Proba-3 aurinko-observatorio avaruuteen

ESA:n Proba-3-missio lähetettiin avaruuteen PSLV-XL-raketilla Satish Dhawanin avaruuskeskuksesta Sriharikotasta Intiasta torstaina 5. joulukuuta kello 10.34 UTC. Laukaisu tehtiin intialaisella kantoraketilla, sillä ESAlla ei ole käytössään tällä hetkellä juuri sopivaa kantorakettia: uusin Vega-C on laukaisukyvyltään liian pieni ja vastaavasti Ariane 6 liian tehokas ja kallis tälle tehtävälle. Proba-3 satelliittien yhteismassa on 550 kg.

Proba-3 satelliittien laitesijoittelu. Klikkaa kuvaa suuremmaksi. Kuva ESA.

Proba-3 on itse asiassa kaksi satelliittia, joista toinen toimii Auringon varjostimena ja havainnot tehdään tämän tuottamassa varjossa toisella satelliitilla. Tällaista rakennetta kutsutaan yleisesti koronagrafiksi, joskin tässä tapauksessa kyse on aivan poikkeuksellisesta ratkaisusta. Satelliittien välinen etäisyys on noin 150 metriä ja niiden keskinäinen asemointi havaintojen aikana täytyy tehdä millimetrin tarkkuudella. Varjostinosan halkaisija on 1,4 metriä ja havainto-osan etäisyydellä varjostimen tuottaman varjon halkaisija on vain 8 cm. Havaitsevan kameran objektiivin halkaisija on 5 cm. Ero varjon koon ja kameran objektiivin välillä on tarpeen varjostimen aiheuttaman diffraktion vuoksi. Jos objektiivi olisi samankokoinen varjon kanssa, kameraan päätyisi paljon hajavaloa ja havainnot vaikeutuisivat.

Proba-3 on siis aurinko-observatorio, jonka tehtävänä on tehdä havaintoja Auringon keskikoronasta. Tämä alue sijoittuu 1,1 – 3× säteen etäisyyteen Auringosta. Tämä alue on hyvin tärkeä, kun tehdään havaintoja koronamassapurkauksista, mutta alue on tähän asti ollut erittäin vaikeasti havaittavissa, käytännössä vain täydellisten auringonpimennysten aikana. Auringonpimennyksiä, kuten tiedetään, tapahtuu noin 60 kertaa vuosisadassa, joten tutkimuksen kannalta se on liian harvoin. Ja silloinkin kun se olisi mahdollista, pisin mahdollinen havaintoaika olisi noin 7 minuuttia. Harvinaisen ja lyhyen havaintoajan lisäksi maapinnalla olevat observatoriot ovat yleensä aivan muualla kuin pimennysvyöhykkeellä ja sen lisäksi ne ovat kykeneviä havaintoihin vain, jos sää sen mahdollistaa. Niinpä ainoa vaihtoehto on, että havainnot tehdään avaruudesta.

Proba-3:ssa varsinaiset koronahavainnot tekee ASPIICS-koronagrafi kolmella eri aallonpituudella. Aallonpituudet ovat Fe XIV (530,4 nm), He I D3 (587,7 nm ja laajakaistaisesti näkyvän valon alueella 540 – 570 nm.

Keskikoronan havaitsemisen lisäksi Proba-3 satelliiteissa on havaintolaitteita^[1], joiden avulla yritetään ratkaista ikuisuuskysymystä koronan lämpötilasta. Millainen mekanismi lämmittää koronan miljoona asteen lämpötilaan, kun Auringon efektiivinen lämpötila on noin 5 800 K? Tämän lisäksi Proba-3:ssa on lähiavaruuden varattujen hiukkasten mittauslaite, jolla selvitellään hiukkasten nopeuksia, tiheyttä ja suuntia.

Proba-3:n kiertorata on 600 × 60 530 km, noin 59 asteen inklinaatiolla ekvaattoriin nähden. Yhteen kierrokseen satelliitilla kuluu aikaa 19 h 36 minuuttia. Proba-3 tekee havaintoja kuuden tunnin ajan jokaisella kierroksella Maan ympäri mutta vain 50 kertaa vuodessa. Pieneltä tuntuva määrä havaintoja johtuu siitä, että rata ei ole aurinkosynkroninen ja lähempänä Maata satelliittien asemat kelvollisten havaintojen tekemiseen muuttuvat liian nopeasti, jotta laitteisto voisi säätää satelliittien asemaa toisiinsa nähden riittävän nopeasti.

Satelliittien keskinäisen asemoinnin määrittämiseen^[2] käytetään tähtisuunnistusta, GPS-paikannusta (alle 20 200 km korkeudella), led-vilkkuvaloja, laseria ja heijastin peilejä. Kaikkiaan näitä asemointiin käytettäviä järjestelmiä on kolme: karkeasäätö, tarkempi säätö ja erittäin tarkka säätö. Varjostinosassa on kylmäkaasu (typpi) suuttimet, jotka synnyttävät hyvin heikon (n. 10 mN) työntövoiman. Tästä syystä korjauksia on tehtävä noin 10 sekunnin välein ja korjausliikkeet ovat hitaita. Käytettävissä olevan typen määrä siis rajoittaa tehtävän keston. Typen loputtua, asemien säätäminen on mahdotonta ja satelliitit ajautuvat erilleen ja tuhoutuvat maapallon ilmakehässä noin viidessä vuodessa.

Ensimmäiset havainnot saataneen noin 4 kuukauden kuluttua ja observatorion toiminta-ajaksi on suunniteltu kahta vuotta.

Lisätietoja

[1] ASPIICS-järjestelmän lisäksi Proba-2:lla lennetään digitaalista absoluuttista radiometriä (Digital Absolute Radiometer, DARA), jonka sveitsiläinen fyysinen meteorologinen observatorio Davos on toimittanut tehtävään. Occulter-satelliitin auringonpuoleiselle puolelle asennettu DARA mittaa jatkuvasti Auringon kokonaisenergiantuottoa, jota kutsutaan irradianssiksi ja joka on olennainen muuttuja ilmastotutkimuksissa.

Proba-3:n kolmas instrumentti, joka on sijoitettu Coronagraph-satelliitin toiselle puolelle sen aurinkosäteilymittarista, on 3D Energetic Electron Spectrometer. Belgian Louvainin katolisen yliopiston (UCLouvain) avaruussäteilykeskuksen, Belgian kuninkaallisen avaruustutkimusinstituutin ja ilmailu- ja avaruustekniikan valmistaja Redwire Spacen toimittama 3DEES mittaa elektronivirtoja niiden kulkiessa Maan säteilyvyöhykkeiden läpi, mikä antaa hyödyllistä tietoa avaruussäätutkimuksia ja astronauttien terveyttä varten.

[2] Aluksi tähtipaikantimet - tietokoneeseen kytketyt kamerat, jotka tunnistavat niitä ympäröivät tähtikuviot - kartoittavat kummankin satelliitin "asennon" eli senhetkisen suunnan avaruudessa. Molempien avaruusalusten satelliittinavigointivastaanottimet laskevat suhteelliset sijainnit kiertoradan alemmalla osalla suurella tarkkuudella, vaikka GPS-signaaleja käytetään toiminnallisesti vain GPS-satelliittiryhmän 20 200 kilometrin korkeuden alapuolella. Proba-3-parivaljakko vaihtaa myös jatkuvasti etäisyystietoja ja muita tietoja satelliittien välisten radiolinkkien välityksellä.

Aktiivisen muodostelmalennon aikaansaamiseksi tarvitaan vielä lisää, alkaen Proba-3:n Vision Based Sensor -järjestelmästä. Laajakulmakameran avulla seurataan toisen satelliitin LED-kuviota, joka antaa suhteellisen karkeaa tietoa satelliittien etäisyydestä toisistaan sekä täydentävää tietoa niiden asennosta. Tätä täydennetään kapeakulmaisella kameralla, joka lukittuu toiseen, paljon pienempään LED-kuvioon ja antaa suhteellista sijaintitietoa noin yhden senttimetrin tarkkuudella.

Tämäkään ei kuitenkaan yksinään riitä. Vielä tarkempi paikannus onnistuu Proba-3:n Occulter-avaruusaluksen FLLS-anturin (Fine Lateral and Longitudinal Sensor) avulla. Se valaisee laserilla Coronagraph-avaruusaluksen pinnalla olevaa kulmakuution heijastinta, joka puolestaan heijastuu takaisin Occulteriin. Tämä FLLS mahdollistaa suhteellisen paikannuksen jopa millimetrin tarkkuudella.

Lopuksi, tasaisen lukituksen varmistamiseksi varjon paikannusanturijärjestelmä - joka perustuu Coronagraph-teleskoopin halkaisijaltaan 5 cm:n aukkoisen linssin ympärille sijoitettuihin valodetektoreihin - varmistaa, että Occulterin halkaisijaltaan noin 8 cm:n kokoinen varjo pysyy oikealla tavalla heittyneenä kaikilta sivuilta. Kaikki poikkeamat aiheuttavat korjauksen.

[3] Proba 3 -operaatiota tukee 13 ESA:n jäsenvaltiota: Tärkeimmät rahoittajat ovat Espanja 38 %, Belgia 34 %, Puola ja Romania noin neljällä prosentilla sekä Itävalta, Luxemburg, Sveitsi, Tanska, Tšekki, Sveitsi ja Yhdistynyt kuningaskunta noin kolmella prosentilla, kun ESA:n yleisen tukiteknologiaohjelman (GSTP) kokonaisbudjetti on 200 miljoonaa euroa.