Космическая обсерватория Herschel была космической обсерваторией, построенной и эксплуатируемой Европейским космическим агентством (ESA). Она работала с 2009 по 2013 год и была крупнейшим инфракрасным телескопом , когда-либо запущенным до запуска космического телескопа Джеймса Уэбба в 2021 году. [5] Herschel оснащен 3,5-метровым (11,5 футов) зеркалом [5] [6] [7] [8] и инструментами, чувствительными к дальнему инфракрасному и субмиллиметровому диапазонам волн (55–672 мкм). Herschel был четвертой и последней краеугольной миссией в программе Horizon 2000 после SOHO / Cluster II , XMM-Newton и Rosetta .
Обсерватория была выведена на орбиту с помощью Ariane 5 в мае 2009 года, достигнув второй точки Лагранжа (L2) системы Земля-Солнце , в 1 500 000 километрах (930 000 миль) от Земли, примерно через два месяца. Herschel назван в честь сэра Уильяма Гершеля , первооткрывателя инфракрасного спектра и планеты Уран , и его сестры и сотрудницы Каролины Гершель . [9]
Обсерватория могла видеть самые холодные и самые пыльные объекты в космосе; например, холодные коконы, где формируются звезды, и пыльные галактики, только начинающие заполняться новыми звездами. [10] Обсерватория просеивала облака звездообразования — «медленноварки» звездных ингредиентов — чтобы проследить путь, по которому образуются потенциально жизнеобразующие молекулы, такие как вода.
Срок службы телескопа зависел от количества охлаждающей жидкости, доступной для его инструментов; когда охлаждающая жидкость заканчивалась, инструменты переставали правильно функционировать. На момент запуска его работа оценивалась в 3,5 года (примерно до конца 2012 года). [11] Он продолжал работать до 29 апреля 2013 года 15:20 UTC, когда у Гершеля закончилась охлаждающая жидкость. [12]
NASA было партнером в миссии Herschel, а американские участники внесли свой вклад в миссию, предоставив технологию приборов, позволяющую выполнять миссию, и спонсируя NASA Herschel Science Center (NHSC) в Центре обработки и анализа инфракрасных данных и Herschel Data Search в Архиве инфракрасных данных . [13]
В 1982 году ESA было предложено создать телескоп дальнего инфракрасного и субмиллиметрового диапазона ( FIRST ) . Долгосрочный политический план ESA «Горизонт 2000», разработанный в 1984 году, предусматривал миссию высокопроизводительной гетеродинной спектроскопии в качестве одной из своих краеугольных миссий. В 1986 году FIRST был принят в качестве этой краеугольной миссии. [14] Он был выбран для реализации в 1993 году после промышленного исследования в 1992–1993 годах. Концепция миссии была переработана с околоземной орбиты на точку Лагранжа L2 в свете опыта, полученного в инфракрасной космической обсерватории [(2,5–240 мкм) 1995–1998]. В 2000 году FIRST был переименован в Herschel. После объявления тендера в 2000 году промышленная деятельность началась в 2001 году . [15] Herschel был запущен в эксплуатацию в 2009 году.
Стоимость миссии Herschel составила 1100 миллионов евро . [16] Эта сумма включает в себя космический аппарат и полезную нагрузку, расходы на запуск и миссию, а также научные операции. [17]
Гершель специализировался на сборе света от объектов Солнечной системы , а также Млечного Пути и даже внегалактических объектов, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет от нас, таких как новорожденные галактики , и занимался четырьмя основными направлениями исследований: [18]
В ходе миссии Гершель «произвел более 35 000 научных наблюдений» и «собрал более 25 000 часов научных данных из примерно 600 различных программ наблюдений» [19] .
Миссия включала первую космическую обсерваторию , которая охватывала весь дальний инфракрасный и субмиллиметровый диапазон волн. [18] Имея ширину 3,5 метра (11 футов), Herschel 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 Boostec в Тарбе , Франция ; отшлифована и отполирована Opteon Ltd. в обсерватории Туорла , Финляндия ; и покрыта методом вакуумного напыления в обсерватории Калар-Альто в Испании . [21]
Свет, отраженный зеркалом, фокусировался на трех приборах, детекторы которых поддерживались при температуре ниже 2 К (−271 °C). [22] Приборы охлаждались более чем 2300 литрами (510 имп галлонов; 610 галлонов США) жидкого гелия , выкипающего в почти вакууме при температуре приблизительно 1,4 К (−272 °C). Запас гелия на борту космического корабля был фундаментальным ограничением срока службы космической обсерватории; [8] изначально предполагалось, что она будет работать не менее трех лет. [23]
Гершель нес три детектора: [24]
NASA разработало и построило смесители, цепи локальных генераторов и усилители мощности для этого инструмента. [30] Научный центр NASA Herschel , часть Центра обработки и анализа инфракрасных данных 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 Herschel и Planck , поскольку они были объединены в одну единую программу. [32]
Конструктивно SVM Herschel и Planck очень похожи. Оба SVM имеют восьмиугольную форму, и в обоих случаях каждая панель предназначена для размещения определенного набора теплых блоков, при этом учитываются требования к рассеиванию тепла различных теплых блоков, инструментов, а также космического корабля.
Кроме того, на обоих космических аппаратах была достигнута общая конструкция систем авионики , систем управления ориентацией и измерениями (ACMS), систем управления и обработки данных (CDMS), подсистем питания и подсистемы слежения, телеметрии и управления (TT&C).
Все блоки космического аппарата на SVM являются резервными.
На каждом космическом аппарате подсистема питания состоит из солнечной батареи , использующей трехпереходные солнечные элементы , батареи и блока 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 батареи.
Для Herschel солнечная батарея закреплена на нижней части перегородки, предназначенной для защиты криостата от Солнца. Трехосная система управления ориентацией удерживает эту перегородку в направлении Солнца. Верхняя часть этой перегородки покрыта оптическими солнечными отражателями (OSR), отражающими 98% энергии Солнца , избегая нагрева криостата.
Эту функцию выполняет компьютер управления ориентацией (ACC), который является платформой для ACMS. Он разработан для выполнения требований к наведению и повороту полезной нагрузки Herschel и Planck .
Космический аппарат Herschel стабилизирован по трем осям . Абсолютная ошибка наведения должна быть менее 3,7 угловых секунд.
Основным датчиком линии визирования в обоих космических аппаратах является звездный датчик .
Космический корабль, построенный в Космическом центре Канны-Манделье по контракту Thales Alenia Space , был успешно запущен из Гвианского космического центра во Французской Гвиане в 13:12:02 UTC 14 мая 2009 года на борту ракеты Ariane 5 вместе с космическим аппаратом Planck и выведен на очень эллиптическую орбиту по пути ко второй точке Лагранжа . [33] [34] [35] Перигей орбиты составлял 270,0 км (предполагаемая270,0 ± 4,5 ), апогей 1 197 080 км (предполагаемая1 193 622 ± 151 800 ), наклон 5,99 град (предполагаемый6,00 ± 0,06 ). [36]
14 июня 2009 года ЕКА успешно отправило команду на открытие криокрышки, что позволило системе PACS увидеть небо и передать изображения через несколько недель. Крышка должна была оставаться закрытой, пока телескоп не был далеко в космосе, 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 со средним радиусом 800 000 км вокруг второй точки Лагранжа (L2) системы Земля-Солнце , на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли. [35] [39]
21 июля 2009 года ввод в эксплуатацию Herschel был объявлен успешным, что позволило начать операционную фазу. Была объявлена официальная передача общей ответственности за Herschel от руководителя программы Томаса Пассфогеля руководителю миссии Йоханнесу Ридингеру. [35]
Гершель сыграл важную роль в открытии неизвестного и неожиданного шага в процессе формирования звезд. Первоначальное подтверждение и последующая проверка с помощью наземных телескопов огромной дыры пустого пространства, ранее считавшейся темной туманностью , в районе NGC 1999 пролили новый свет на то, как новообразующиеся звездные регионы сбрасывают окружающий их материал. [40]
В июле 2010 года был опубликован специальный выпуск журнала Astronomy and Astrophysics, содержащий 152 статьи о первых результатах работы обсерватории. [41]
Второй специальный выпуск журнала Astronomy and Astrophysics был опубликован в октябре 2010 года, посвященный единственному инструменту HIFI из-за его технической неисправности, которая вывела его из строя на 6 месяцев с августа 2009 года по февраль 2010 года. [42]
1 августа 2011 года было сообщено, что молекулярный кислород был окончательно подтвержден в космосе с помощью космического телескопа Herschel, второй раз, когда ученые обнаружили молекулу в космосе. Ранее об этом сообщала команда Odin . [43] [44]
В отчете за октябрь 2011 года, опубликованном в журнале Nature , говорится, что измерения Гершелем уровней дейтерия в комете Хартли 2 предполагают, что большая часть воды на Земле могла изначально возникнуть в результате ударов комет. [45] 20 октября 2011 года было сообщено, что в аккреционном диске молодой звезды были обнаружены океаны холодного водяного пара. В отличие от теплого водяного пара, ранее обнаруженного вблизи формирующихся звезд, холодный водяной пар мог бы образовывать кометы, которые затем могли бы приносить воду на внутренние планеты, как это предполагается для происхождения воды на Земле . [46]
18 апреля 2013 года команда Herschel объявила в другой статье Nature , что она обнаружила исключительную галактику со вспышкой звездообразования , которая производила более 2000 солнечных масс звезд в год. Галактика, названная HFLS3 , расположена на z = 6,34, возникнув всего через 880 миллионов лет после Большого взрыва . [47]
Всего за несколько дней до окончания своей миссии ЕКА объявило, что наблюдения Гершеля привели к выводу, что вода на Юпитер попала в результате столкновения кометы Шумейкеров-Леви 9 в 1994 году. [48]
22 января 2014 года ученые ЕКА , использующие данные Herschel, сообщили об обнаружении, впервые определенном, водяного пара на карликовой планете Церера , крупнейшем объекте в поясе астероидов . [49] [50] Это открытие является неожиданным, поскольку кометы , а не астероиды , как правило, считаются «выбрасывающими 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 запас жидкого гелия у Herschel , который использовался для охлаждения приборов и детекторов на борту, был исчерпан, что положило конец его миссии. [12] На момент объявления Herschel находился примерно в 1,5 млн км от Земли. Поскольку орбита Herschel в точке L2 нестабильна, ЕКА хотело направить аппарат по известной траектории. Менеджеры ЕКА рассматривали два варианта:
Менеджеры выбрали первый вариант, поскольку он был менее затратным. [52]
17 июня 2013 года Herschel был полностью деактивирован, его топливные баки были принудительно опустошены, а бортовой компьютер запрограммирован на прекращение связи с Землей. Последняя команда, которая разорвала связь, была отправлена из Европейского центра космических операций (ESOC) в 12:25 UTC. [3]
Постоперационная фаза миссии продолжалась 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 Herschel некоторые европейские астрономы настаивали на совместном европейско-японском проекте дальнеинфракрасной обсерватории SPICA , а также на продолжении партнерства ESA в космическом телескопе NASA James Webb . [12] [54] James Webb 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 Herschel от жидкого гелия в качестве охладителя ограничивала проектный 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 Herschel. [55]
Предложенный NASA 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]