PUNCH-observatoriot lähdössä

PUNCH-observatorioiden laitekohtaiset havaintokohteet. Kuva NASA.

Polarimeter to UNify the Corona and Heliosphere, eli lyhyemmin PUNCH on NASA:n Small Explorer (SMEX) -tehtävä, jonka tarkoituksena on ymmärtää paremmin, miten Auringon koronan massa ja energia muuttuvat Aurinkokunnan täyttäväksi aurinkotuuleksi.

Joka sekunti yli 300 000 tonnia plasmaa lähtee Auringosta ja poistuu avaruuteen. Tästä poistuvasta plasmasta muodostuu aurinkotuuli ja se vaikuttaa kaikkeen Aurinkokunnassa, myös Maahan. Se aiheuttaa kauniit revontulet, se aiheuttaa myös avaruussään, joka pahimmillaan saattaa uhata sähköverkkoja, satelliitteja ja astronautteja. PUNCH seuraa ensimmäistä kertaa aurinkotuulta jatkuvasti koko avaruuden läpi, jotta voimme ymmärtää paremmin Aurinkoa, aurinkotuulta ja niiden vaikutuksia ihmiskuntaan.

Neljä PUNCH -observatorioita sijoitetaan aurinkosynkroniselle Maata kiertävälle radalle. Kuva NASA.

Kukin neljästä PUNCH-avaruusaluksesta on hieman yli metrin pituinen, ja siinä on yksi instrumentti +Z-kannella (jota pidetään lennon aikana zeniitin suuntaan). Kukin avaruusalus tukee kolmiakselista suuntausta (muutaman kaarisekunnin tarkkuudella), nopeaa tiedonvälitystä kaksikaistaisella downlinkillä, kiertoradan korjaustyöntövoimaa ja kehittynyttä autonomista vikakorjausta. Neljä avaruusalusta laukaistaan ja asetetaan kiertoradalle yhdestä kantoraketista.

PUNCH neljä observatoriota sijoitetaan 570 km korkeudella olevalle aurinkosynkroniselle radalle siten, että jokaisella luotaimelle on hyvä näkyvyys Auringon suuntaan. Lähdön jälkeen seuraa kolmen kuukauden jakso, jonka aikana laitteet otetaan käyttöön ja niiden toiminta tarkistetaan ja kalibroidaan. Sen jälkeen observatoriot siirretään lopulliseen asemaan Maan kiertoradalla ja kuvaaminen aloitetaan.

Kuvantamisen aikana kuvien kuvaussuuntaa käännetään synkronoidusti 30 astetta aina kun observatoriot ovat siirtyneet radallaan kolmekymmentä astetta.

Havaintolaitteet

Observatorioista yhdellä on kapeakenttäkamera (Narrow Field Imager, NFI), joka kuvaa rengasmaisen kuvakentän (FOV) Auringon ympäriltä. Kolmella observatoriolla on laajakenttäkamera (Wide Field Imager, WFI). Nämä kamerat ovat rakenteellisesti korografeja, sillä niiden kohde on Auringon korona ja jos Aurinko olisi näkyvissä kuvissa, niin silloin koronaa ei näkyisi.

PUNCH-observatorioiden kuvakentät, jotka ovat nimetty kameroiden mukaan. Keltainen piste kuvan keskellä on Aurinko ja kehät ovat kuvakenttien rajat. NFI-observatorion kuvakentässä oleva Aurinko on estetty näkymästä peitinlevyllä. WFI-oservatorioissa Aurinko ei suoranaisesti ole kuvakentässä mutta sen aiheuttama hajavalo on "sammutettu" kameran hajavalo estoilla (baffle) ja valoansoilla (light trap). Kuva NASA.

Kaikkien neljän observatorioiden toiminta on synkronoitu lennon aikana. Kahdeksan minuutin välein kukin PUNCH-luotain ottaa seitsemän kuvaa: yhden polarisoimattoman kuvan ja kuusi polarisoitua kuvaa kahdessa kolmen kuvan sarjassa. Kuvat yhdistetään maassa 3D-kuviksi. PUNCHilla on avoimen datan politiikka, ja kaikki tiedot ovat vapaasti kaikkien käytettävissä mihin tahansa tarkoitukseen.

Lisäksi yhdessä observatoriossa on opiskelijoiden toimittama röntgenspektrometri, STEAM. Se on sijoitettu NFI observatorioon.

NFI-kamera muistuttaa eniten perinteistä kaukoputkea. Koronagrafiksi sen tekee Auringon peittävä peitinlevy. Kuva NASA.

Narrow Field Imager (NFI) on pienikokoinen ulkoisesti peittävä koronagrafi, jonka kuvakenttä on samanlainen kuin SOHO/LASCO-C3:n: 6 – 32 R_☉ taivaalla. Ulkoinen varjostin estää suoraa auringonvaloa pääsemästä optiseen pääaukkoon, joka tarkastelee Auringon ympärillä olevaa koronaa ja tähtikenttää yhdistelmälinssijärjestelmän avulla. Polarisaatio erotetaan käyttämällä polarisoivaa suodatinpyörää (PFW), ja kuvasensori on CCD-tyyppinen (CCA), jossa on 2k × 2k pikselin aktiivinen ilmaisinalue.

 

WFI-kameran "hallitsevana elementtinä" on sen hajavaloa estävät rakenteet. Kuva NASA.

Wide Field Imager (WFI) on STEREO/HI:hen perustuva laajakenttäinen heliosfäärikamera (HI). Se kuvaa taivasta 18 – 180 R_☉ alueelta. HI-mallit ovat analogisia koronagraafien kanssa, mutta niiden kuvan muoto on neliö eikä pyöreä. WFI heikentää suoraa auringonvaloa yli 16 suuruusluokkaa. Laajakenttäakromaattinen optiikka perustuu kuuluisaan Naglerin okulaariin käänteisellä geometrialla. Polarisaatiossa ja havaitsemisessa käytetään samoja PFW- ja CCA-malleja kuin NFI:ssä.

STEAM edistää ymmärrystä auringonpurkauksista ja auttaa selvittämään, miksi Auringon korona on paljon kuumempi kuin Auringon pinta, mittaamalla keskeisten alkuaineiden pitoisuuksia ja lämpötilaa auringonpurkauksissa ja aktiivisilla alueilla. Tämä tehdään mittaamalla Auringon röntgenspektriä hiljaisissa olosuhteissa, näkyvillä aktiivisilla alueilla ja auringonpurkausten aikana.

PUNC observatorioiden toiminta aika on noin 2 vuotta. Niiden piti lähteä avaruuteen jo kaksi vuotta sitten, mutta Covid-19 pandemia myöhästytti laitteiden valmistumista. Nyt aikaisin lähtöpäivä on helmikuun 27. päivä. Kantorakettina on SpaceX yhtiön Falcon 9 ja lähtö tapahtuu Vanderbergin avaruuskeskuksesta Kaliforniasta. Yhtä aikaa samalla kantoraketilla viedään avaruuteen myös SPHERex -observatorio.

 

SPHEREx aloittaa tehtävänsä

NASAn uusi maailmakaikkeuttahavaitseva tutkimusluotain SPHEREx on valmistunut ja sen on määrä lähteä avaruuteen helmikuun 27. päivänä yhdessä PUNC-avaruusobservatorioiden kanssa SpaceX yhtiön Falcon 9 kantoraketilla. Lähtöpaikka on Vandenberg Space Force Base Kaliforniassa.

Havainnekuva SPHEREx -observatoriosta Maata kiertävällä radalla. Kuva NASA/JPL.

Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer (SPHEREx) -tehtävä on suunniteltu kaksivuotiseksi, ja sen rahoitus on 242 miljoonaa dollaria (ei sisällä laukaisukustannuksia).

Observatorio tekee havaintoja sekä optisessa että lähi-infrapuna-valossa. Tähtitieteilijät keräävät tehtävän avulla tietoja yli 450 miljoonasta galaksista sekä yli 100 miljoonasta tähdestä omassa Linnunradassamme. Jotkut kohteet ovat niin kaukana, että niiden valo on kestänyt 10 miljardia vuotta saapuakseen Maahan. Linnunradasta kartoitetaan vettä ja orgaanisia molekyylejä tähtijoukoista ja erityisesti tähtien syntymisalueilta.

Tavoitteet

SPHEREx tekee havainnot koko taivaan alalta kuuden kuukauden välein käyttäen Maan satelliiteista ja Marsin avaruusaluksista omaksuttuja tekniikoita. Tehtävä luo kartan koko taivaasta 102 eri aallonpituusalueilta, mikä ylittää huomattavasti aiempien koko taivaan kattavien karttojen aallonpituuksien määrän. Se myös yksilöi kohteita, joita voidaan havaita yksityiskohtaisemmin muilla avaruusobservatorioilla, kuten NASAn James Webb -avaruusteleskoopilla ja Wide Field Infrared Survey Telescope -teleskoopilla.

SPHEREx on NASA:n Medium Explorer -tehtävä, jonka tarkoituksena on

· kartoittaa inflaation fysiikkaa mittaamalla inflaation jälkiä aineen kolmiulotteisessa laajamittaisessa jakautumisessa
· jäljittää galaktisen valontuotannon historiaa mittaamalla syvällä monikaistaisella mittauksella suuren mittakaavan klusteroitumista
· tutkia veden ja biogeenisten jäiden runsautta ja koostumusta tähtien ja planeettakiekkojen muodostumisen alkuvaiheissa.

SPHERExillä saadaan lähi-infrapunan 0,75 – 5,0 µm:n spektrejä koko taivaalta. Se toteuttaa yksinkertaisen instrumenttirakenteen, jossa on yksi havaintomoodi, jolla kartoitetaan koko taivas neljä kertaa sen nimellisen 25 kuukauden mittaisen tehtävän aikana. SPHERExillä on myös vahvaa tieteellistä synergiaa muiden operaatioiden ja observatorioiden kanssa, ja sen tuloksena syntyy rikas spektriarkisto, josta on hyötyä lukuisissa tieteellisissä tutkimuksissa.

SPHEREx-avaruusteleskooppi valottaa inflaatioksi kutsuttua kosmista ilmiötä.

Ensimmäisen 10^-36 sekunnin aikaan alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeuden koko kasvoi 10²⁴ -kertaiseksi. Tämä inflaatioksi kutsuttu lähes hetkellinen tapahtuma tapahtui lähes 14 miljardia vuotta sitten, ja sen vaikutukset näkyvät nykyään universumin aineen laajamittaisessa jakautumisessa. Kartoittamalla yli 450 miljoonan galaksin jakautumisen SPHEREx auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin tämän äärimmäisen kosmisen tapahtuman taustalla olevaa fysiikkaa.

Observatorio mittaa lähellä ja kaukana sijaitsevien galaksien yhteistä loistetta.

Tutkijat ovat yrittäneet arvioida kaikkien galaksien kokonaisvalotehoa kosmisen historian aikana tarkkailemalla yksittäisiä galakseja ja ekstrapoloimalla ne maailmankaikkeuden triljooniin galakseihin. SPHEREx-avaruusteleskooppi käyttää toisenlaista lähestymistapaa ja mittaa kaikkien galaksien kokonaisvalonhehkua, mukaan lukien galaksit, jotka ovat liian pieniä, liian hajanaisia tai liian kaukana, jotta muut teleskoopit voisivat helposti havaita niitä. Yhdistämällä tämän kokonaishehkun mittaaminen muiden teleskooppien yksittäisiä galakseja koskeviin tutkimuksiin tutkijat saavat täydellisemmän kuvan kaikista maailmankaikkeuden tärkeimmistä valonlähteistä.

Linnunradasta etsitään elämän keskeisiä rakennusaineita.

Elämää sellaisena kuin me sen tunnemme, ei olisi olemassa ilman veden ja hiilidioksidin kaltaisia perusaineita. SPHEREx-observatorio on suunniteltu etsimään näitä molekyylejä jäätyneinä tähtienvälisissä kaasu- ja pölypilvissä, joissa tähdet ja planeetat muodostuvat. Tehtävä määrittää näiden jäisten yhdisteiden sijainnin ja runsauden galaksissamme, mikä antaa tutkijoille paremman käsityksen niiden saatavuudesta vasta muodostuvien planeettojen raaka-aineissa.

Rakennekaavio SPHEREx:n suojakartiosta ja havaintolaitteistosta. Kuva NASA/JPL.

SPHEREx lisää NASAn avaruusteleskooppien ainutlaatuisia vahvuuksia.

NASAn Hubblen ja Webbin kaltaiset avaruusteleskoopit ovat zoomanneet maailmankaikkeuden moniin kolkkiin ja näyttäneet meille planeettoja, tähtiä ja galakseja korkealla resoluutiolla. Mutta joitakin kysymyksiä - kuten kuinka paljon valoa kaikki maailmankaikkeuden galaksit yhdessä säteilevät? - voidaan vastata vain tarkastelemalla kokonaisuutta. Tätä varten SPHEREx-observatorio tuottaa karttoja, jotka kattavat koko taivaan. SPHERExin havaitsemia tieteellisesti kiinnostavia kohteita voidaan sitten tutkia tarkemmin Hubblen ja Webbin kaltaisilla kohdennetuilla teleskoopeilla.

SPHEREx-observatorio tekee kaikkien aikojen värikkäimmän koko taivaan kartan.

SPHEREx-observatorio "näkee" infrapunavalon. Ihmissilmä ei voi havaita tätä aallonpituusaluetta, ja se on ihanteellinen tähtien ja galaksien tutkimiseen. Spektroskopiaksi kutsutun tekniikan avulla teleskooppi voi jakaa valon sen eri väreihin (yksittäisiin aallonpituuksiin) ja näin mitata kosmisten kohteiden etäisyyttä ja saada tietoa niiden koostumuksesta.

SPHERExin spektroskooppisen kartan avulla tutkijat voivat havaita todisteita galaksissamme olevista kemiallisista yhdisteistä, kuten vesijäästä. He eivät ainoastaan mittaa maailmankaikkeutemme galaksien lähettämän valon kokonaismäärää, vaan myös havaitsevat, kuinka kirkas tämä kokonaishehku oli kosmisen historian eri vaiheissa. Lisäksi he kartoittavat satojen miljoonien galaksien 3D-sijainnit tutkiakseen, miten inflaatio on vaikuttanut maailmankaikkeuden nykyiseen laajamittaiseen rakenteeseen.

Avaruusaluksen kartiomainen rakenne auttaa sitä pysymään kylmänä ja näkemään heikot kohteet.

Tehtävän infrapunateleskoopin ja -ilmaisimien on toimittava noin –210 °C lämpötilassa. Tämä johtuu osittain siitä, että ne eivät pysty tuottamaan omaa infrapunavaloa, joka saattaisi peittää kosmisten lähteiden heikon valon. Kylmänä pitämiseksi ja samalla avaruusaluksen suunnittelun ja toiminnan yksinkertaistamiseksi SPHEREx käyttää täysin passiivista jäähdytysjärjestelmää - sähköä tai jäähdytysaineita ei käytetä normaalin toiminnan aikana. Keskeistä tämän saavutuksen mahdollistamisessa on kolme kartiomuotoista fotonisuojaa, jotka suojaavat teleskooppia Maan ja Auringon lämmöltä, sekä suojien alla oleva peilirakenne, joka ohjaa lämpöä laitteesta ulos avaruuteen. Nämä fotonisuojat antavat avaruusalukselle sen tunnusomaiset ääriviivat.

Havaintolaitteet

SPHEREx:n teleskoopin kaaviollinen rakenne. Valo kulkee pääpeilin M1 jälkeen kahden apupeilin  M2 ja M3 kautta. Sen jälkeen on edessä säteenjakaja joka jakaa aallonpituuden perusteella saapuvan valon eri havaintoinstrumentteihin. Yläkuvassa on teleskoopin kokoonpano ja kuvakentän jakaminen eri aallonpituuksiin kiinteiden suodattimien avulla. Kuva NASA/JPL.

SPHEREx on toteutettu yksinkertaisella ja vankalla rakenteella, joka maksimoi aallonpituuksien läpimenon. Tämä tapahtuu ilman liikkuvia osia, lukuun ottamatta aukon kannen kertaluonteista poistamista.

SPHERExin suunnittelussa käytetyt ominaisuudet ovat osoittautuneet tehokkaiksi aiemmissa tehtävissä, ja niihin kuuluvat muun muassa seuraavat:

· 20 cm:n täysalumiininen teleskooppi, jossa on laaja 3,5° x 11° laaja kuvakenttä, joka on jaettu kahdesti säteenjakajan kautta.
· Kuusi 2K x 2K HgCdTe-ilmaisinrivistöä. Nämä H2RG-matriisit on hyväksytty James Webb -avaruusteleskoopin avaruushavaintoja varten, ja ne perustuvat pitkään menestyksekkääseen historiaan avaruuslaitteissa, joissa on käytetty pienempiä matriiseja.
· Kuusi lineaarista läpäisevää suodatinta (LVF) spektrien tuottamiseen. Kunkin lähteen spektri saadaan liikuttamalla teleskooppia LVF:n aallonpituuden vaihtelusuunnassa erillisin askelin. Tätä menetelmää demonstroitiin New Horizonsin LEISA-järjestelmällä, jolla saatiin erinomaisia spektrikuvia Jupiterista ja Plutosta.

Kansainvälinen yhteistyö

SPHERExin tutkija tohtori Jamie Bock johtaa tutkimusta. Kalifornian teknologiainstituutti ja Jet Propulsion Laboratory kehittävät SPHERExin hyötykuorman. Avaruusaluksen toimitti BAE Systems (aiemmin Ball Aerospace).

Korea Astronomy and Space Science Institute toimitti kryogeenisen testikammion, joka ei lennä. Tiedot asetetaan julkisesti saataville infrapunakäsittely- ja analyysikeskuksen kautta.

Caltech/JPL:n ja kansainvälisten tutkijoiden lisäksi SPHEREx-tiimiin kuuluu tutkijoita eri puolilta maata sijaitsevista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista. Mukana ovat mm. UC Irvine, Ohion valtionyliopisto, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Arizonan valtionyliopisto, Arizonan yliopisto, Rochesterin teknillinen korkeakoulu, Argonnen kansallinen laboratorio ja Johns Hopkinsin yliopisto.