Vývojová práce s přehledem

Ten, kdo plánuje vesmírný dalekohled jako Euclid, má přesně jeden pokus o start. Aby bylo možné provozovat techniku za podmínek ve vesmíru, museli vědci a týmy inženýrů Max-Planck-Gesellschaft překonat velké výzvy. Vyvinuli a sestavili optické komponenty a části přístrojů na palubě a v současné době se starají o správná data. To, že při několikaletém plánování může dojít i k chybám, ukazuje, že Euclid posouvá hranice dosud možného.

Moment, kdy vesmírný dalekohled Euclid poslal své první snímky na Zemi, předcházely desetiletí výzkumu a vývoje technologií. Na tom se podíleli také vědci a inženýři z Max-Planck-Institutu pro astronomii v Heidelbergu a z Max-Planck-Institutu pro exoplanetární fyziku v Garchingu u Mnichova. Jsou součástí konsorcia Euclid, které tvoří výzkumné instituce v 17 zemích. A spolu s kolegy z dalších institucí vyvinuli a sestavili dva přístroje dalekohledu, optickou kameru (VIS, Visible Instrument) a blízkoinfrarední kameru (NISP, Near-Infrared Spectrometer and Photometer). Další tým z obou Max-Planck-Institutů nyní společně s kolegy z jiných zařízení zajišťuje provoz dalekohledu, logistiku a kvalitu přenášených dat.

Unikát

Euclid se nachází na imaginární ose mezi Sluncem a Zemí, za Zemí, a odtud hledá velkou část oblohy, kterou lze vidět, na vzdálené galaxie. Zde, daleko od zemské atmosféry, nic nebrání pohledu na temné a rozmanité vesmírné prostředí. Dalekohled je unikát. „Vyvinuli jsme společně největší optické čočkové systémy, jaké kdy byly použity pro vědeckou vesmírnou misi,“ říká Frank Grupp, vedoucí vědec z Max-Planck-Institutu pro exoplanetární fyziku a Ludwig-Maximilians-Universität. Čtyři čočky, o průměru až 18 centimetrů a váze 2,5 kilogramu, to ještě nikdy nebylo.

Také tři barevné filtry přístroje NISP lámou rekordy. „Jsou to největší infračervené filtry všech dosavadních astronomických vesmírných misí,“ říká Knud Jahnke z Max-Planck-Institutu pro astronomii, který filtry vyvinul společně s průmyslem. Obrazová rovina Euclidu zachycuje snímek přibližně velikosti Měsíce v úplňku, což je asi 250krát větší než Hubbleovo hluboké pole, jednorázové záběry Hubbleova vesmírného dalekohledu, úzké okno, ve kterém bylo vidět tisíce vzdálených galaxií.

Velké zorné pole a velká optika se vzájemně doplňují. Jsou používány k fotografování téměř celého viditelného nebe za naší galaxii během pouhých šesti let s vysokým rozlišením a detailností a zároveň k zachycení miliard galaxií do trojrozměrné mapy. Cílem je odpovědět na otázku, jak se vesmír vyvíjel a jakou roli v tom hrály temná hmota a temná energie.

Minuty napětí

Po mnoha letech, kdy byly přístroje dalekohledu pečlivě sestavovány za vysoce čistých podmínek, vzlétl Euclid 1. července 2023 za hlasitého rámusu na palubě rakety Falcon 9 z kosmického střediska Cape Canaveral. Frank Grupp vzpomíná: „Když jsem cítil motory v břiše a hrudi, musel jsem myslet na své čočky, které byly jen asi 60 metrů od motorů a byly vystaveny mnohem silnějším otřesům.“ Přesto byl optimistický a věděl, že optika vydrží.

„Většina mechaniky je konstruována tak, aby vydržela dvě minuty startu, kdy působí extrémní síly,“ říká Knud Jahnke. Větší problémy nastaly jen na začátku plánování. „Na úplném začátku nám praskl první návrh čočky na testovacím stojanu. To bolelo. Byla sice lehká, ale kvůli materiálu byla příliš křehká. Z toho jsme se poučili,“ říká Frank Grupp. „Selhání je citlivé téma, ale je důležité.“ Čočky, které putovaly do vesmíru, byly těžší, ale odolnější. Šlo o kompromisní rozhodnutí, protože každý gram startovací hmotnosti stojí drahé peníze.

Detaily rozhodují

Aby optika Euclidu mohla pořídit snímky vhodné pro kosmologické studie, tedy lepší než by bylo možné z pozemských pozorování, je třeba kalibračních vědců. Na Max-Planck-Institutu pro astronomii zajišťují při kalibraci rovnováhu mezi očekáváními od systému dalekohledu za ideálních podmínek a skutečnými podmínkami v orbitě. Optimalizují snímky a data tím, že přesně studují vlastnosti přístrojů a dalekohledu, stejně jako vliv drsného prostředí vesmíru, a tyto vlivy následně zohledňují. „Přístroj je takový, jaký je,“ říká Knud Jahnke. „Na papíře si mohu předem spočítat, co bychom měli očekávat, ale ve vesmíru jsou podmínky mírně odlišné než v laboratoři na Zemi.“

Trojrozměrná mapa vesmíru

Po šesti letech bude Euclid dodávat asi 40 000 snímků. Aby bylo možné z těchto dvourozměrných obrázků vytvořit trojrozměrnou mapu galaxií v našem pozorovatelném vesmíru, budou pomáhat pozemní teleskopy, které určují vzdálenosti k zobrazeným galaxiím. „Data z teleskopů, která získáme ze Země, výrazně převyšují objem dat od Euclidu,“ říká Maximilian Fabricius z Max-Planck-Institutu pro exoplanetární fyziku a Ludwig-Maximilians-Universität v Mnichově, který řídí německé datové centrum Euclidu. Patří sem spektroskopická data, tedy barevné složky viditelného světla, ze kterých lze společně s infračervenými spektry Euclidu určit vzdálenosti k miliardám galaxií.

Důvěra přináší jistotu

První zveřejněné vědecké snímky ukazují, že návrh dalekohledu splňuje všechny požadavky. Zúčastněná Max-Planckova centra byla během vývoje dalekohledu součástí složitého a detailního procesu. Takový vesmírný dalekohled má pouze jeden start a není možné později provádět opravy. Klíčem k úspěchu podle Knuda Jahnkeho není jen odborné znalosti, ale i otevřená kultura chyb během vývoje: „Velmi pomohlo, že jsme mohli problémy vždy otevřeně řešit a vzájemně si důvěřovat.“