Kémtávcsőnek készült, most hajtogatható tükrökkel készíthet soha nem látott méretű képeket az űrben

A NASA a tervek szerint augusztus 30-án útnak indítja a Roman űrteleszkópot, hogy a csillagászok egy újabb távcsővel pásztázhassák a világűrt. A teleszkóp nevét Nancy Grace Romanről, a Hubble űrtávcső egyik tervezőjéről kapta, és ha minden jól megy, olyan nagy fényképeket tud majd készíteni távoli galaxisokról, hogy jelenleg nem létezik akkora kijelző, amin teljes méretükben elférnének. Az új teleszkópnak fontos feladatai lesznek: a sötét anyag és a sötét energia vizsgálata mellett a más csillagok körül keringő exobolygókat is segíthet jobban megismerni.

Első ránézésre talán nem egyszerű megmondani, hogy mi is a pláne a Roman űrtávcsőben, hiszen a fő tükre 2,4 méter átmérőjű, ami nagyjából ugyanakkora, mint a 36 éve működő Hubble-é, és jelentősen kisebb, mint a James Webb Űrteleszkóp 6,5 méteres fő tükre. Persze a számok kontextus nélkül nem mindig adják át a teljes képet: bár a fő tükör akkora, mint a Hubble teleszkópé, a detektorai annál nagyjából százszor nagyobb területet tudnak lefedni. A NASA igazgatója, Jared Isaacman a Roman bemutatóján azt mondta, hogy a tervek szerint egy év alatt el tud majd végezni annyi munkát, mint amennyihez a Hubble-nek kétezer évre lett volna szüksége.

A Roman létrejötte hosszú évek aprólékos mérnöki munkájának eredménye, ennek egyik példája az optikai elemeit mozgató és rendkívüli pontossággal pozicionáló űrmechanikák kifejlesztése. Ezeknek rengeteg nagyon szigorú követelménynek kellett megfelelniük, például annak, hogy mozgatás közben a rajta elhelyezett optikai elemekre vetített lézersugár elmozdulása egy kilométeres távolságban sem haladhatta meg a 0,1 millimétert. A fejlesztés közben már az is befolyásolta a méréseket, ha valaki csak besétált a laborba, mert az eszköz szempontjából érezhetően megemelte a mechanika egyik oldalának hőmérsékletét.

„El kellett érnünk az 1-2 centiméter/szekundumos mozgást, miközben 50 nanométeres pontossággal kell a műszernek beállnia egy helyre. Ezt végül a saját elektronikánkkal sikerült megoldanunk, az off-the-shelf cuccokkal nem tudtuk elérni ezt a pontosságot”

– mondta a Telexnek Detre Örs Hunor, a Max Planck Csillagászati Intézet munkatársa, aki maga is dolgozott az űrteleszkóp mechanikáinak fejlesztésén.

Míg az űreszközökön található alkatrészekből gyakran több is kerül a fedélzetre, hogy legyen némi redundancia meghibásodások esetére, a mechanikák egyes mozgásért felelős alkatrészeiből csak egy-egy darab lehet. A James Webben például ötszáz kritikus hibapont volt, azaz ennyi olyan lehetőség, ami ha elromlik, akkor nincs redundancia, nem lehet átkapcsolni egy másodlagos alkatrészre. Ezen részek tesztjei még szigorúbbak, hogy minimalizálják a rizikót, de hiába volt nagyon-nagyon kicsi az esélye, hogy nagy baj lesz, a James Webb esetében mégis majdnem kudarcba fulladt az egész.

„Pont hazajöttünk karácsonyra, és a szilveszter elég izgalmasra sikerült. Este hatkor jött egy email, hogy »gáz van, a fólia beakadt«. Ez azért történt, mert a fólia a Földön viszonylag merev volt, de az űr súlytalanságában kicsit lebegett, és így be tudott akadni. Több megoldási lehetőség volt, de végül amellett döntöttek a vezetők, hogy lassan, de határozottan elkezdik húzni, és szerencsére összejött. Ha ott végigszakad az egész, akkor az egész misszió kuka” – mesélte Detre, aki a James Webb űrteleszkóp Közép Infravörös Tudományos Műszerének az európai elektronikai vezetője volt. A 2021 decemberében útjára indított űrteleszkóp kifejlesztése és összerakása több mint húsz évig tartott és 11 milliárd dollárba került.

A Webb után a heidelbergi Max Planck Csillagászati Intézet a Roman fejlesztésébe is bekapcsolódott: ők tervezték, gyártották és tesztelték a Koronagráf Műszer (Coronagraph Instrument, röviden CGI) hat precíziós űrmechanikáját. A szerződés megszerzésére minimális induló forrásuk volt, de így is sikerrel jártak.

„Ez volt az első alkalom, hogy az intézet közvetlenül szerződött a NASA-val, korábban mindig a Max Planck ernyőszervezete kötötte a szerződést. Hatezer eurónk volt egy prototípusra, amivel elnyertük a NASA bizalmát, és itt jött be az a magyar sajátosság, hogy ugye mind tudjuk, miből is tudunk várat építeni”

– mondta Detre.

A fizikus szerint hiába indultak ilyen kevés pénzzel, az intézetnek két nagy előnye is volt, amik hozzájárultak a pályázatuk sikeréhez. Egyrészt az, hogy korábbi munkáik miatt rengeteg szükséges és drága műszer már ott volt a laborokban. Másrészt az – és Detre szerint ez az igazán fontos –, hogy az intézet egyetlen irodájában összesen százévnyi űrtapasztalattal felvértezett szakemberek ülnek.

„Hihetetlen csapat része lehettem, kivételes tudású, általában nagyon szerény kollégák között dolgozhattam. Ezért a mai napig hálás vagyok. Hihetetlen érzés, amikor több dizájnötleted is benne van abban a hardverben, amely nemsokára elhagyja a Földet, hogy segítsen választ keresni a csillagászat legmisztikusabb kérdéseire: mi a sötét energia, mi a sötét anyag, és mit árulnak el az exobolygók a saját Naprendszerünk kialakulásáról.”

Ahhoz, hogy ezt az élményt minél többen átélhessék, Detre szerint fiatalkorban kell elhinteni az űr iránti kíváncsiság magvait, ő maga is ezen dolgozik a Student Spacelab Network (SSN) programvezetőjeként. Ez egy országos diáklabor-hálózat, ami összegyűjti a diákok és oktatóik igényeit, feltérképezi az elérhető lehetőségeket, és összekapcsolja ezeket egymással.

„Az igény óriási, mert a 21. századi nemzetközi űripari versenyben azok a magyar szakemberek érhetnek el pár év múlva igazán nagy eredményeket, akik ma még az iskolapadban ülnek. Most kell megmutatnunk nekik, hogy a fizika, a mérnöki munka és az űr világa nem távoli álom, hanem elérhető pálya.”

Nem lecserél, kiegészít

Elsőre úgy tűnhet, hogy a Roman egy Hubble 2.0, de nem erről van szó. Valójában kiegészíti a másik két űrtávcsövet, és egy kicsit máshogy dolgozik, mint a korábban felbocsátott műszerek. A NASA képén jól látszik, hogy mi a különbség:

A legnagyobb különbség a teleszkópok látószöge, ugyanis a Romané sokkal nagyobb részét fedi le az égboltnak, mint a Webbé vagy a Hubble-é. A másik nagy eltérés az, hogy milyen színtartományban tudnak vizsgálni. A Hubble az ultraibolyától a látható hullámhosszokon át az infravörösbe is be tud kukkantani, míg a Webb kifejezetten infravörös távcső. A Roman leginkább a látható színtartományban és az infravörösben remekel, tulajdonképpen a két régebbi teleszkóp között.

„Teljesen mások. A Roman a minél több információról szól, a Hubble pedig a minél részletesebb információról. A James Webb is úgy működik, mint a Hubble, csak sokkal érzékenyebb, mert jóval nagyobb a fő tükre, és infravörös tartományban dolgozik”

– magyarázta Detre.

A csillagászoknak egyébként a lélegzetelállító képek a legkevésbé izgalmasak, a tudósok inkább egy prizma vagy ehhez hasonlatos optikai elem segítségével a csillagászati objektumok színképét, azaz spektrumát nézik. A színkép nagy spektrális felbontással megmutatja, milyen hullámhosszokon erősebb vagy gyengébb egy égitest fénye. Ebből azonosítható az adott csillag, galaxis, akár a más, távoli csillag körül keringő bolygók, úgynevezett exobolygók légkörének pontos összetétele, azaz a bennük lévő elemek és molekulák, illetve meghatározható a hőmérsékletük, a mozgásuk is. Detre szerint a képalkotás legtöbbször csak az első lépés: érdekes objektumokat keresnek vele, amiről aztán csinálhatnak egy spektrumot.

A Roman fő műszere a Nagy Látómezejű Műszer, angolul Wide Field Instrument (WFI). Egy másik, igen izgalmas tudományos eszköze a már említett koronagráf, amivel ki tudja takarni a csillagok fényét, hogy pontos képet kapjon az azok körül keringő exobolygókról. A CGI rendkívül összetett eszköz, tele szűrőkkel, érzékelőkkel, prizmákkal és olyan tükrökkel, amik egy kicsit torzíthatók, hogy kompenzálják az optikai rendszer apró hibáit és torzulásait – amik például azért lépnek fel, mert ahogy a távcső elfordul, a Nap felőli oldala kicsit melegebb lesz, ami az egész rendszerben változásokat okoz.

Ez persze nem egyszerű, hiszen nagyon gyorsan kell korrigálni. Épp ezért a CGI-nak két detektora van: az egyik a kép készítéséért felel, a másik pedig a tükrök vezérléséért. Emiatt fontos a gyorsaság, hiszen az épp kimért hiba és a korrekció között nem telhet el túl sok idő, mert akkor a kép nem lesz használható: nagyjából egy tizedmásodperc lehet a mérés és a képkészítés között.

A NASA szerint a tükör torzításáért felelős aktuátorok olyan precízek, hogy egy DNS-szál vastagságánál kisebb hibát is kompenzálni tudnak. A technológia nem új, földi teleszkópokon már használják, hogy kompenzáljon a légkör hatásaiért, de ha minden jól megy, ez lesz az eddigi leghatékonyabb koronagráf, ami az űrbe kerül.

„A CGI az exobolygó-kutatásról szól, ami nemrég nagyon berobbant, és végre adatokkal tudjuk ellenőrizni a korábbi elméleteket. A Roman optikai rendszerét eredetileg nem koronagráfos megfigyelésekre optimalizálták, központi kitakarása és a segédtükör tartószerkezete különösen megnehezíti a csillagfény elnyomását. A CGI ennek ellenére a korábbi űrbeli koronagráfoknál várhatóan százszor-ezerszer jobb teljesítményt nyújt majd, így igen értékes exobolygó-megfigyeléseket várunk tőle, valamint jövőbeni koronográf műszerekhez is jelentős technológiai előrelépést jelenthet.”

Az általunk ismert, atomokból felépülő anyag univerzumunk mindössze körülbelül 5 százalékát képviseli. Detre szerint a Roman fő feladata, hogy közelebb vigyen bennünket a sötét anyag és a sötét energia természetének megértéséhez. Ezek együttesen a világegyetem teljes tömeg- és energiatartalmának 95 százalékát teszik ki, mégsem látjuk őket közvetlenül, csupán a hatásaikat érzékeljük. A Roman óriási látómezejével galaxisok százmillióit vizsgálhatja meg, a belőlük nyert, az eddigi űrmissziókéhoz képest hatalmas adatmennyiség pedig segíthet feltérképezni a sötét anyag eloszlását és megérteni, mi áll az univerzum gyorsuló tágulásának hátterében.

Árgus szemét a másik irányba fordítja

Na de hogy sikerült határidőn belül és olcsóbban összerakni a vasárnap egy SpaceX Falcon Heavy hordozórakétán űrbe szálló Nancy Grace Roman űrteleszkópot? Persze benne van a Max Planck-csoport tapasztalata, Detre leleményessége és költséghatékony gondolkodása, de valószínűleg az sem volt hátrány, hogy a fő alkatrészei már kész voltak. Méghozzá azért, mert a szerkezet valójában kémműholdnak készült, amivel az Egyesült Államok az ellenségeit akarta megfigyelni 2001. szeptember 11. után. A kémprogram azonban összeomlott, ezért a Nemzeti Felderítő Hivatal nevű amerikai űrfelderítési hírszerző ügynökség felajánlotta a NASA-nak, hogy megkaphatják ingyen a két kémteleszkóp fő optikai elemeit és vázát.

A kétezres években prioritássá vált a sötét anyag és energia vizsgálata, ezért a NASA feladatba kapta egy új teleszkóp kifejlesztését. Ez lett volna a Széles Látószögű Infravörös Mérőteleszkóp (WFIRST), aminek a tükre nagyjából feleakkora lett volna, mint a Hubble-é. A csillagászok azonban nagyobb feladatot szántak a projektnek, például az exobolygók vizsgálatát, miközben a NASA teleszkóppénzének nagy része az egyre dráguló James Webbe ment. A WFIRST-öt végül az amerikai megfigyelés mentette meg az ingyen felajánlott teleszkóppal.

A kémtávcsöveket már 2005-ben elkaszálták, amikor a költség a kezdeti 5 milliárdról már 13 milliárd dollárra ugrott, de a hardver egy részét már legyártották. Először nem akarták átadni őket a NASA-nak, 2011-ben mégis emellett döntöttek. A Hubble-klónok nagyot lendítettek a WFIRST-projekten, de még így is rengeteg feladata volt az űrügynökségnek – például optikákat, koronagráfot és mechanikát kellett rendelnie. Ha ez nem lett volna elég, öt elnöki költségvetés-tervezetből is kimaradt volna a projekt, ha a kongresszus csillagászok és kutatók lobbitevékenységének hála nem helyezi azt vissza a büdzsébe.

A felbocsátása után a Roman a Földtől nagyjából másfél millió kilométerre, az úgynevezett 2-es Lagrange-ponton parkol majd le, amin a James Webb is üzemel. A terv szerint a következő öt évben az égbolt 12 százalékáról készít majd felvételeket, amiken több milliárd galaxis szerepel majd. Emellett rengeteg jelenséget figyel, exobolygókat keres, és nem utolsósorban béta-teszteli a koronagráfot is. Nem is rossz egy elkaszált kémtávcsőtől.