Praca rozwojowa z jasnym spojrzeniem

Ten, kto planuje teleskop kosmiczny taki jak Euclid, ma dokładnie jeden próbę startu. Aby obsługiwać technologię w warunkach kosmicznych, naukowcy i zespoły inżynieryjne z Max-Planck-Gesellschaft musiały pokonać duże wyzwania. Opracowali komponenty optyczne i części instrumentów na pokładzie i obecnie dbają o bezbłędne dane. To, że podczas wieloletniego planowania czasami coś się nie udaje, pokazuje, że Euclid przesuwa granice dotychczasowego możliwości.

Moment, w którym teleskop kosmiczny Euclid wysłał swoje pierwsze obrazy na Ziemię, poprzedziły dziesięciolecia badań i rozwoju technologii. W ich pracach brali udział także naukowcy i inżynierowie z Max-Planck-Institute für Astronomie w Heidelbergu oraz Max-Planck-Institute für extraterrestrische Physik w Garching koło Monachium. Są częścią konsorcjum Euclid, które składa się z instytucji badawczych w 17 krajach. I to oni opracowali i zbudowali dwa instrumenty teleskopu: optyczną kamerę (VIS, Visible Instrument) oraz kamerę bliskiej podczerwieni (NISP, Near-Infrared Spectrometer and Photometer). Kolejny zespół z obu Max-Planck-Institut zapewnia teraz wspólnie z kolegami z innych instytucji obsługę teleskopu, logistykę i jakość przesyłanych danych.

Unikat

Euclid znajduje się na wyimaginowanej osi między Słońcem a Ziemią, za Ziemią, i stamtąd przeszukuje dużą część widzialnego nieba w poszukiwaniu odległych galaktyk. Tutaj, z dala od atmosfery Ziemi, nic nie przeszkadza w obserwacji ciemnego i różnorodnego wszechświata. Teleskop jest unikatowy. „Razem opracowaliśmy największe optyczne układy soczewek, które kiedykolwiek były użyte w naukowej misji kosmicznej”, mówi Frank Grupp, główny naukowiec z Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik i Ludwig-Maximilians-Universität. Cztery soczewki, o średnicy do 18 centymetrów i wadze 2,5 kilograma, to coś, czego jeszcze nie było.

Również trzy filtry kolorów instrumentu NISP ustanawiają rekordy. „Są to największe filtry podczerwieni w dotychczasowych misjach astronomicznych w przestrzeni kosmicznej”, mówi Knud Jahnke z Max-Planck-Institut für Astronomie, który wspólnie z przemysłem opracował filtry. Poziom kamery Euclida obejmuje obraz, który jest mniej więcej tak duży jak pełnia Księżyca, co oznacza, że jest około 250 razy większy niż Deep Field Hubble’a, pojedynczy obraz teleskopu Hubble’a, wąskie okno, w którym można dostrzec tysiące odległych galaktyk.

Duże pole widzenia i duża optyka wzajemnie się uzupełniają. Służą one do sfotografowania w ciągu zaledwie sześciu lat niemal całego widzialnego nieba poza naszą własną galaktyką, z wysoką rozdzielczością i szczegółowością, i do stworzenia trójwymiarowej mapy miliardów galaktyk. Cel: odpowiedzieć na pytanie, jak rozwijał się wszechświat i jaką rolę odegrały w tym ciemna materia i ciemna energia.

Minuty niepokoju

Po wielu latach starannego montażu instrumentów teleskopu w warunkach wysokiej czystości, Euclid wystartował 1 lipca 2023 roku, z głośnym hukiem, na pokładzie rakiety Falcon 9 z kosmodromu Cape Canaveral. Frank Grupp wspomina: „Gdy czułem silniki w brzuchu i na piersi, pomyślałem o 'moich' soczewkach, które były wystawione na znacznie silniejsze wstrząsy, zaledwie 60 metrów od silników”. Mimo to był pełen nadziei i wiedział, że optyka wytrzyma.

„Większość mechanizmów jest zbudowana tak, by wytrzymać dwie minuty startu, podczas których występują ekstremalne siły”, mówi Knud Jahnke. Większe awarie zdarzały się tylko na początku planowania. „Na samym początku pękło nam pierwsze projekt soczewki na stanowisku testowym. To bolało. Była lekka, ale z powodu materiału zbyt krucha. Nauczyliśmy się na tym”, mówi Frank Grupp. „Niepowodzenia to delikatny temat, ale są ważne”. Soczewki, które poleciały w kosmos, były cięższe, ale bardziej wytrzymałe. To kompromisowa decyzja, bo każde dodatkowe gram startowego ładunku kosztuje drogo.

Sukces tkwi w szczegółach

Aby optyka Euclida zapewniła obrazy odpowiednie do badań kosmologicznych, czyli lepsze niż te, które kiedykolwiek można byłoby uzyskać z ziemi, potrzebni są kalibracyjni naukowcy. W Max-Planck-Institut für Astronomie zajmują się oni kalibracją, porównując oczekiwania wobec systemu teleskopu w warunkach idealnych z rzeczywistymi warunkami w kosmosie. Optymalizują obrazy i dane, dokładnie badając cechy instrumentów i teleskopu oraz wpływ surowej przestrzeni kosmicznej, i uwzględniając je później. „Instrument jest taki, jaki jest”, mówi Knud Jahnke. „Na papierze mogę obliczyć, czego się spodziewać, ale w przestrzeni kosmicznej panują nieco inne warunki niż w laboratorium na Ziemi”.

Trójwymiarowa mapa wszechświata

Po sześciu latach Euclid dostarczy około 40 000 zdjęć. Aby z dwuwymiarowych obrazów stworzyć trójwymiarową mapę galaktyk w naszym obserwowalnym wszechświecie, będą wspierać je teleskopy naziemne, które określą odległości do sfotografowanych galaktyk. „Dane teleskopów, które pozyskujemy z Ziemi, znacznie przewyższają objętość danych Euclida”, mówi Maximilian Fabricius z Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik i Ludwig-Maximilians-Universität München, który kieruje niemieckim centrum danych Euclida. Wśród nich są dane spektroskopowe, czyli skład kolorów światła widzialnego, z których można wspólnie z infraczerwonymi spektrami Euclida określić odległości do miliardów galaktyk.

Zaufanie zapewnia bezpieczeństwo

Pierwsze opublikowane obrazy naukowe pokazują, że projekt teleskopu spełnia wszystkie wymagania. Zaangażowane instytucje Max-Planck-Institut während der Entwicklung des Teleskops waren Teil eines komplexen und kleinteiligen Prozesses. Ein solches Weltraumteleskop hat nur einen Startversuch und es ist nicht möglich, im Nachgang Reparaturen durchzuführen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt laut Knud Jahnke nicht nur am Fachwissen, sondern an einer offenen Fehlerkultur während der Entwicklung: „Es hat der Mission sehr gut getan, dass man Probleme immer offen ansprechen konnte und man immer vertrauensvoll miteinander umgegangen ist.“