Spitzer (teleskop kosmiczny)

Spitzer Wizja artysty z Kosmicznego Teleskopu Spitzera. Ogólne dane

Organizacja	NASA
Budowniczy	Lockheed Martin Space Ball Aerospace
Program	Duże obserwatoria
Pole	Astronomia w podczerwieni
Rodzaj misji	Teleskop kosmiczny
Status	Misja wykonana
Inne nazwy	Kosmiczny Teleskop Podczerwieni (SIRTF)
Uruchomić	25 sierpnia 2003
Wyrzutnia	Delta II 7920H
Koniec misji	30 stycznia 2020 r Maj 2009 (koniec misji w trybie chłodzenia)
Nazwany po	Lyman Spitzer ( amerykański astrofizyk )
Identyfikator COSPAR	2003-038A
Teren	spitzer.caltech.edu

Charakterystyka techniczna

Msza przy starcie	950 kg
Kontrola postawy	Stabilizowany na 3 osiach

Orbita

Orbita	Heliocentryczny

Teleskop

Rodzaj	Ritchey-Christian
Średnica	85 cm
Powierzchnia	2,3 m²
Ogniskowy	10,2 m
Długość fali	Podczerwień  : 3,6 do 100 mikronów

Główne instrumenty

IRAC	Aparat fotograficzny
IRS	Spektrograf
MIPS	Fotometr obrazujący

Spitzer lub SIRTF ( Space Infrared Telescope Facility ) to kosmiczny teleskop na podczerwień opracowany przez NASA . Jest to ostatnie z czterech „  Wielkich Obserwatoriów  ” o uzupełniających się cechach stworzonych przez NASA w celu odpowiedzi na główne pytania naukowe końca wieku w dziedzinie astrofizyki . Jego rolą jest głównie obserwacja powstania Wszechświata , powstawania i ewolucji prymitywnych galaktyk , genezy gwiazd i planet oraz ewolucji składu chemicznego Wszechświata, które są zjawiskami widocznymi głównie w podczerwieni.

Ten projekt teleskopu na podczerwień został zapoczątkowany w 1984 roku przez NASA. Podczas jego rozwoju rozmiar Spitzera został znacznie zmniejszony (masa zmniejszona z 5,7 tony do mniej niż jednej tony), aby poradzić sobie z cięciami budżetowymi dotykającymi agencję kosmiczną. Niemniej jednak jego możliwości są wyraźnie lepsze od swoich poprzedników, IRAS (1983) i ISO (1995), dzięki kilku technicznym wyborom i postępowi dokonanemu w międzyczasie w dziedzinie detektorów podczerwieni. Jego część optyczna składa się z teleskopu o średnicy 85  cm . Zebrane promieniowanie podczerwone jest analizowane przez trzy instrumenty, które są chłodzone, podobnie jak teleskop ciekłym helem  : fotometr do obrazowania w bliskiej i średniej podczerwieni (od 3 do 8 mikronów), spektroskop (5-40 mikronów) i spektrofotometr do dalekiej podczerwieni (50 -160 mikronów).

Uruchomiono 25 sierpnia 2003teleskop działa z pełną mocą do Maj 2009. Od tego dnia, po wyczerpaniu ciekłego helu, nadal działa w trybie „gorącym” z częścią oprzyrządowania. Teleskop został wycofany ze służby przez NASA w dniu30 stycznia 2020 r. Projekt Spitzer kosztował 1,36 miliarda dolarów od początku jego projektowania do zakończenia eksploatacji w 2020 roku.

Historyczny

Poprzednicy: IRAS i ISO (1983-1995)

Spitzer jest chronologicznie trzecim dużym teleskopem kosmicznym na podczerwień  : poprzedza go IRAS opracowany przez amerykańską agencję kosmiczną NASA we współpracy z Holandią i Wielką Brytanią i wystrzelony w 1983 r., A także przez ISO zaprojektowany przez Europejską Agencję Kosmiczną i wystrzelony w 1995 roku .

Pod koniec lat 60. NASA miała duże oczekiwania wobec amerykańskiego promu kosmicznego, który miał wykonać pierwsze loty na początku następnej dekady. Wśród przewidywanych zastosowań tej wyrzutni kosmicznej zdolnej do powrotu na ziemię po zakończeniu misji jest przenoszenie teleskopu kosmicznego na podczerwień, który ma skorzystać z dużej szybkości startu wahadłowca - NASA planuje wykonywać lot tygodniowo - zlecenia długoterminowe (do 30 dni). Już w 1969 roku zaproponowano opracowanie kriogenicznego teleskopu na podczerwień z lustrem o średnicy jednego metra do zainstalowania w ładowni promu kosmicznego. Koszt tego teleskopu, zwanego Shuttle Test Facility Infrared (IR Installation Space Shuttle), w skrócie FTIR, jest szacowany na 120 milionów dolarów . Projekt ten otrzymał w 1979 r. Wsparcie Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych . W 1983 roku NASA ogłosiła przetarg na budowę obserwatorium kosmicznego na podczerwień dołączonego do promu kosmicznego, które miało powrócić na ziemię po zakończeniu każdej misji. Teleskop ten miał odbyć swój pierwszy lot w 1990 roku. Jednak sukces teleskopu podczerwieni IRAS opracowanego przez NASA skłonił agencję kosmiczną do modyfikacji swoich planów w 1984 roku: zdecydowano się na opracowanie autonomicznego teleskopu kosmicznego na podczerwień. Ta decyzja jest poparta odkryciem, że mały teleskop na podczerwień IRT ( InfraRed Telescope ), zaokrętowany w ładowni promu kosmicznego wLipiec 1985(misja STS-51-F ), musi stawić czoła poważnym problemom związanym z zanieczyszczeniem przez emisje w podczerwieni wytwarzane przez statek kosmiczny znajdujący się w kosmosie. Akronim SIRTF jest zachowana mimo tej zmiany w architekturze, ale stoi teraz instrumentu Przestrzeń Infrared Telescope .

Rozwój (1984-2003)

Spektakularne wyniki kosmicznego teleskopu IRAS wystrzelonego w 1983 roku przez NASA, którego misja trwała tylko 10 miesięcy, skłoniły społeczność astronomów do zwrócenia się o opracowanie następcy. Raport Bahcall , sporządzony w 1991 r. W celu zidentyfikowania priorytetowych projektów astronomicznych, przewiduje, że lata 90. będą dekadą podczerwieni i przyznaje priorytet w dziedzinie kosmosu opracowaniu teleskopu na podczerwień. Teleskop na podczerwień SIRTF / Spitzer został zaprojektowany jako ostatni z czterech „  dużych obserwatoriów  ” opracowanych przez NASA w celu odpowiedzi na główne pytania z dziedziny astrofizyki . Inne teleskopy w tym programie to Hubble Space Telescope, wystrzelony w 1990 roku do obserwacji w zakresie widzialnym i bliskiego ultrafioletu , Chandra (w 1999) dla miękkich promieni rentgenowskich ( 0,01 do 10  nm ) i Compton Gamma -Ray Observatory (w 1991) do promieniowania gamma i twardych promieni rentgenowskich (od 10 do 100 µm). Realizacją teleskopu zarządza centrum JPL NASA. Początkowy projekt ewoluuje w kierunku znacznie bardziej ambitnej maszyny i obecnie przewiduje się teleskop o masie 5,7 tony przenoszący 3800  litrów ciekłego helu (do chłodzenia detektorów) umieszczony na wysokiej orbicie okołoziemskiej przez wyrzutnię Tytanów . Ale klimat gospodarczy w Ameryce pogarsza się w tym samym czasie, a kilka misji kosmicznych NASA kończy się niepowodzeniem. Krótko po opublikowaniu raportu Bahcall, budżet NASA doznał gwałtownego spadku, co spowodowało anulowanie kilku projektów oraz ograniczenie celów i wyników projektów, które zostały utrzymane. Spitzer przechodzi więc w ciągu 5 lat dwie cięcia budżetowe, które zwiększają budżet przeznaczony na projekt z 2,2 miliarda do 500 milionów dolarów. Pomimo tej drastycznej redukcji, SIRTF / Spitzer ma, dzięki najnowszym postępom w obserwacji w podczerwieni i kilku optymalizacjom, czułość, która jest 10 do 100 razy większa niż w przypadku swoich poprzedników. Rzeczywiście, w latach osiemdziesiątych Departament Obrony Stanów Zjednoczonych zainwestował setki milionów dolarów w rozwój detektorów podczerwieni. Wynikający z tego postęp technologiczny stopniowo rozprzestrzenił się na zastosowania cywilne, umożliwiając rozwój dla astronomii w podczerwieni znacznie bardziej czułych detektorów: podczas gdy detektory satelity IRAS mają tylko 62 piksele , detektory z kamery IRAC Spitzera mają 65 000.

W przeciwieństwie do tego typu projektów, producenci zaangażowani w realizację Spitzera są konsultowani od początku projektowania. Lockheed Martin ponosi ogólną odpowiedzialność za rozwój i testowanie satelitów. Firma Ball Aerospace opracowuje zespół kriogeniczny, w tym kriostat i część optyczną. Trzy instrumenty pokładowe są produkowane przez NASA Goddard Space Flight Center (instrument IRAC), Cornell University w Ithaca (stan Nowy Jork ), instrument IRS i University of Arizona (instrument MIPS)). Operacje teleskopu są pilotowane przez Spitzer Science Center zlokalizowane na terenie kampusu Kalifornijskiego Instytutu Technologii w Pasadenie ( Kalifornia ).

Przebieg misji

Uruchomić

Spitzer zostaje umieszczony na orbicie 25 sierpnia 2003przez wyrzutnię Delta II 7920H z platformy startowej Cape Canaveral na Florydzie . Nazwany SIRTF od Kosmicznego Teleskopu Podczerwieni przed jego startem, został przemianowany na Spitzer cztery miesiące później na cześć amerykańskiego naukowca Lymana Spitzera , amerykańskiego astrofizyka, który odegrał wiodącą rolę w pierwszych projektach teleskopów kosmicznych. Spitzer wystrzeliwuje się „na gorąco” co pozwala na zmniejszenie jego masy. W ciągu następnych trzech miesięcy instrumenty zanurzone w ciekłym helu stopniowo się ochładzają, podczas gdy temperatura części optycznej jest obniżana przez opary helu, który odparowuje. Teleskop rozpoczyna wówczas kriogeniczną fazę swojej misji.

Cold Mission (2003 - maj 2009)

Pierwsze zdjęcia wykonane przez teleskop mają zademonstrować możliwości nowego teleskopu: są to obrazy gwiezdnego żłobka, dysku szczątków z formującej się planety i materii organicznej z odległego wszechświata. Jednej z najbardziej niezwykłych obserwacji dokonano w 2005 roku, kiedy teleskopowi udało się wykonać pierwsze zdjęcia egzoplanet, gorącego Jowisza HD 209458 bi TrES-1b. WWrzesień 2006teleskop uczestniczy w przeglądzie nieba pasa Goulda znajdującego się około 3000 lat świetlnych od Słońca. Zapas helu powinien pozwolić na schłodzenie instrumentów przez 2,5 roku, ale ostatecznie nie wyczerpie się do15 maja 2009lub 5,5 roku po uruchomieniu. Podstawowa misja trwa 2,5 roku, ale zostanie kilkakrotnie przedłużona, ponieważ zakończy się 15 lat po jej uruchomieniu.

Gorąca misja (lipiec 2009 - styczeń 2020)

Teleskop kosmiczny rozpoczyna nową misję po wyczerpaniu helu w lipcu 2009 roku, kiedy temperatura ustabilizuje się na poziomie 28 kelwinów . Dwa z instrumentów już nie działają, ale kamery IRAC na podczerwień nadal działają optymalnie w tych nowych warunkach. Umożliwiają obserwację fal o długości 3,6 i 4,5 mikrona. Podczas tej nowej fazy swojej misji teleskop mapuje źródła podczerwieni dużych części nieba, obserwuje komety i asteroidy w naszym Układzie Słonecznym, obserwuje egzoplanety i prowadzi obserwacje najodleglejszych galaktyk w naszym wszechświecie.

W 2014 r. Planowane jest wstrzymanie misji ze względów budżetowych, ale kierownikowi projektu udaje się obniżyć roczny koszt operacji z 17 mln USD do 11 mln USD. W 2016 roku NASA zdecydowała się przedłużyć misję, ponieważ Spitzer wypadł szczególnie dobrze w porównaniu z pięcioma innymi astrofizycznymi misjami kosmicznymi, gdy koszty i wyniki zostały uzgodnione. Przedstawiciele amerykańskiej agencji kosmicznej decydują się na przedłużenie misji do czasu wystrzelenia kolejnego teleskopu kosmicznego na podczerwień JWST, które planowane jest na 2018 rok. Kiedy jego start został przesunięty na 2021 r., Agencja kosmiczna po próbie znalezienia zewnętrznych źródeł finansowania, postanawia nie przedłużać misji Spitzera poza niąstyczeń 2020.

Koniec misji

Teleskop krąży po orbicie zbliżonej do orbity Ziemi. Stopniowo się od niego oddala (na początku 2020 roku teleskop znajduje się 260 milionów kilometrów od Ziemi, ponad 700 razy większa niż odległość Ziemia-Księżyc). W konsekwencji względnego położenia teleskopu względem Ziemi orientacja paneli słonecznych podczas sesji telekomunikacyjnych jest coraz bardziej niekorzystna i ulegają stopniowemu skracaniu. Po 16 latach działalności NASA postanawia zakończyć misję30 stycznia 2020 r. Centrum kontroli wysyła polecenia, aby Spitzer przeszedł w tryb przetrwania z panelami słonecznymi skierowanymi w stronę Słońca. Teleskop kosmiczny będzie nadal stopniowo oddalał się od Ziemi, zanim ponownie się do niej zbliży i przejdzie blisko niej (8 razy odległość Ziemia-Księżyc) w 2053 r. Sygnał radiowy będzie w tym czasie bardzo słaby. - będzie potrzebny specjalny sprzęt zaprojektowane, aby to uchwycić Koszt misji, w tym uruchomienie, przeprowadzenie operacji i analizę danych, szacuje się na 1,19 miliarda USD w czasie trwania głównej misji i na 1,36 miliarda USD, w tym operacje do momentu wycofania z eksploatacji w 2020 r.

Cele naukowe

Wszystkie obiekty we Wszechświecie stale wytwarzają emisje w całym spektrum elektromagnetycznym ( światło widzialne , podczerwień , ultrafiolet , fale radiowe , promienie gamma i promienie rentgenowskie ), które dostarczają informacji o ich strukturze i procesach, które na nie wpływają. Dużą część tych emisji, szczególnie emisje w podczerwieni, można zaobserwować tylko z kosmosu, ponieważ nie docierają one do powierzchni Ziemi i są przechwytywane przez ziemską atmosferę. Promieniowanie podczerwone jest szczególnie interesujące, ponieważ jest emitowane przez dowolny obiekt o temperaturze powyżej 0 kelwinów ( −273,15  ° C ). Ta funkcja pozwala teleskopom na podczerwień, takim jak Spitzer, obserwować niewidzialne zjawiska na innych długościach fal, takich jak:

• narodziny gwiazd , zanim są one wystarczająco masywny dla syntezy termojądrowej, aby rozpocząć. Promieniowanie podczerwone emitowane w tej pierwszej fazie dociera do obserwatoriów kosmicznych pomimo grubej zasłony pyłu.
• gwiazdy, gdy umierają, wytwarzają materię w postaci pyłu, który służy jako podstawowy materiał do powstawania nowych gwiazd. Obserwacja gwiazd pod koniec ich życia w podczerwieni dostarcza istotnych informacji o składzie tego pyłu. Informacje te powinny umożliwić astronomom zrekonstruowanie pochodzenia pyłu na samym początku Wszechświata.
• Obserwatorium Spitzera może badać proces formowania się planet. Spitzer nie jest w stanie obserwować egzoplanet, ale może obserwować dysk protoplanetarny utworzony przez chmury pyłu. Mierząc temperaturę dysku, teleskop umożliwia poznanie struktury i wieku dysku oraz określenie, czy planety są formowane, czy już uformowane.
• Obserwacja galaktyk w podczerwieni umożliwia scharakteryzowanie trzech obecnych źródeł tego promieniowania: gwiazd , ośrodka międzygwiazdowego i pyłu międzygwiazdowego . Dzięki temu Spitzer może zidentyfikować galaktyki, które wytwarzają nowe gwiazdy w szybkim tempie (żłobki gwiazd) i zidentyfikować pochodzenie tej genezy. Obserwacja naszej własnej galaktyki, Drogi Mlecznej , pozwala zlokalizować regiony, w których wciąż się formują gwiazdy. Wreszcie, Spitzer powinien zapewnić lepsze zrozumienie galaktyk świecących w podczerwieni , których cechą jest emitowanie ponad 90% swojego światła w podczerwieni.
• większość gwiazd zamieszkujących Wszechświat nie jest wystarczająco masywna, aby zainicjować fuzję termojądrową. Te brązowe karły nie wytwarzają światła widzialnego, ale emitują podczerwień. Część ciemnej materii, którą astronomowie starają się zidentyfikować, może być brązowymi karłami. Czułość instrumentów Spitzera pozwala na ich inwentaryzację w pobliżu Układu Słonecznego i ich badanie.
• gigantyczne obłoki molekularne znajdują się w przestrzeni międzygwiazdowej. Składają się głównie z wodoru i stanowią rezerwuar surowca, z którego powstają gwiazdy. Badanie Spitzera nad gęstością i temperaturą tych chmur dostarcza ważnych informacji na temat warunków fizycznych i składu chemicznego, które umożliwiają istnienie protogwiazd .
• światło najstarszych galaktyk, które pojawiły się 13 miliardów lat temu, czyli prawie miliard lat po Wielkim Wybuchu, jest widoczne z Ziemi w domenie podczerwieni ze względu na zjawisko przesunięcia w kierunku czerwieni . Spitzer umożliwia badanie tych galaktyk, a tym samym określenie, jak i kiedy powstały te pierwsze obiekty we Wszechświecie. Teleskop umożliwia również badanie kosmologicznego, rozproszonego tła w podczerwieni, które jest wynikiem emisji z galaktyk i gwiazd zbyt mało widocznych, aby można je było rozróżnić.
• większość galaktyk zawiera jedną lub czasami więcej supermasywnych czarnych dziur w swoim centrum. Spitzer jest szczególnie dobrze wyposażony do obserwacji tych obiektów, gdy są one aktywne (w trakcie wchłaniania materii). Te czarne dziury są obserwowane przez Spitzera dzięki promieniowaniu podczerwonemu emitowanemu przez materię, gdy jest do nich przyciągana.
• Spitzer to pierwszy teleskop, który może bezpośrednio obserwować światło egzoplanety , czyli planety krążącej wokół innej gwiazdy. Teleskop może określić temperaturę, wiatry i skład odległych planet, gdy spełniają one określone cechy (rozmiar, odległość).

Orbita

Teleskop na podczerwień musi trzymać się jak najdalej od wszelkich źródeł ciepła i być w stanie utrzymywać swoje instrumenty w temperaturze bliskiej 0 kelwinów bez zbyt szybkiego zużywania helu używanego do ich chłodzenia. Projektanci misji wybierają, w przeciwieństwie do poprzedzających teleskopów podczerwieni, nie umieszczanie Spitzera na orbicie wokół Ziemi, ponieważ ten odbija część ciepła emitowanego przez Słońce , ale umieszczenie go na orbicie heliocentrycznej równoległej do orbity orbity Ziemię, którą przemierzy w 372 dni. Na tej orbicie temperatura teleskopu biernie spada do 34 kelwinów, oszczędzając hel do początkowego chłodzenia. Ponadto, będąc daleko od Ziemi, Spitzer ma znacznie większe pole obserwacji: 30% nieba można obserwować w dowolnym momencie, podczas gdy resztę nieba można zobaczyć dwa razy w roku w okresach następujących po sobie około 40 dni. Celowanie teleskopu jest ograniczone dwoma ograniczeniami: jego oś nie może zbliżyć się o więcej niż 80 ° do osi Słońca, ponieważ poza panelem słonecznym / osłoną przeciwsłoneczną nie może już zapobiegać jego nagrzewaniu i nie może oddalać się od Słońca. osi o więcej niż 120 °, tak aby ogniwa słoneczne mogły wytworzyć wystarczającą ilość energii. Na swojej orbicie Spitzer stopniowo oddala się od Ziemi (obraca się wokół Słońca wolniej) w tempie jednej dziesiątej AU rocznie. Ta postępująca odległość prowadzi do postępującego spadku natężenia przepływu w wymianie z Ziemią.

Charakterystyka techniczna

Spitzer jest najmniejszym z Dużych Obserwatoriów NASA: mierzy jedną trzecią długości Kosmicznego Teleskopu Hubble'a na jedną jedenastą jego masy. Jest to maszyna w kształcie walca o długości 4,45 metra i średnicy 2,1 metra, która składa się z trzech podzespołów:

• teleskop z przyrządami naukowymi chłodzony ciekłym helem, który jest chroniony obudową. Razem tworzą CTA ( Cryogenic Telescope Assembly ).
• moduł serwisowy znajdujący się w dolnej części teleskopu. Jest to ośmiostronny moduł zawierający elektronikę instrumentów naukowych, anteny, pędniki i komputery odpowiedzialne za obsługę i orientację teleskopu.
• z paneli słonecznych , które również utrzymują teleskopu osłoniętych przed działaniem promieni słonecznych.

Spitzer o masie 950  kg, w tym 15,6  kg z azotem stosowanego do korekcji orbity i 360  litrów helu (50,4  kg ), stosowane do chłodzenia narzędzia i teleskop. Jego panele słoneczne zapewniają 400 watów, które są przechowywane w bateriach o pojemności 16 amperogodzin. Celowanie teleskopu odbywa się za pomocą kół reakcyjnych . Desaturacja kół reakcyjnych jest przeprowadzana za pomocą dwóch zestawów sześciu pędników na zimny gaz przy użyciu azotu .

Izolacja cieplna

Teleskop powinien być jak najchłodniejszy, aby obiekty obserwowane przez instrumenty nie były przez instrumenty mylone z innymi źródłami ciepła (podczerwień) z samych instrumentów. Ciepło jest wytwarzane przez promieniowanie słoneczne padające na panele słoneczne (po prawej na schemacie obok) i elektronikę modułu serwisowego (na dole schematu). Część ładunku Spitzera, którą należy przechowywać w bardzo niskich temperaturach, nazywa się CTA ( Cryogenic Telescope Assembly ). Satelita jest tak zorientowany, że Słońce nigdy nie uderza w CTA. CTA składa się z czterech podzespołów: teleskopu, komory zawierającej instrumenty naukowe (z wyłączeniem elektroniki), kriostatu oraz zewnętrznej osłony odpowiedzialnej za izolację termiczną tego zespołu. Teleskop przenosi ciekły hel, który poprzez odparowanie umożliwia odprowadzenie ciepła, ale aby misja trwała, konieczne jest odprowadzenie lub zatrzymanie nadmiaru ciepła poprzez możliwie najlepszą izolację zimnych części teleskopu i jego instrumentów.

Ciepło jest rozpraszane w kierunku teleskopu i jego instrumentów przez przewodzenie (przez elementy dystansowe, które łączą różne elementy) oraz przez promieniowanie. Centrala jest przymocowana do modułu serwisowego za pomocą przekładek ograniczających przenoszenie ciepła. Dwie osłony termiczne umieszczone z jednej strony między centralą a modułem serwisowym, az drugiej strony między centralą a panelami słonecznymi, przechwytują i odprowadzają w próżni większość wytworzonego ciepła. Zewnętrzna obudowa CTA, która jest wykonana z aluminium o strukturze plastra miodu, jest pomalowana na czarno po stronie przeciwnej do słońca, aby odprowadzić maksymalne ciepło w kierunku kosmosu. Z drugiej strony jest błyszcząca, odbijając promieniowanie słoneczne. Kriostat składa się z obudowy, w której powstaje próżnia i zawiera ciekły hel: opary wytwarzane przez odparowanie schładzają całość do temperatury około 5 kelwinów poprzez kompensację niewielkiej ilości ciepła (modelowanego na 4  mW ) docierającego do rdzenia teleskopu lub który jest wytwarzany przez detektory instrumentów. CTA jest zamknięty na górnym końcu pokrywą, aby ograniczyć parowanie helu na początku lotu. Ta część teleskopu jest wyrzucana, aby umożliwić dotarcie światła do zwierciadła głównego, gdy temperatura zestawu spadnie poniżej 35 kelwinów.

Telekomunikacja

Wymiana między satelitą a Ziemią nie odbywa się w sposób ciągły, ponieważ antena o dużym wzmocnieniu używana do komunikacji jest nieruchoma i nie jest skierowana w stronę Ziemi, gdy teleskop działa. Raz na 12 do 24 godzin orientacja teleskopu jest zmieniana, aby umożliwić skierowanie anteny na Ziemię i przesłanie danych. Teleskop posiada pamięć masową o pojemności 8 gigabitów, co pozwala na pominięcie sesji telekomunikacyjnej. Spitzer ma również cztery anteny o niskim zysku.

Diagram Spitzera i przekrój

A Część optyczna  : 1 - zwierciadło wtórne; 2 - powłoka zewnętrzna; 3 - zwierciadło główne; 11 osłona przeciwpyłowa; B Kriostat  : 4 - komora na instrumenty; 10 - zbiornik z helem; C Moduł serwisowy  : 5 - osłona modułu serwisowego; Szukacze 6-gwiazdkowe; 7 - baterie; 8 - antena o dużym zysku; 9 - zbiornik z azotem; 12 - podkładki dystansowe; 13 - jednostka bezwładności; D Panele słoneczne  : 14 - osłona panelu słonecznego.

Ładowność

Ładowność Spitzer składa się z teleskopu (część optyczna), przedział zawierający instrumenty naukowe (z wyłączeniem elektronika) i elektronikę instrumentów znajdujących się w module serwisowym, aby ograniczyć nagrzewanie detektorów.

Część optyczna

Optyczną częścią Spitzera jest teleskop typu Ritchey-Chrétien z głównym zwierciadłem o średnicy 85 centymetrów. Teleskop zawiera również zwierciadło wtórne o średnicy 12  cm oraz wieżyczkę łączącą oba zwierciadła. Zwierciadło wtórne jest zamontowane na mechanizmie, który umożliwia zmianę odległości od zwierciadła głównego, gdy teleskop znajduje się na orbicie. Wszystkie części teleskopu, z wyjątkiem wsporników, wykonane są z berylu . Zaletą tego metalu jest to, że jest lekki, mocny i niezbyt wrażliwy na zmiany termiczne. Całkowita masa teleskopu wynosi 55  kg przy wysokości 90  cm . Ogniskowa to 10,2 metra.

• Niektóre elementy Spitzera

• Część optyczna teleskopu Spitzera.

• Moduł serwisowy.

Instrumenty naukowe

Promieniowanie podczerwone zebrane przez teleskop można analizować za pomocą trzech instrumentów, ale w przeciwieństwie do Kosmicznego Teleskopu Hubble'a w danym czasie może działać tylko jeden instrument. Umieszczono je w aluminiowej komorze o średnicy 84  cm i wysokości 20  cm, do której przez otwór umieszczony w środku górnej części trafia promieniowanie podczerwone wychwytywane przez teleskop. Komora jest umieszczona bezpośrednio nad kriostatem wypełnionym ciekłym helem, który w ten sposób utrzymuje przyrządy w temperaturze bliskiej 0 kelwinów . Elektronika przyrządu będąca źródłem ciepła jest umieszczona w module serwisowym. Trzy instrumenty pokładowe to:

• IRAC ( Infrared Array Camera ) to kamera do obserwacji bliskiej i średniej podczerwieni. Detektory składają się z 4 macierzy po 256 × 256 pikseli , z których każda zbiera się odpowiednio w pasmach wyśrodkowanych na 3,6  µm , 4,5  µm , 5,8  µm i 8,0  µm . Detektory używane dla krótkich fal (3,6 i 5,5 µm) są wykonane z indu i antymonu, podczas gdy te przeznaczone do długich fal ( 5,8 i 8  µm ) są wzbogacone arszenikiem . Jedyną ruchomą częścią instrumentu jest migawka, która nie była używana od czasu, gdy Spitzer był na orbicie. IRAC jest jedynym przyrządem, który może działać przynajmniej częściowo, gdy hel używany do chłodzenia przyrządów jest wyczerpany: temperatura jest wtedy zbyt wysoka dla detektorów 5,8 i 8 µm, ale pozostałe dwa detektory nadal działają.
• IRS ( Infrared Spectrograph ) to spektrograf wytwarzający widma promieniowania w zakresie od 5  µm do 38  µm . Składa się z czterech podzbiorów pracujących równolegle: widmo fal krótkich o wysokiej rozdzielczości od 10 do 19,5 µm, widmo fal krótkich o niskiej rozdzielczości od 5,3 do 14 µm, widmo fal długich o niskiej rozdzielczości od 14 do 40 µm, widmo fal długich o wysokiej rozdzielczości od 19 do 37 µm. Wszystkie detektory mają rozmiar 128 x 128 pikseli, te używane do krótkich fal są domieszkowane arsenem, a te do długich fal są wykonane z krzemu domieszkowanego antymonem . Instrument nie ma ruchomej części.
• MIPS ( Multiband Imaging Photometer for Spitzer ) jest jak IRAC, kamera do obrazowania, ale specjalizuje się w dalekiej podczerwieni (24  µm , 70  µm i 160  µm ) i ma możliwość wykonywania prostej spektrometrii. Detektor 24 µm ma 128 × 128 pikseli i jest wykonany z krzemu domieszkowanego arsenem. W 70 jim detektory  są wykonane z dwóch 16 pikseli gallium- domieszkowane germanem tablice połączone tworząc 32 x 32 matrycy. Detektor 160 pm zawiera 2 wiersze 20 pikseli wykonane z tych samych materiałów. Te cechy są wyraźnie lepsze od czujników europejskiego teleskopu podczerwieni ISO  : PHOT C-100 (odpowiednik 70  µm ), który ma tylko 3 × 3 piksele i C-200, który ma tylko 2 × 2 piksele. Obserwowane pole to 5 x 5 minut łuku dla długości fali 24 mikronów, ale spada do 0,5 x 6 minut łuku przy 1600 mikronach. Detektor 70 mikronów może wytwarzać pojedyncze widmo od 50 do 100 mikronów. Instrument ma tylko jedną ruchomą część: jest to obracające się lustro umożliwiające odwzorowanie większych fragmentów nieba. MIPS detektory ochłodzono do 1,7 K . 

• Instrumenty naukowe

• Spektrograf IRS po integracji z komorą kriogeniczną MIC.

• Kamera termowizyjna MIPS przed integracją.

• Trzy instrumenty zintegrowane z komorą kriogeniczną MIC.

Wyniki

W 2010 roku opublikowano prawie 2000 publikacji naukowych opartych na obserwacjach wykonanych za pomocą programu Spitzer.

Teleskop Spitzera umożliwia po raz pierwszy obserwację wielu zjawisk:

• proces powstawania planet  : rozpuszczanie się dysku pyłu i gazu oraz jego koncentracja powodująca powstanie planet. Obserwacje prowadzone wokół gwiazd podobnych do Słońca w różnych fazach sugerują, że dysk pyłu i gazu, z którego pochodzą planety ziemskie, znika za kilka milionów lat, a zatem proces formowania się jest bardzo szybki.
• Spitzer może badać brązowe karły, które są gwiazdami abortowanymi (fuzja termojądrowa nie rozpoczęła się) ze względu na ich mały rozmiar (mniej niż 0,08 razy większy od Słońca), ale które emitują w podczerwieni. Zgodnie z tymi obserwacjami brązowe karły, takie jak gwiazdy, przedstawiają dyski pyłu i gazu, które mogą w ten sposób dać początek planetom.
• Spitzer obserwuje bardzo szeroki zakres fal, co pozwala mu wykrywać bardzo różne zjawiska w galaktykach, od atmosfer gwiazd po zimne obłoki międzygwiazdowe. Ta zdolność w połączeniu z polem optycznym 5 x 5 minut łuku pozwala na robienie uderzających obrazów sąsiednich galaktyk, takich jak M81.
• Czułość Spitzera pozwala mu wykryć szczególnie odległe galaktyki z przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 6 i dlatego pojawiły się nieco mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu .
• Spitzer obserwuje galaktyki w podczerwieni, miejsce bardzo intensywnego formowania się gwiazd („  galaktyki z wybuchami gwiazdotwórczymi  ”) i zwrócił uwagę na poszczególne procesy towarzyszące.
• po raz pierwszy teleskop kosmiczny może uchwycić światło emitowane przez gorącą egzoplanetę, a tym samym przeanalizować zmiany temperatury na jej powierzchni.
• po raz pierwszy zaobserwował cząsteczki fulerenu w stanie stałym.

Egzoplanety

Chociaż obserwacja egzoplanet nie należała do pierwotnych celów misji Spitzer, teleskop kosmiczny dokonał ważnych odkryć w tej dziedzinie dzięki możliwości obserwacji w podczerwieni i precyzji systemu punktacji:

• W Maj 2009Spitzer dostarcza pierwszą mapę meteorologiczną egzoplanety, ukazując zmiany temperatury na powierzchni gazowej olbrzymiej planety 189733b. Obserwacje podkreślają również obecność silnych wiatrów wiejących w atmosferze.
• Spitzer odkrywa pięć z siedmiu skalistych planet krążących wokół gwiazdy TRAPPIST-1 w ramach 500-godzinnej kampanii obserwacyjnej. Charakterystyka Spitzera była idealna do obserwacji tej gwiazdy znacznie chłodniejszej niż nasze Słońce oraz do określenia rozmiaru i masy planet.
• W 2010 roku Spitzerowi udało się wykryć egzoplanetę znajdującą się w odległości 13 372 lat świetlnych znacznie dalej niż wszystkie odkryte do tej pory. Detekcja wykonywana jest techniką mikrosoczewek grawitacyjnych przy pomocy teleskopu naziemnego.
• Technika ta jest ponownie wykorzystywana z pomocą astronomów z Korei Południowej do wykrywania planety wielkości Ziemi obracającej się wokół gwiazdy karła znajdującej się 12,7 lat świetlnych od Ziemi.
• Łącząc dane z teleskopu kosmicznego Spitzera i Keplera , ustalono pierwsze mapowanie chmur gigantycznej egzoplanety wielkości Jowisza. Spitzer ustalił, że temperatura Kepler-7b wahała się od 1100 do 1300 kelwinów i wywnioskował, że zachodnia półkula była stale zachmurzona, podczas gdy wschodnia miała czystą atmosferę.
• 8-godzinna obserwacja planety 55 Cancri wykazała, że ta super- ziemska planeta (dwa razy większa od Ziemi) doświadcza szczególnie wysokich temperatur. Ta planeta, która podlega grawitacyjnemu blokowaniu (ta sama twarz jest zawsze zwrócona w stronę gwiazdy), ma temperaturę powierzchni 2400  ° C po stronie dziennej i 1120  ° C po stronie nocnej. Sugeruje to, że jego powierzchnia jest pokryta lawą .
• W 2007 roku Spitzer przechwycił wystarczająco dużo światła z egzoplanety, aby zidentyfikować obecność pewnych cząsteczek w jej atmosferze. Wykorzystując technikę zaćmienia wtórnego, spektrograf teleskopu kosmicznego ustala, że ​​dwie planety olbrzymów HD 209458b i HD 189733b były zarówno bardziej suche, jak i bardziej zachmurzone niż przewidywano. Wbrew oczekiwaniom w ich atmosferze nie znaleziono śladu wody. Atmosfera HD 209458b zawiera drobne ziarenka piasku (krzemiany), których obecność na planecie tego typu jest nowością.
• Spitzer umożliwił potwierdzenie i wyjaśnienie odkryć egzoplanet dokonanych za pomocą innych instrumentów, w szczególności Keplera . Kampania obserwacyjna 10 Jowisza na gorąco, przeprowadzona w 2015 roku za pomocą teleskopu kosmicznego Hubble , usunęła tajemnicę pozornego braku wody w atmosferze tych planet. W rzeczywistości woda była zasłonięta chmurami i mgłami.
• Spitzer wykorzystał swoje możliwości w podczerwieni do obserwacji pyłu z pozostałości asteroid krążących wokół sześciu białych karłów . Zebrane dane wskazują, że ten pył zawiera oliwin , materiał obficie występujący na naszej Ziemi. Sugeruje to, że składniki naszej Ziemi i innych planet skalistych w Układzie Słonecznym są powszechne we Wszechświecie, a zatem planety skaliste są również liczne.
• Spitzer obserwuje pomiędzy Sierpień 2012 i Styczeń 2013gwałtowny wzrost ilości pyłu obecnego wokół gwiazdy NGC 2547-ID8. Było to prawdopodobnie wynikiem zderzenia dwóch dużych asteroid, które zapewnia wgląd w gwałtowny proces, który doprowadził do powstania skalistych planet, takich jak Ziemia.

• Zdjęcia wykonane instrumentami Spitzera

• Helix Nebula . Niebieski: podczerwień od 3,6 do 4,5 mikrona; zielony: od 5,8 do 8 mikronów; czerwony: 24 mikrony.

• Zgodnie z ruchem wskazówek zegara, od góry po lewej: widok galaktyki Andromedy w podczerwieni  ; Obiekt Herbig-Haro HH zawierający protogwiazdę  ; kilka protogwiazd znalezionych w ciemnej globule IC 1396  ; Comet Schwassmann-Wachmann 1 .

• Spitzer pozwala nam odkryć zewnętrzny pierścień pyłu, który otacza Saturna .

Następcy

W 2009 roku został wystrzelony satelita Herschel z 3,5-metrowym lustrem, umożliwiający analizę promieni podczerwonych o większej długości fali. Kosmiczny teleskop NASA JWST ma przejąć kontrolę w 2021 roku z głównym zwierciadłem, które ma powierzchnię pięćdziesiąt razy większą niż Spitzera.

Uwagi i odniesienia

Uwagi

1. Twarz satelity o niskiej orbicie skierowanej w stronę Ziemi może osiągnąć temperaturę -23  ° C ze względu na emisję promieniowania podczerwonego przez Ziemię.

Bibliografia

1. (w) "  Spitzer> History> Early History  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 11 marca 2014 )
2. Gehrz i wszystkie 2007 , s.  4-5
3. (in) "  Spitzer> History> Recent History  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 11 marca 2014 )
4. Werner M, The Legacy of Spitzer , For Science, luty 2010, s.  28-35
5. (in) "  Spitzer> Technology> Innovations> Infrared Detector Developments  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 15 marca 2014 )
6. (in) "  Spitzer> Technology> Innovations> Program Management  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp: 16 marca 2014 )
7. (w) Stephen Clark "  ostateczne polecenie wyłączenia łączy nadawczych NASA Spitzer teleskopu  " na spaceflightnow.com ,30 stycznia 2020 r
8. (en-US) Stephen Clark , „  Ostateczna komenda NASA uplinks, aby dezaktywować teleskop Spitzera - Spaceflight Now  ” (dostęp: 2 lutego 2020 )
9. Prezentacja dla prasy podczas premiery (NASA) 2003 , str.  8
10. (w) „  Jak Spitzer NASA pozostał przy życiu przez tak długi czas  ” , Jet Propulsion Laboratory ,13 czerwca 2019 r
11. (w) "  Spitzer> Science  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 11 marca 2014 )
12. (w) "  Spitzer> Science> Stars  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 11 marca 2014 )
13. (w) „  Spitzer> Science> Dying Star  ” , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 11 marca 2014 )
14. (w) "  Spitzer> Science> Disks and Planets  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 11 marca 2014 )
15. (w) „  Spitzer> Science> Galaxies and the Universe's Origins  ” , The Jet Propulsion Laboratory (dostęp 11 marca 2014 )
16. (w) "  Spitzer> Science> Dwarfs and Low Mass Stars  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp: 22 marca 2014 )
17. (w) "  Spitzer> Science> Giant Molecular Clouds  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp: 22 marca 2014 )
18. (w) "  Spitzer> Science> Distant Galaxies and Origins of the Universe  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp: 22 marca 2014 )
19. (w) "  Spitzer> Science> Active Galactic Nuclei (AGN) / Supermassive Black Holes  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp: 22 marca 2014 )
20. (w) "  Spitzer> Science> Extrasolar Planets  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp: 22 marca 2014 )
21. (in) "  Spitzer> Technology> Innovations> Clever choice of orbit  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 11 marca 2014 )
22. (w) "  Spitzer> Opis misji> Szybkie fakty  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 15 marca 2014 )
23. (in) "  Spitzer> Technology> The Cryogenic Telescope Assembly> The Outer Shell  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp: 19 marca 2014 )
24. Prezentacja dla prasy podczas premiery (NASA) 2003 , str.  24
25. Gehrz et all 2007 , s.  3-6
26. (in) "  Spitzer> Technology> Innovations> Store-and-Dump Telemetry  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 15 marca 2014 )
27. (w) "  Spitzer> Technology> The Cryogenic Telescope Assembly  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 15 marca 2014 )
28. Prezentacja dla prasy podczas premiery (NASA) 2003 , str.  29
29. Werner 2012 , s.  1008-1
30. (w) "  Spitzer> Technology> The Cryogenic Telescope Assembly> The Multiple Instrument Chamber  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 15 marca 2014 )
31. Fazio 2004 , s.  18-19
32. (in) "  Spitzer> Technology> The Cryogenic Telescope Assembly> The Infrared Array Camera (IRAC)  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 15 marca 2014 )
33. Houck 2004 , s.  10-12
34. (in) "  Spitzer> Technology> The Cryogenic Telescope Assembly> The Infrared Spectrograph (IRS)  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 15 marca 2014 )
35. Rieke 2004 , s.  25-26
36. (in) "  Spitzer> Technology> The Cryogenic Telescope Assembly> The Multiband Imaging Photometer (MIPS)  " , Jet Propulsion Laboratory (dostęp 15 marca 2014 )
37. (en) MW Werner i in. , „  Misja teleskopu kosmicznego Spitzera  ” , Astronomy & Geophysics , vol.  47-6,grudzień 2006, s.  1-6 ( czytaj online )
38. (w) „  10 rzeczy, których Spitzer nauczył nas o egzoplanetach  ” , NASA ,20 stycznia 2020 r

Bibliografia

• (en) NASA, "  Prezentacja prasowa misji (zestaw prasowy NASA)  " , na jpl.nasa.gov ,sierpień 2003.
• (en) JPL NASA i in. , Podręcznik Kosmicznego Teleskopu Spitzera wersja 2.1 ,8 marca 2013 r, 75  pkt. ( czytaj online ).
• ( fr ) Renee M. Rottner i in. , Uczynić niewidzialnym widzialnym - A History of the Spitzer Infrared Telescope Facility (1971–2003) , NASA, coll.  „Monografie w historii lotnictwa; # 47 ",2017, 212  s. ( ISBN  9781626830363 , czytaj online ).
• (en) RD Gehrz i in. , „  The NASA Spitzer Space Telescope  ” , Review of Scientific Instruments , vol.  78,styczeń 2007, s.  1-39 ( DOI  10.1063 / 1.2431313 , czytaj online ).
• ( fr ) MW Werner i in. , „  Misja teleskopu kosmicznego Spitzera  ” , The Astrophysical Journal Supplement Series , vol.  154,Wrzesień 2004, s.  1-9 ( czytaj online ).
• ( fr ) MW Werner i in. , „  Kosmiczny teleskop Spitzera  ” , Optical Engineering , vol.  51,styczeń 2012, s.  1-9 ( czytaj online ).
• (en) GG Fazio i in. , „  Kamera termowizyjna (IRAC) do teleskopu kosmicznego Spitzera  ” , The Astrophysical Journal Supplement Series , vol.  154,Wrzesień 2004, s.  10-17 ( czytaj online ).
• (w) JR Houck i in. , „  The infrared spectrpograph (IRS) on the Spitzer space teleskopope  ” , The Astrophysical Journal Supplement Series , vol.  154,Wrzesień 2004, s.  18-24 ( czytaj online ).
• (en) GH Rieke i in. , „  Wielopasmowy fotometr obrazujący dla Spitzera  ” , The Astrophysical Journal Supplement Series , vol.  154,Wrzesień 2004, s.  25-29 ( czytaj online ).

Zobacz też

Powiązane artykuły

• Astronomia w podczerwieni .
• Teleskop na podczerwień IRAS wystrzelony przez NASA w 1983 roku.
• Teleskop na podczerwień ISO wystrzelony przez Europejską Agencję Kosmiczną w 1995 roku.
• Program dużych obserwatoriów, których częścią jest Spitzer.
• JWST (2021) Spitzer frajerem
• Herschel (2009) Spitzer's Sucker

Linki zewnętrzne

• (en) Oficjalna strona
• (en) Archiwizacja zebranych danych