Kepler – przegląd misji

0

Statek kosmiczny Kepler jest amerykańskim (NASA) pojazdem zaprojektowanym w celu wykonania poszukiwań planet typu ziemskiego wokół innych gwiazd. Do podstawowych celów naukowych misji zaliczają się: określenie częstości występowania planet wielkości Ziemi i większych w strefie przyjaznej życiu lub w jej pobliżu wokół wielu typów gwiazd; oszacowanie ilości gwiazd posiadających wiele planet; określenie rozkładu wielkości planet i parametrów ich orbit; określenie rozkładów półosi wielkich, ekscentryczności, albedo, masy i gęstości planet gazowych o krótkich okresach; umożliwienie wyszukania dodatkowych planet w fotometrycznie odkrytych systemach za pomocą innych technik; oraz określenie właściwości gwiazd posiadających planety.

Jest to pierwsza okazja wykonania poszukiwań planet wielkości Ziemi, lub nawet mniejszych. Planety będą wykrywane pośrednio, poprzez obserwacje słabnięcia jasności gwiazd podczas tranzytu planety przed gwiazdą. Umożliwi to także określenie ich wielkości, oraz parametrów orbity. Do potwierdzenia istnienia planety będą potrzebne trzy obserwacje tranzytów, wszystkie ze stały okresem i zmianą jasności. Określenie orbity planety w połączeniu z informacjami na temat parametrów gwiazdy pozwoli na określenie, czy planeta znajduje się w sferze przyjaznej życiu, czyli w strefie gdzie na powierzchni planety może istnieć woda w stanie ciekłym. Misja została rozwinięta w ramach programu NASA Discovery.

KONSTRUKCJA

Statek Kepler ma w przybliżeniu kształt walcowaty. Jego masa wynosi 1 039 kilogramów. Jego konstrukcja jest prosta i niezawodna – prócz żyroskopów, kół reakcyjnych, oraz odrzucanego pokrycia teleskopu nie ma żadnych ruchomych lub rozkładanych części. Pojazd składa się z dwóch zasadniczych części – modułu serwisowego (Service Module), oraz struktury fotometru (Photometer Housing Structure).

Moduł serwisowy ma kształt graniastosłupa ośmiokątnego, i stanowi dolną, mniejszą część statku. Zawiera podstawowe komponenty inżynieryjne satelity, zapewniające łączność, energię elektryczną itp. Energii elektrycznej dostarczy zestaw paneli słonecznych umieszczonych wzdłuż całego pojazdu. Kontrolę orientacji przestrzennej zapewniają koła reakcyjne, oraz małe silniczki kontroli orientacji. Te ostatnie zostały umieszczone w czterech modułach silników w dolnej części modułu serwisowego. Danych nawigacyjnych dostarczają 2 szperacze gwiazd, sensory Słońca, oraz bezwładnościowa jednostka odniesienia zawierająca żyroskopy i przyspieszeniomierze. Statek zawiera własny system komputerowy. Dane przed transmisja będą zapisywane przez rejestrator jednoczęściowy (Solid-State Recorer – SSR). Pozwala on na zgromadzenie około 1 GB danych. Do łączności z Ziemią pierwotnie miała służyć antena paraboliczna dużego zysku (Hihg-Gain Antenna – HGA) działająca w paśmie Ka, ale została ona usunięta z projektu w celu zmniejszenia złożoności misji, jej kosztów oraz kosztów jednego dnia obserwacyjnego. Została ona zastąpiona anteną prostszą średniego zysku. Ponadto statek posiada dwie ominikierunkowe anteny małego zysku (Low-Gain Antenna – LGA). Anteny LGA zostały umieszczone po bokach modułu serwisowego. Dane będą odbierane przez należącą do NASA sieć DSN. Dane naukowe będą transmitowane co kilka dni, najczęściej raz na tydzień.

Struktura fotometru stanowi górną, najwyższą część satelity. Ma kształt walcowaty. Zawiera jedyny instrument naukowy pojazdu – fotometr Keplera (Kepler Photometer). W górnej części modułu znajduje się otwór wejściowy, zacieniony przez osłonę przeciwsłoneczną, która chroni go przed bezpośrednim oświetleniem przez światło słoneczne. Ponadto w czasie startu i wczesnego etapu misji otwór wejściowy będzie chroniony przed zanieczyszczeniami za pomocą odrzucanej osłony ochronnej. Wewnątrz modułu umieszczono zwierciadła teleskopu fotometru w układzie Schmidta, a w jego płaszczyźnie ogniskowej – detektory CCD i ich lokalną elektronikę. CCD są biernie chłodzone za pomocą radiatorów na zewnątrz modułu.

WYPOSAŻENIE

Fotometr misji Kepler jest wystarczająco czuły, aby zaobserwować tranzyt planety wokół gwiazdy typu widmowego G2V (takiej jak Słońce) o jasności 9 – 15 magnitudo, w czasie integracji 6.5 godziny. Urządzenie pracuje w zakresie widmowym 400 – 850 nm.

Fotometr składa się z teleskopu (Photometer Telescope) o średnicy otworu wejściowego 0.95 metra, skupiającego światło gwiazd na detektorach CCD. Teleskop jest zbudowany w układzie Schmidta. Zwierciadło główne ma średnicę 1.4 m, F/1. Jest to największe zwierciadło wykorzystane w misji poza orbitą Ziemi. Jego pole widzenia FOV ma średnicę kątową 12 stopni (powierzchnia 105 stopni kwadratowych). W płaszczyźnie ogniskowej umieszczony zestaw detektorów (Detector Assembly). Każdy detektor CCD, wchodzący w skład zespołu 42 CCD ma wymiary 2200 x 1024 piksele. Jego rzeczywista wielkość wynosi 50 x 25 mm. Pojedynczy piksel ma szerokość 27 mikrometrów. Detektory CCD są biernie chłodzone, ciepło jest odbierane przez kapilary cieplne i usuwane za pomocą radiatora umieszczonego na zewnątrz modułu fotometru. Każdy CCD jest odczytywany co 3 sekundy, co zapobiega nasyceniu. Będą rejestrowane tylko dane z pikseli obserwujących gwiazdy o jasności powyżej 15 magnitudo. Dane z pikseli obserwujących wszystkie gwiazdy o takiej jasności będą rejestrowane jednocześnie. Wytwarzany przez teleskop obraz jest umyślnie rozogniskowany, obraz gwiazdy ma szerokość 7 pikseli, w celu polepszenia precyzji pomiarów fotometrycznych. Dane są łączone co 15 minut. Elektronika detektorów jest umieszczona zaraz za płaszczyzną ogniskowej. System detektorów, jego elektronika, kable mocy i wymiany danych oraz systemy odprowadzające ciepło są podtrzymywane przez płaską strukturę przypominającą pająka.

Zespół 42 detektorów CCD będzie jednocześnie wykonywał pomiary jasności około 100 000 gwiazd w polu widzenia teleskopu. Monitorowanie bardzo dużej ilości gwiazd równocześnie jest konieczne, ponieważ szansa istnienia planty położonej na linii widzenia wynosi tylko około 0.5%. Przez okres czterech lat trwania misji fotometr będzie obserwował ten sam fragment nieba.

PLAN PRZEBIEGU MISJI

Misja Kepler została wytypowana do realizacji z 26 propozycji na początku 2001 roku. Pierwotnie pojazd miał wystartować w końcu 2006 roku. Jednak w styczniu 2006 start został opóźniony o 8 miesięcy z powodu ograniczenia wzrostu budżetu programów naukowych NASA. Następnie w marcu 2006r misja została przesunięta o następnie 4 miesiące z powodu problemów finansowych. Z projektu usunięta została też wtedy antena HGA. Start misji Kepler jest teraz zaplanowany na marzec 2009r.

Rakietą nośną będzie Delta 2. Miejscem startu będzie Przylądek Canaveral. Pojazd zostanie umieszczony na orbicie okołosłonecznej. Orbita pojazdu będzie zbliżona do ziemskiej, a jej okres obiegu będzie wynosić 372.5 dnia. Stanowi ona optymalny kompromis pomiędzy wymogiem nie zasłaniania pola widzenia instrumentu naukowego przez Słońce, Ziemię i Księżyc, oraz zdolności Delty 2 do wynoszenia ładunków na orbity heliocentryczne. Na takiej trajektorii pojazd powoli oddala się od Ziemi, i na końcu misji (zaplanowanej na 4 lata) znajdzie się w odległości 0.5 AU od niej. Inną korzyścią z takiej obity jest bardzo mały moment obrotowy statku kosmicznego, co pozwala na bardzo dokładne utrzymywanie stałej orientacji przestrzennej. Umieszczenie pojazdu poza orbitą okołoziemską sprawi, że nie będą występowały żadne momenty obrotowe spowodowane ciążeniem, oddziaływania z polem magnetycznym Ziemi, oraz efekt wleczenia atmosferycznego. Największe zewnętrzne zaburzenia będą spowodowane ciśnieniem promieniowania słonecznego. Taka orbita sprawi, że statek uniknie wysokiej dawki promieniowania występującego na orbicie okołoziemskiej, ale od czasu do czasu zostanie wstawiony na działanie rozbłysków słonecznych. Ponadto orbita taka zapewni bardzo stabilne warunki termiczne i pozwoli na uniknięcie światła odbitego od Ziemi.

Misja potrwa 4 lata. Jest to wystarczający okres do wykrycia i potwierdzenia tranzytów wielu planet. Taki okres trwania misji zapewni wykrycie 4 tranzytów danej planety na orbicie o okresie około 1 roku ziemskiego, oraz wykrycie 3 tranzytów danej planety na orbicie o okresie ponad 1.33 roku ziemskiego. Pozwoli to także na wykrycie 50% tranzytów planet na orbitach o okresie 1.6 roku ziemskiego, oraz 10% tranzytów planet z okresem 1.9 roku ziemskiego. Proponowane jest także rozszerzenie misji na dwa lata, co znacznie poprawi zdolność wykrywania planet mniejszych od Ziemi, oraz poprawi zdolność wykrywania planet wielkości Ziemi o okresach orbitalnych około 2 lat.

Wybrane do obserwacji pole gwiazd znajduje się w gwiazdozbiorze Łabędzia. Pole jest oddalone od płaszczyzny ekliptyki, dzięki czemu instrument nigdy nie zostanie oświetlony bezpośrednio przez Słońce. Ponadto w obserwowane pole nie będą wchodziły planetoidy i obiekty pasa Kuipera.

Statek kosmiczny i jego instrument został zbudowany przez Ball Aerospace and Technology Corporation (BATC) w Boulder w Kolorado. Za rozwój fotometru oraz prowadzenie misji i analizę danych naukowych odpowiedzialne jest centrum NASA Ames Research Center. Rozwój statku kosmicznego był prowadzony przez Laboratorium Napędu Odrzutowego (Jet Proplusion Laboratory – JPL).

Żródło:
http://kepler.nasa.gov/ oraz zamieszczone tam publikacje

Share.

Comments are closed.