WISE – przegląd misji

0

Satelita astronomiczny WISE (Wide-Feld Infrared Survey Explorer, MIDEX/WISE) jest planowanym amerykańskim (NASA) pojazdem, którego celem będzie wykonanie przeglądu całego nieba w zakresie środkowej podczerwieni (3.5 – 23 mikronów) z czułością ponad 1000 razy lepszą od przeglądu satelity IRAS i 500 razy lepszą niż przegląd satelity Akari.

Do celów naukowych misji zaliczają się: znalezienie większej ilości galaktyk intensywnie świecących w podczerwieni; wykonanie poszukiwań słabych gwiazd w pobliżu Słońca; wyrycie większości planetoid głównego pasa o średnicach powyżej 3 kilometrów; rozciągniecie przeglądu 2MASS do podczerwieni termalnej; umożliwienie badań szerokiego zakresu problemów astronomicznych, od formowania się planet w dyskach protoplanetarnych do formowania się gwiazd w normalnych galaktykach; oraz dostarczenie podstawowego katalogu dla Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba (James Webb Space Telescope – JWST).

WISE zmierzy średnice ponad 100 000 planetoid, wykona obserwacje pyłu odpowiedzialnego za światło zodiakalne, oraz poszuka śladów pyłu kometarnego. Poza Układem Słonecznym dostarczy pełnego katalogu młodych gwiazd z dyskami protoplaneranymi, oraz pasów drobnych ciał w układach planetarnych wokół starszych gwiazd. Wykona poszukiwania pobliskich brązowych karłów. Możliwe będzie wyszukanie brązowych karłów chłodniejszych do 750K, które nie zostały odnalezione za pomocą przeglądów 2MASS (Two-Micron All Sky Survey) i SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Satelita wyszuka brązowe karły o temperaturach do 450K w odległości 75 lat świetlnych, do 300 K w odległości do 20 lat świetlnych, oraz do 150 K w odległości do 10 lat świetlnych. Dane pozwolą na ocenę zagęszczenia brązowych karłów w okolicach Słońca i na ocenę intensywności procesów gwiazdotwórczych produkujących obiekty o najniższych masach. Dzięki możliwości obserwacji fragmentów nieba zakrytych przez pył międzygwiazdowy, umożliwi odwzorowanie globalnej struktury Galaktyki, a także poprzez obserwacje promieniowania pyłu wykonanie bardzo dobrych map jego rozmieszczenia w Galaktyce. Poza Galaktyką wykona badania struktury, oraz historii formowania się gwiazd w tysiącach galaktyk. Zbada także galaktyki ultraświecące w podczerwieni (Luminous Infrared Galaxies – ULIRG), które są produktem zderzeń galaktyk powodujących eksplozję działalności gwiazdotwórczej (w większości są one zakryte przez chmury pyłu rozgrzewanego przez młode gwiazdy). Zostały one odkryte przez IRAS i wypromieniują w podczerwoni 100 razy więcej energii niż w świetle widzialnym. Misja pozwoli na zaobserwowanie ULIRG w dużych odległościach, w okresie gdy Wszechświat miał około 3 miliardów lat. WISE scharakteryzuje także populację galaktyk z aktywnymi jądrami (Ative Galactic Nuclei – AGN), których jądra w dużej części są zakryte przez pyl i nie zostały zaobserwowane w zakresach optycznych i ultrafioletowym. Obserwacje gromad galaktyk pozwolą także na badania natury ciemnej energii. Misja WISE jest rozwijana w ramach programu NASA MIDEX (Medium Class Explorer).

KONSTRUKCJA

Satelita WISE ma masę 750 kilogramów. Ma kształt w przybliżeniu walcowaty. Składa się z dwóch zasadniczych modułów – modułu serwisowego (Service Module), oraz modułu instrumentów naukowych (Payload Module). Konstrukcja satelity jest oparta na busie RS-300 należącym do Ball Aerospace and Technologies Corp. (BATC). Powiększono jego rozmiary w celu dostosowania do rakiety nośnej, oraz poprawiono system łącznościowy.

Moduł serwisowy stanowi dolną, mniejszą część statku. Ma on kształt graniastosłupa ośmiokątnego. W nim znajdują się podstawowe komponenty inżynieryjne pojazdu, zapewniające łączność z Ziemią, energię elektryczną itp. Energii elektrycznej na poziomie 467 W dostarcza skrzydło fotoogniw słonecznych usytuowane na bocznej powierzchni modułu serwisowego. Komórki słoneczne są wykonane z GaInP2/GaAs/Ge. Skrzydło składa się z dwóch paneli fotowoltaicznych. Całkowita powierzchnia paneli wynosi 3 metry kwadratowe. Dostarczają one 467 W mocy. Wyprodukowana energia jest zużywana na bieżąco, a także ładuje baterie litowe, które są używane w czasie gdy pojazd będzie się znajdował w cieniu Ziemi i nie będzie otrzymywał energii słonecznej. Pojazd jest stabilizowany trójosiowo. Wahania orientacji podczas ekspozycji trwającej 8.8 sekundy wynoszą 0.54”, czyli w obrębie piksela detektora o szerokości kątowej 2.75”. Do kontroli orientacji przestrzennej służą koła reakcyjne. Satelita nie posiada żadnego systemu napędowego. Danych nawigacyjnych dostarczą szperacze gwiazd i sensory Słońca. Do zarządzania pędem kół reakcyjnych służą magnetometry i elementy oddziaływające z polem magnetycznym Ziemi. Te ostatnie pozwalają na zmniejszanie pędu w czasie przelotów ponad 60st szerokości geograficznej, podczas przesyłania danych naukowych. System zarządzania danymi (Command and Data Handling System – CDH) jest częścią awioniki kontrolnej statku (Spacecraft Control Avionics – SCA). SCA stanowi platformę dla oprogramowania, a także zawiera interfejsy dystrybucji mocy w obrębie statku oraz systemy kontroli statku. Pojazd jest wyposażony we własny system komputerowy. Jest on oparty na komputerze RAD750. Zgromadzone dane przed wysłaniem na Ziemię są poddawane kompresji bezstratnej Rice 2.1:1 i zapisywane są na niezależnym dysku (Independent Disk Drive – RAID). Jego pojemność wynosi 85.9 GB. Łączność z Ziemią zapewnia antena paraboliczna wysokiego zysku (High-Gain Antenna – HGA), którą może obracać się w dwóch osiach. Projekt anteny jest oparty na HGA sondy Deep Impact. Podczas przejść przez strefy polarne dane będą przesyłane do satelitów TDRS. Dane naukowe są przesyłane w paśmie Ku z szybkością 120 Mbps. Rozkazy są odbierane w paśmie S, w którym są również wysyłane dane inżynieryjne. Statek dostarczy 43.2 GB skompresowanych danych na dzień.

Moduł instrumentów naukowych został umieszczony na górnej powierzchni modułu serwisowego. Ma on kształt walcowaty. Jest połączony z modułem serwisowego za pomocą małej struktury kratownicowej, i jest od niego odizolowany termicznie. Jest to duży kriostat, w którym umieszczona została optyka i detektory jedynego instrumentu naukowego satelity – teleskopu podczerwieni WISE (WISE Infrared Telescope). Projekt kriostatku jest oparty na nieudanym satelicie WIRE. W górnej części tego modułu znajdzie się otwór wejściowy, otoczony przez osłonę przeciwsłoneczną, która zapobiega jego bezpośredniemu oświetleniu przez światło słoneczne i światło odbite od Ziemi. Ocienia ona otwór wejściowy. Wewnątrz znajdują się dwa toroidalne zbiorniki, które zostały wypełnione wodorem w stanie stałym. Zbiorniki te otaczają komponenty instrumentu, a pary sublimującego lodu wodorowego chłodzą je do temperatury poniżej 15 K, optymalnie 7.8K, +/- 0.5 K. Zbiornik zewnętrzny zabezpiecza główny zbiornik wewnętrzny i odbiera ciepło pochodzące z innych komponentów satelity. Ponadto pozwala na chłodzenie elementów teleskopu do temperatury 17 K. Ciepło jest odbierane przez 2 osłony chłodzone parami wodorowymi. Zapas mieszaniny kriogenicznej w kriostacie ma margines 130% czasu trwania misji przewidzianej na 7 miesięcy. Otwór wejściowy teleskopu w czasie startu będzie osłonięty osłoną ochronną, która ochroni go przed zanieczyszczeniem. Zostanie odrzucona po wejściu na orbitę. Zostanie ona odepchnięta przez sprężyny.

WYPOSAŻENIE

Instrument WISE charakteryzuje się polem widzenia o wymiarach kątowych 47′ x 47′. Rozdzielczość kątowa wynosił 2.75 sekundy kątowej na piksel. Pojedynczy obraz jest uzyskiwany w czasie 11 sekund.

Instrument jest wyposażony w teleskop o średnicy 40 centymetrów. Układ optyczny składa się z 5 zwierciadeł. Teleskop WISE dostarcza skupiona wiązkę światła do “trzeciorzędowego” zwierciadła skanującego (właściwe jest to 5 zwierciadło). Zwierciadło skanujące służy do ustabilizowania kierunku widzenia, gdy statek skanuje niebo. Zostało ono zapożyczone z programu SPIRIT III/MSX. Zwierciadło obraca się, wytwarzając obraz nieba na detektorach. Zwierciadło to działa następująco: po ekspozycji trwającej 6.6 sekundy porusza się o 33′ w 2.2 sekundy, a następnie następuje druga ekspozycja trwająca 6.6 sekundy. W ten sposób zwierciadło może “omiatać” fragment nieba, gdy statek i teleskop wolno wokół linii Słońce – Ziemia ze stałą szybkością kątową równą szybkości orbitalnej. Podczas okresu 2.2 sekundy zwierciadło przesuwa się i wraca do swojej początkowej pozycji. Światło z telekskopu i zwierciadła skanującego jest odbierane przez 2 moduły obrazujące – refrakcyjny MWIR i refleksyjny LWIR. Wiązka jest następnie rozdzielana przez 3 rozdzielacze wiązek. Następnie są rozdzielane drugi raz i oświetlają 4 detektory.

Detektory instrumentu zostały umieszczone w płaszczyźnie ogniskowej teleskopu. Są to macierze czułe na podczerwień (Focal Plane Arrays – FPA). Instrument jest wyposażony w 4 detektory, które pokrywają różne zakresy widmowe scentrowane na 3.3, 4.7, 12 i 23 um. 2 detektory Rockwell HAWAII 1-RG HgCdTe pokrywają pasma 2.8 – 3.8 um i 4.1 – 5.2 um. Dwa detektory BiB Si:As pracują w zakresie 7.5 – 16.5 um i 20 – 28 um. Posiada on nowo zaprojektowany multiplekser pozwalający na odczyty w temperaturze poniżej 10K. Każdy detektor ma rozmiar 1024 x 1024 piksele. Detektory HgCdTe są produkowane seryjnie, ale zostały zmodyfikowane w celu uodpornienia ich na środowisko przestrzeni kosmicznej. Warstwa HgCdTe o grubości około 5 um została wytworzona na grubym (około 800 um) substracie CdTe. W trakcie innych programów NASA, w tym instrumentów NIRCAM i NIRSPEC teleskopu JWST oraz WFC3 dla HST wykazano, że warstwa CdTe wykazuje fotoluminescencję gdy jest naświetlana protonami. W związku z tym zdecydowano się na usunięcie warstwy CdTe podczas produkcji detektora. Uczynkowo tak również w innych programach.

HISTORIA MISJI

Propozycja misji pod nazwą Przegląd Nieba Nowej generacji (Next Generation Sky Survey – NGSS) została wybrana do dalszych prac w styczniu 1999r. W październiku 1999r NGSS nie został jednak wybrany do realizacji w ramach programu MIDEX. W październiku 2001r została ponownie zgłoszona do tego programy. W kwietniu 2002r została wybrana do wstępnych prac w ramach MIDEX. W październiku 2002 nazwa misji została zmieniona na WISE. W marcu 2003r zaaprobowano rozpoczęcie rozszerzonej fazy A misji. W kwietniu 20083r na wykonawcę satelity wybrano Ball Aerospace. W kwietniu 2004r zaaprobowano wykonanie misji w ramach programu MIDEX. 25 sierpnia 2004 roku wkroczyła w fazę B. W listopadzie 2004r na wykonawcę teleskopu wybrane zostało Space Dynamics Laboratory. W październiku 2006r potwierdzono rozpoczęcie prac na satelitą. Start satelity WISE był zaplanowany na lato 2008 roku, ale z powodu problemów finałowych został opóźniony do końca 2009r.

PLAN PRZEBIEGU MISJI

Start misji jest w tej chwili planowany na listopad 2009r. Rakietą nośną będzie Delta 2. Miejscem startu będzie Vandenberg. Rakieta umieści pojazd na w przybliżeniu kołowej, biegunowej orbicie synchronicznej ze Słońcem, która będzie przebiegała na wysokości 527 kilometrów ponad Ziemią. Orbita będzie przebiegała ponad linią terminatora. Dzięki temu teleskop będzie zawsze wskazywał kąt prosty względem Słońca, i będzie skierowany z dala od Słońca. Panele słoneczne będą natomiast skierowane w stronę Słońca. Po starcie zostaną wykonane testy działania komponentów inżynieryjnych pojazdu, oraz jego instrumentu naukowego. Później rozpocznie się program obserwacji astronomicznych. Misja potrwa 7 miesięcy, z czego na testy przeznaczony będzie 1 miesiąc.

Satelita może działać w 5 trybach. W trybie przeglądu (Science Survey Mode) satelita będzie wykonywał ciągłe serie obrazów co 11 sekund. W trybie przeglądu bez kompresji (Uncompressed Science Survey Mode) zbierane w ten sposób dane nie będą kompresowane. Ponadto pojazd będzie pracował w 3 trybach inżynieryjnych: trybie transmisji danych (Downlink Mode), trybie bezpiecznym (Safe Mode), oraz trybie awaryjnym (Emergency Mode). Podczas ruchu satelity po orbicie teleskop będzie obserwował okrąg na niebie. Z powodu ruchu Ziemi po niebie okrąg ten będzie się powoli przesuwał, i po 6 miesiącach pracy WISE zobrazuje 99% nieba. Każdy fragment nieba będzie objęty przez o najmniej 8 obrazów o wzrastającej jakości. W czasie swojej nominalnej misji satelita dostarczy prawie 1 500 000 obrazów. Dane będą przesyłane na Ziemię 4 razy dzienne. Umożliwią opracowanie atlasu całego nieba w podczerwieni z czułością znacznie większą od przeglądu satelity IRAS, oraz opracowanie wykazu wszystkich źródeł podczerwieni na sferze niebieskiej.

Źródła:
http://wise.ssl.berkeley.edu/
http://wise.ssl.berkeley.edu/documents/WISESPIE_SanDiego05.pdf

Share.

Comments are closed.