NASA laukaisee uuden planeettaetsijän avaruuteen

Taiteilijan näkemys TESS-observatoriosta avaruudessa.
Kuva NASA.

NASAn uusin eksoplaneettoja etsivä avaruusobservatorio Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) laukaistaan sääolojen sen mahdollistaessa avaruuteen.

Laukaisuun päästiin viimein 19.4.2018 kello 01.51 Suomen aikaa Cape Canaveralissa olevalta Ilmavoimien laukaisukeskuksesta Floridasta. Kantorakettina oli Spase X yhtiön Falcon 9 ja laukaisualusta oli numero 40.

Laukaisuikkuna oli vain 30 sekunnin mittainen, joten huono sää esti suunnitellun laukaisun aikaisemmin. Alun perin laukaisu olisi pitänyt tapahtua 16.4. mutta sitä siirrettiin kolmella vuorokaudella myrskyisän sää vuoksi.

Laukaisun jälkeen TESSin rataa muutetaan siten, että sen etäisin kohta Maasta kasvaa joka kierrokselta. Lopulta observatorio lentää Kuun ohi ja silloin sen rata muuttuu noin 30 asteen kulmaan maapallon ekvaattoritasosta. Yhteen kierokseen maapallon ympäri TESSiltä kuluu 13,7 vuorokautta. Rata on erikoinen, sillä sitä ei ole koskaan aikaisemmin käytetty Maata kiertävälle satelliitille! 

Rata on laaja mutta erikoisuus on siinä, että TESSin kiertoaika on 2:1 Kuun kiertoajan kanssa. Kiertoradan valinnalla varmistetaan maksimaallinen havaintoaika ja lisäksi observatorio on edelleen maapallon magneettikentän suojaavan vaikutuksen alueella, jolloin kosmisen säteilyn vaurioittava vaikutus vähenee merkittävästi.

TESSin neljä kameraa yhdessä kartoittavat 96×24 asteen
kenttää kerrallaan 27 vuorokauden ajan.
Kuva NASA.

TESSin tarkoitus on kartoittaa koko tähtitaivas seuraavien kahden vuoden aikana. Se käyttää samaa menetelmää kuin mitä Kepler-observatoriossa käytettiin, eli se mittaa tähtien kirkkautta. Jos kirkkaudessa havaitaan muutoksia, niin niiden aiheuttaja voi olla aikaisemmin tuntematon eksoplaneetta. Kirkkauden lisäksi TESS määrittää lähitähtien planeettojen ilmakehien spektrejä. Erityisesti tutkijat etsivät spektreistä niitä planeettoja, joiden ilmakehästä on vesihöyryä, happea ja metaania, siis kaasuja, jotka liitetään maapalolla esiintyvään elämään.

Jos sopivalla etäisyydellä tähdistään olevia eksoplaneettoja löytyy ja niiltä havaitaan ilmakehä, niin jatkotutkimukset tehdään James Webb avaruusteleskoopilla (JWST). JWST laukaistaan avaruuteen vuonna 2020.

TESSissä on kaikkiaan neljä laajakenttäistä kameraa havaintovälineenä. Kunkin kameran kuvakentän sivun pituus on 24 astetta ja neljän kameran kentät muodostavat yhdessä 96×24 asteen sektorin. Tätä sektoria kamerat kuvaavat yhden kierroksen ajan. Koko seuranta käsittää kaikkiaan noin 200 000 aurinkokuntamme lähitähteä. Tutkijat odottavat TESSin kartoituksen tuovan tietoja vähintään 300 maapallon kokoisesta ja supermaa -planeetoista. Supermaa-planeettojen koko on tässä yhteydessä rajoitettu enintään kaksinkertaiseksi verrattuna maapalloon.

Radan maapalloa lähimmässä osassa observatorio käännetään tietoliikennettä varten muutaman vuorokauden ajaksi. Tällöin kaikki mittaukset radioidaan Maahan. 

TESSin kartoittamat alueet taivaanpallosta
vuorokausina. Kuva NASA.

TESS kartoittaa yhtä kohdealuettaan vähintään 27 vuorokauden ajan. Havaintojakson jälkeen havaintoaluetta muutetaan siten, että se on jonkin verran päällekkäin edellisen havaintokentän kanssa. Näin jatkettaessa ensimmäisen toimintavuoden aikana tulee kartoitetuksi puolet taivaanpallosta ja seuraavana vuotena toinen puolisko. Observatorion kääntöakselin napa-alueet ovat jatkuvasti seurattuja. Tutkijat odottavat saavansa tietoja eksoplaneettojen lisäksi noin 20 000 muusta avaruuden kohteesta ja kappaleesta.

Lisätietoja

https://www.nasa.gov/tess-transiting-exoplanet-survey-satellite

Komeetat ei selitä Tabbyn tähden himmenemistä

Viimevuoden lopulla otsikoihin nousi kirkkauttaan menettäneen tähden omituinen valokäyrä ja ennen kaikkea se, millä sitä yritettiin selittää. Kyseisen tähden KIC 8462852^[1] (joka tunnetaan myös nimellä Tabbyn tähti tutkijan Tabetha Boyajian’in mukaan) kirkkaus näytti vaihtelevan epäsäännöllisesti. Kirkkaushavaintoja tähdestä tehtiin Kepler-avaruuskaukoputkella^[2] vuosina 2009–2013.

Epäsäännölliselle himmenemiselle tutkijat eivät löytäneet luontevaa selitystä. Tabetaha Boyajian (Yalen yliopisto) tutkimusryhmä arvioi tähteä kiertävän suuren komeettapilven selittävän epäsäännölliset himmenemiset.

Selitys olisikin ehkä ”nielaistu” sellaisenaan ellei Jason Wright (Pensyvania State yliopisto) tutkimusryhmineen olisi julkaissut lehtiartikkelia aiheesta. He esittivät himmenemisen syyksi muukalaissivilisaatiota, joka olisi rakentanut tähtensä ympärille valtavan satelliiteista koostuvan megarakenteen tähden energian keräämiseksi. Artikkeli ”räjäytti potin”. Lähes jokainen kynnelle kykenevät tiedostusvälinen julkaisi oman version Wright’in selityksestä.

Tässä vaiheessa Braley Schaefer (Lousiana State yliopisto) jatkoi aiheen ja himmenemisen tutkimusta. Boyajian tutkimusryhmä oli etsinyt tähden aikaisemmista himmentymisistä Harvard yliopiston skannatuista lasilevyvalokuvista löytämättä mitään merkittävää. Schaefer ei kuitenkaan ollut aivan vakuuttunut asiasta ja etsi viiden vuoden keskiarvoista pitkäkestoisia himmenemisiä. Se mitä hän löysi, oli todellinen yllätys: tähden kirkkaus oli vähentynyt noin 20 % vuodesta 1890 vuoteen 1989.

Varmistaakseen löytönsä Schaefer meni Havardiin mittaamaan alkuperäisistä lasilevyistä tähden kirkkauden muutoksia. Harva tähtitieteilijä osaa enää tehdä tarkkoja tähtien kirkkausmittauksia lasilevyistä. Schaefer on yksi niistä harvoista. Tulos oli sama kuin skannatuista kuvista mitattu: tähti on todellakin himmentynyt noin 20 %.

Schaeferin saama tulos oli merkittävä, se kumosi molemmat aikaisemmin esitetyt selitysyritykset. Ensiksi Schaefer laski tarvittavien komeettojen määrän. Komeettoja, joiden koko olisi yli 200 km, pitäisi olla vähintään 648 000 kappaletta. Komeettojen koko ja määrä tekee selityksestä hyvin epätodennäköisen.

Toinen kumoutunut selitys oli muukalaissivilisaatio. Ei tunnu kovinkaan todennäköiseltä, että vaikka kuinka kehittynyt kulttuuri olisi kysymyksessä, että se kykenisi rakentamaan vain vuosisadassa yli viidesosan tähden peittävän megarakennelman.

Megarakennelmaa vastaan on myös se merkittävä huomio, että tähden infrapunaisilla aallonpituuksilla ei ole havaittu minkäänlaista muutosta. Jos megarakennelma olisi todellisuutta, infrapunasäteilyn olisi pitänyt kasvaa niin paljon, että tähden bolometrinen säteilymäärä olisi pysynyt muuttumattomana.

Toistaiseksi tutkijat ovat siis ”huuli pyöreänä” ja ilman selitystä. Voi olla että Tabbyn tähti on uusin avaruuden ”omituisten otusten kerhon jäsen”, jolle teoreetikkojen tulee keksiä hyvä selitys. Lisätutkimuksia joka tapauksessa tarvitaan ennen kuin arvoitus on ratkaistu.

Huomautukset

[1] Tähti sijaitsee Joutsenen tähdistössä, kirkkaus 11,7^m , spektriluokka F3 V/IV (pääsarjan tähti), etäisyys 1480 valovuotta, säde 1,58 R_Sun . Tähtikartoissa ja luetteloissa tähdellä on tunnuksia: TYC 3162-665-1, 2MASS J20061546+4427248 (numerosarja kertoo tähden koordinaatit),
UCAC4 673-083862 ja WISE J200615.45+442724.7 .

[2] Kepler avaruuskaukoputken tehtävän oli tehdä mittauksia tähtien kirkkauksista. Se oli suunnattu vuosina 2009–2013 Joutsenen ja Lyyran tähdistön rajalle, jossa sen kuvakentässä oli ainakin 150 000 tähteä. Näistä tähdistä on löydetty yli tuhat eksoplaneetta ja hyviä kandidaatteja on vähintään 3500. Keplerin ohjausjärjestelmä rikkoontui vuonna 2013 ja nykyisin sen suuntaaminen alkuperäiseen kohteeseen ei enää ole mahdollista. Sen sijaan avaruuskaukoputki tekee tähtien kirkkausmittauksia ekliptikan tasossa noin kolmen kuukauden jaksoissa.

Alla Tabbyn tähden kirkkauskäyriä!

Reaktiopyörä lakkasi toiminnasta

Taiteilijan näkemys avaruudessa
olevasta Kepler-observatoriosta.
Kuva Nasa/Kepler.

Avaruusprojekteista saadaan silloin tällöin järkyttäviä uutisia. Ehkä kuuluisin tämän sarjan viesti avaruudesta oli 1970-luvun alkupuolella, kun Nasan lennon valvonta vastaanotti viestin: "Houston, meillä on ongelma" ("Houston, we have a problem!"). Nämä legendaariset sanat lausui Apollo 13 lennolla komentajana toiminut James Lowell huhtikuun 14. päivänä 1970.

Sanat on toistettu sittemmin lukemattomia kertoja mitä moninaisimmissa ja vakavuudeltaan erilaisissa tilanteissa. Itse Apollo-lentoja tarkasti ja mahdollisimman reaaliaikaisesti seuranneena nämä sanat merkitsevät minulle aina vakavaa ongelmaa – niin vakavaa, että en missään oloissa haluaisi niitä kuulla.

Toinen, vakavuudeltaan lähes yhtäläinen viesti avaruudesta tulleena on "reaktiopyörä on vaurioitunut". Usein kuitenkin kyseessä on "vain" miehittämättömän avaruusluotaimen tai observatorion laiterikko, jollaisia tapahtuu väistämättä laitteiden ikääntyessä avaruuden olosuhteissa suhteellisesti hyvin nopeasti. Tilanne ei aina ole yhtä turvallinen, sillä kaikissa miehitetyissä avaruusasemissa on reaktiopyörät. Tällöin niiden vaurioituminen vaatii aina korjaustoimia.

Reaktiopyörät – siis monikossa, sillä niitä tarvitaan yleensä ainakin kolme samaan aikaan toimivaa – ovat hyvin tärkeitä ja toistaiseksi lähes korvaamattomia laitteita asennonsäädössä. Vaikka ne eivät ole ainoita keinoja avaruusaluksen asentovakauden säilyttämisessä, ne ovat usein tehokkain menetelmä.

Periaatteessa reaktiopyörä on vain vauhtipyörä, jonka pyöriessään pyrkii pitämään suuntansa vakaana ulkopuolisten voimien vaikuttaessa siihen. Suuntavakaus on seurausta gyrovoimaksi nimetystä reaktiosta mille tahansa häiriövoimalle. Esimerkiksi polkupyörällä ajaminen olisi mahdotonta ilman renkaiden synnyttämiä gyrovoimia. Jokainen voi etsiä gyrovoiman selityksen vanhasta fysiikan koulukirjastaan tai netistä, jos sen syntytapa on jo unohtunut. Maapallon prekessio on myös seurausta gyrovoimasta.

Kolmeulotteisessa avaruudessa kappaleen suuntavakauden säilyminen on vaikea asia hallittavaksi. Periaatteessa pienikin voima, momentti tai gravitaatiohäiriö saa aikaan asennon muuttumisen. Asennon muutos ei kuitenkaan vaimene kuten maanpinnalla kitkan ja voimakkaan gravitaation vaikutuksesta, vaan jatkuu ja jatkuu kunnes se on muuttunut pyörimisliikkeeksi. Olipa siis kyseessä mikä tahansa avaruuteen lähetettävä laite, niin sen asennon säätöön pitää kiinnittää erityisen suuri huomio.

Tavallisesti avaruusluotainta itseään voidaan käyttää reaktiopyöränä saattamalla se pyörimään jonkin akselinsa ympäri. Maata kiertävien satelliittien ja etenkin miehitettyjen avaruusalusten kohdalla tämä ei kuitenkaan aina ole mahdollista. Tällöin ne varustetaan aktiivisella asennon säädöllä, hyvin usein reaktiopyörillä; tavallisesti niitä on kuusi, kaksi jokaiselle kolmelle akselille. Käytössä niitä yleensä on vain kolme, toisten ollessa varalla.

Tähänastinen kuulostaa varsin yksinkertaiselta, ja osittain se sitä onkin. Mutta aina on jossakin se "mutta", niin tässäkin: käytössä reaktiopyörän pyörimisvauhti pyrkii kasvamaan ja lopulta se on kiihtynyt niin nopeaksi, että pyörän vauhtia on hidastettava hukkaamalla pyörimismomentti tavalla tai toisella jonnekin aivan muualle. Tämä prosessi kuormittaa laitteistoa merkittävästi.

Mielikuva avaruudessa pyörivästä vauhtipyörästä on turhankin yksinkertaistettu. Todellisuudessa reaktiopyörät ovat erittäin monimutkaisia elektronisia laitteita sen vauhtipyörän lisäksi. Niinpä laitteiston vaurioituminen avaruuden olosuhteissa on väistämätöntä mitä pitempään se on toiminnassa. Mekaaninen pyöriminen vaatii aina pyörimisakselin laakeroinnin. Pienikin kuluminen tai vaurio laakereissa lisää kitkaa ja aiheuttaa näin toimintaherkkyyden muutoksen. Lisäkitka kuumentaa laakeria ja lopulta se vaurioituu jopa mekaanisesti.

Laakerit eivät ole ainoa vikamahdollisuus. Reaktiopyörän elektroniikka itsessään vanhenee ja kosminen hiukkassäteily ja nopeat protonit kuormittavat laitteistoa ja lopulta elektroniikka pettää jossakin kohtaa. Tästä syystä avaruuslaitteet varustetaan varaosilla riittävän toiminta-ajan takaamiseksi.

Tuorein uutinen reaktiopyörän vikaantumista saatiin parisen viikkoa sitten. Joutsenen ja Lyyran tähdistöjen rajalla sijaitsevaa tähtijoukkoa tarkkaileva Kepler-avaruusobservatorion toinen reaktiopyörä on vaurioitunut. Ensimmäinen vaurioitui viime kesänä. Kepleriin on asennettu kaikkiaan neljä reaktiopyörää, joten jäljellä on vain kaksi toimivaa laitetta. Tämä tarkoittaa sitä, että Keplerin asennonsäätö ei enää toimi tehtävän vaatimalla riittävällä tarkkuudella.

Kepler ei kuitenkaan joudu välittömään pyörimisliikkeeseen, sillä kahden reaktiopyörän, tähtiseurantalaitteiden (Star Tracker) ja ohjausrakettien avulla se kyllä saadaan pysymään kutakuinkin suunnassaan.  Lisäksi insinöörit voivat keksiä muita keinoja observatorion vakauttamiseen, mahdollisesti jopa alkuperäisen tehtävän jatkamiseen, joten olkaamme toiveikkaita.