRSS ) и генерацию двоичных командных нагрузок для восходящей линии связи с космическим аппаратом. Корректировки могут быть сделаны как в долгосрочных, так и в еженедельных планах в ответ на Targets of Opportunity (например, для кратковременных событий, таких как сверхновые , или координации с уникальными событиями, такими как космический аппарат, столкнувшийся с кометой ). STScI использует алгоритм Min-conflicts для планирования времени наблюдений на телескопе. В настоящее время STScI разрабатывает аналогичные процессы для JWST, хотя детали эксплуатации будут существенно отличаться из-за различий в его инструментальном обеспечении и ограничениях космического аппарата, а также его расположения в точке Лагранжа L2 системы Солнце-Земля (~1,5 млн км от Земли), а не на низкой околоземной орбите (~565 км), используемой HST.
Операции полетов включают прямую поддержку и мониторинг функций HST в режиме реального времени. Ежедневные операции полетов в режиме реального времени для HST включают около 4 командных восходящих линий связи, около 10 нисходящих линий связи данных и практически непрерывный мониторинг здоровья и безопасности обсерватории. Операции в режиме реального времени выполняются круглосуточно. Операции по управлению полетами для HST выполняются в GSFC NASA в Гринбелте, штат Мэриленд.
Научные данные с HST поступают в STScI через несколько часов после передачи с TDRSS и последующего прохождения через установку сбора данных в Центре космических полетов имени Годдарда NASA. Попав в STScI, данные обрабатываются серией компьютерных алгоритмов, которые преобразуют их формат в принятый на международном уровне стандарт (известный как FITS : гибкая система передачи изображений ), корректируют отсутствующие данные и выполняют окончательную калибровку данных путем удаления инструментальных артефактов. Этапы калибровки различны для каждого инструмента HST, но, как правило, они включают удаление космических лучей, коррекцию неоднородностей инструмента/детектора, калибровку потока и применение информации о мировой системе координат (которая точно сообщает пользователю, куда на небе был направлен детектор). Применяемые калибровки являются лучшими из доступных на момент прохождения данных по конвейеру. STScI работает с разработчиками инструментов для определения аналогичных процессов для данных Kepler и JWST.
Все научные данные HST постоянно архивируются после прохождения конвейера калибровки. Политика NASA предписывает однолетний период конфиденциальности для всех данных, что означает, что только первоначальная команда предложения может получить доступ к данным в течение первого года после их получения. После этого года данные становятся доступны любому, кто захочет получить к ним доступ. Наборы данных, извлеченные из архива, автоматически перекалибруются, чтобы гарантировать применение самых современных коэффициентов калибровки и программного обеспечения. STScI служит архивным центром для всех оптических/УФ-космических миссий NASA. Помимо архивирования и хранения научных данных HST, STScI хранит данные 13 других миссий, включая International Ultraviolet Explorer (IUE), Extreme Ultraviolet Explorer (EUVE), Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE) и Galaxy Evolution Explorer (GALEX). Научные данные Kepler и JWST будут архивироваться и извлекаться аналогичным образом. Интернет служит основным пользовательским интерфейсом для архивов данных в STScI (http://archive.stsci.edu). В настоящее время архив содержит более 30 терабайт данных. Каждый день около 11 гигабайт новых данных поступает в систему и около 85 гигабайт данных распределяется среди пользователей. Архив наследия Хаббла (HLA; http://hla.stsci.edu/), который в настоящее время находится в разработке, будет действовать как более интегрированный и удобный для пользователя архив. Он будет предоставлять необработанные данные Хаббла, а также научные продукты более высокого уровня (цветные изображения, мозаики и т. д.).
STScI отвечает за калибровку научных инструментов на HST и JWST в полете. Для HST план калибровки обсерватории разрабатывается каждый год. Этот план предназначен для поддержки выбранных программ наблюдений GO для этого цикла, а также для обеспечения базовой калибровки, которая охватывает весь срок службы каждого инструмента. Программа калибровки включает измерения, которые выполняются относительно бортовых источников калибровки или для оценки уровней шума внутреннего детектора, а также наблюдения астрономических стандартных звезд и полей, необходимые для определения абсолютных преобразований потока и астрометрических преобразований. Внешние калибровки на HST обычно составляют 5-10% программы наблюдений GO, и требуется больше времени, когда инструмент еще относительно новый. На сегодняшний день на HST имеется в общей сложности 12 научных инструментов, 6 из которых в настоящее время активны. Два новых инструмента были установлены во время миссии по обслуживанию HST STS-125 в мае 2009 года . Электронные сбои в STIS (в 2001 году) и в ACS Wide-Field Channel (в 2007 году) также были устранены на орбите в мае 2009 года, что вернуло эти инструменты в активное состояние. Все 12 инструментов HST, а также 4 запланированных для JWST, обобщены в таблице ниже. Инструменты HST могут обнаруживать свет с длинами волн от ультрафиолета до ближнего инфракрасного . Инструменты JWST будут работать от красного конца оптических длин волн (~6000 ангстрем) до среднего инфракрасного диапазона (от 5 до 27 микрометров). Инструменты, перечисленные как выведенные из эксплуатации, больше не находятся на борту.
Сотрудники STScI разрабатывают предложения по калибровке, проводят их через процесс планирования и анализируют полученные данные. Эти программы предоставляют обновленные файлы калибровки и справочные файлы для использования в конвейере обработки данных. Файлы калибровки также архивируются, чтобы пользователи могли извлечь их, если им нужно вручную перекалибровать свои данные. Вся деятельность по калибровке и ее результаты документируются, обычно в форме отчетов по научным приборам, размещенных на общедоступном веб-сайте, а иногда и в форме опубликованных статей. Результаты также включаются в справочники по данным и справочники по приборам.
Помимо калибровки приборов, сотрудники STScI характеризуют и документируют производительность прибора, чтобы пользователи могли лучше понять, как интерпретировать свои данные. Это, как правило, эффекты, которые автоматически не корректируются в конвейере (потому что они меняются со временем или зависят от яркости источника). Они включают глобальные эффекты, такие как эффективность переноса заряда в устройствах с зарядовой связью , а также эффекты, характерные для режимов и фильтров, такие как «призраки» фильтров (вызванные тонким рассеянием света внутри прибора). Осознание этих эффектов может исходить от сотрудников STScI, когда они анализируют программы калибровки, или от наблюдателей, которые находят странности в своих данных и предоставляют обратную связь в STScI.
Сотрудники STScI также выполняют характеризацию и калибровку самого телескопа. В случае HST это в первую очередь стало вопросом контроля и регулировки фокуса, а также контроля и измерения функций рассеяния точки . (В начале 1990-х годов STScI отвечал за точное измерение сферической аберрации , необходимое для корректирующей оптики всех последующих инструментов). В случае JWST STScI будет отвечать за использование системы датчиков волнового фронта, разработанной JPL и Northrop Grumman Space Technology (NGST, подрядчик NASA, строящий обсерваторию), для контроля и регулировки сегментированного телескопа.
Поддержка после наблюдения включает в себя службу поддержки, к которой пользователи могут обратиться за ответами на свои вопросы по любому аспекту наблюдения — от того, как подать заявку, до того, как анализировать данные.
STScI выполняет крупные научные программы HST от имени сообщества. Это программы с широким научным применением. На сегодняшний день эти программы включают Hubble Deep Field (HDF), Hubble Deep Field South (HDFS) и Ultra Deep Field (UDF). Необработанные и обработанные данные этих наблюдений становятся доступными астрономическому сообществу практически немедленно. Эти продукты затем использовались многими астрономами в поисках собственных исследовательских тем и мотивировали большую часть последующей работы (см., например, http://www.stsci.edu/ftp/science/hdf/clearinghouse/clearinghouse.html и http://www.stsci.edu/hst/udf/index_html).
STScI отвечает за разработку, усовершенствование и обслуживание большинства наземных систем, используемых для выполнения наших научных операций Hubble, описанных выше. Первоначально (1980-е, начало 1990-х) эти системы поступали из нескольких источников, включая внутренние разработки STScI и работу, выполненную по контрактам NASA с различными поставщиками. За время существования HST была проделана значительная работа над этими системами — даже когда они поддерживали ежедневную работу Hubble. Они были интегрированы в более эффективную и простую в эксплуатации сквозную систему. Они прошли через серьезные технологические обновления (например, улучшенные операционные системы и компьютерное оборудование, более емкие носители архивных данных). Они также были модифицированы для поддержки последовательности инструментов, установленных в телескопе. За последние несколько лет они были модифицированы для поддержки WFC3 и COS, двух новых инструментов, которые будут установлены во время следующей миссии по обслуживанию HST, и для поддержки режима 2- гироскопа операций HST. STScI также предоставляет подмножества наземных системных служб для других астрономических миссий, включая FUSE, Kepler и JWST. Инженеры-программисты STScI поддерживают около 7 900 000 исходных строк кода .
STScI регулярно участвует вместе с инженерами и учеными NASA и промышленных систем в разработке общей архитектуры миссии. Для HST это включает помощь в определении и расстановке приоритетов в деятельности по обслуживанию миссии и разработке стратегии обслуживания. Для JWST это включает участие в определении научных требований высокого уровня и общей архитектуры миссии. В обоих случаях STScI фокусируется на научных возможностях миссии, а также на требованиях к бесперебойной и эффективной работе обсерватории.
STScI управляет выбором Программы стипендий Хаббла . С 1990 года стипендии Хаббла поддерживают выдающихся ученых-постдоков, чьи исследования в целом связаны с научной миссией космического телескопа Хаббл. В 2009 году они были объединены со стипендией Спитцера , которая с 2002 года была связана с космическим телескопом Спитцера и научной программой. [14] Теперь она поддерживает стипендиатов, проводящих исследования, связанные со всеми миссиями в рамках темы «Космическое происхождение»: Космическая обсерватория Гершеля , Космический телескоп Хаббла (HST), Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии (SOFIA) и Космический телескоп Спитцера. [15] Исследования могут быть теоретическими, наблюдательными или инструментальными. [15] Ежегодно с момента запуска HST в 1990 году присуждается от 8 до 12 стипендий; с 2009 года их число колеблется около 16. [14] STScI также спонсирует летнюю программу студенческих стажировок, которая позволяет талантливым студентам бакалавриата со всего мира работать с научным персоналом института, предоставляя этим студентам практический опыт в области современных астрономических исследований. Штатные научные сотрудники STScI проводят оригинальные исследования, охватывающие широкий спектр астрофизики, включая исследования Солнечной системы , обнаружение и характеристику экзопланет , звездообразование , эволюцию галактик и физическую космологию . STScI проводит ежегодный научный симпозиум, который проводится каждую весну, а также несколько небольших научных семинаров. Привлечение активного научного персонала в STScI помогает гарантировать, что HST, а в конечном итоге и JWST, будут работать на пике своих возможностей.
Офис по связям с общественностью (OPO) STScI предоставляет широкий спектр продуктов и услуг, предназначенных для распространения и информирования широкой общественности о науке и открытиях HST, JWST, Roman и астрономии в целом. Усилия OPO сосредоточены на удовлетворении потребностей СМИ, неформального научного образовательного сообщества и широкой общественности.
OPO выпускает около 40 новых пресс-релизов каждый год, содержащих открытия HST и научные результаты. Эти медиа-пакеты включают новостные сюжеты, изображения Хаббла, пояснительные иллюстрации, анимации и дополнительную информацию для использования в печатных, вещательных и онлайн-СМИ. OPO также участвует в пресс-конференциях по особо значимым открытиям и проводит семинары для научных писателей для углубленных сессий с учеными, работающими над текущими проблемами астрофизических исследований.
Помимо пресс-релизов, OPO разрабатывает множество продуктов и функций, связанных с астрономией, для использования широкой публикой и неформальными образовательными учреждениями, включая музеи, научные центры, планетарии и библиотеки. К ним относятся справочные статьи, изображения телескопов, иллюстрации, диаграммы, инфографика, видео, научные визуализации, виртуальная реальность и интерактивы. Большинство этих ресурсов распространяется через веб-сайты, разработанные и управляемые STScI, включая Hubblesite, Webbtelescope, ViewSpace и Illuminated Universe. Контент также распространяется через платформы социальных сетей, включая Facebook, Twitter, Instagram и YouTube.
OPO также проводит мероприятия в режиме реального времени и онлайн. Они включают в себя регулярные серии публичных лекций, а также посещение различных местных и национальных мероприятий STEM. OPO также оказывает поддержку неформальным образовательным площадкам в виде печатных материалов, ресурсов программ/мероприятий и профессионального развития.
Информационно-просветительская деятельность OPO осуществляется в партнерстве с офисами миссий «Хаббл», «Уэбб» и «Роман», а также с другими учреждениями в рамках проекта NASA Universe of Learning.