Euclid, czyli kolejny teleskop w punkcie Lagrange’a

Wszyscy wiemy o istnieniu teleskopu Hubble’a, wielu słyszało o teleskopie Jamesa Webba. Ale Euclid? Euclid, czyli Euklides, to teleskop do obserwacji Wszechświata w zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni, skonstruowany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) we współpracy z amerykańską NASA. Misja, obliczona na sześć lat, ma za zadanie obserwację i rejestrację kształtu, rozmieszczenia i odległości galaktyk i grup galaktyk. Efektem ma być dokładna mapa około ⅓ nieba, zawierająca 1,5 miliarda galaktyk, a głębokość obserwacji ma sięgać 10 miliardów lat świetlnych. Analiza rozmieszczenia i kształtu zarejestrowanych obiektów powinna dostarczyć dowodów na istnienie tzw „ciemnej materii” i „ciemnej energii”, które, według szacunków, stanowią nawet 95% materii i energii zawartej we Wszechświecie. Więcej na temat ciemnej materii można przeczytać w artykule Ciemna materia, czyli królowa jest naga. Być może dzięki Euclidowi będzie można zmienić tytuł na “Ciemna materia, czyli królowa jest skąpo rozebrana”.

Teleskop Euclid został nazwany imieniem Euklidesa – ojca geometrii i autora „Elementów”, jednego z najsłynniejszych dzieł matematycznych. O Euklidesie wiemy niewiele, prawie nic, podobnie jak o Wszechświecie. Jego „Elementy” znamy jedynie z powstałego siedem wieków później komentarza Proklosa do pierwszej księgi dzieła. O życiu Euklidesa wiemy jeszcze mniej, tyle tylko, że był trochę młodszy od uczniów Platona, ale starszy od Eratostenesa i Archimedesa. Prawdopodobnie kształcił się w Atenach, w szkole Platona.

Dlaczego właśnie geometra został patronem? Prawdopodobnie dlatego, że jednym z podstawowych pytań kosmologii jest geometria kosmosu, struktura przestrzeni, jej zmienność i dynamika. Co prawda jest to geometria nieeuklidesowa, ale od czegoś trzeba zacząć. Być może następnym teleskopem będzie Riemann, niewystarczająco doceniony geniusz matematyczny, bez którego Albert Einstein nie zrobiłby nawet jednego kroku w stronę ogólnej teorii względności.

Ryc. 1 Euklides, drzeworyt z 1584. Źródło: Encyclopædia Britannica https://www.britannica.com/biography/Euclid-Greek-mathematician#/media/1/194880/15442

Misja Euclid rozpoczęła się 1 lipca 2023 roku od startu rakiety Falcon-9 z Przylądka Canaveral na Florydzie. Miejscem docelowymi był punkt Lagrange’a L2 w odległości 1,5 mln kilometrów od Ziemi, zwany inaczej punktem libracyjnym. Jeśli mamy dwa ciała (Słońce i Ziemia) to istnieje pięć punktów Lagrange’a, w których trzecie ciało, w tym przypadku teleskop, może pozostawać w spoczynku względem pozostałych dwóch ciał, gdyż oddziaływania grawitacyjne i siła odśrodkowa równoważą się. Do stabilizacji położenia satelity mogą służyć rzadko uruchamiane, niewielkie silniki korekcyjne.

Punkt L2 jest optymalny dla teleskopów kosmicznych przeznaczonych do obserwacji planet Układu Słonecznego (ale nie Słońca, do tego idealny jest punkt L1) oraz innych odległych obiektów, gdyż zawsze znajduje się w cieniu Ziemi. Dlatego w pobliżu punktu L2 umieszczone jest Kosmiczne Obserwatorium Herschela, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), teleskop ESA Gaia i satelita Planck.

Ryc. 2 Punkty Lagrange’a w układzie Słońce-Ziemia. Licencja: Creative Commons Attribution 3.0

Wracając do Euclida. Po czterech miesiącach od wystrzelenia rakiety Falcon Euclid jest gotowy do pracy i właśnie przesłał (7.11.2023) na Ziemię pierwsze fotografie, trzeba przyznać, że oszałamiającej jakości. Jeszcze kilka miesięcy potrwa kalibracja i testowanie teleskopu, a rutynowe obserwacje rozpoczną się już na początku 2024 roku.

Ryc. 3 Pierwsze zdjęcia przekazane przez teleskop Euclid. Własna kompilacja zdjęć ESA https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_s_first_images_the_dazzling_edge_of_darkness

Obrazy przesłane przez Euclid są niesamowicie ostre i dokładne. Dość powiedzieć, że obraz gromady galaktyk w gwiazdozbiorze Perseusza zawiera 1000 galaktyk należących do tej gromady i ponad 100000 galaktyk w tle.Obrazy przesyłane przez Euclida mają jeszcze jedną zaletę, która powinna zainteresować popularyzatorów astronomii – wielkość kadru. Jedno zdjęcie wysokiej rozdzielczości może obejmować całą galaktykę lub całą gromadę kulistą, będzie można je powiększać aż do widoku pojedynczych gwiazd. Nie trzeba dodawać, że jest to bardzo atrakcyjny materiał ilustracyjny.

Sonda Euclid ma około 4,7 m wysokości i 3,7 m średnicy. Składa się z dwóch głównych komponentów: modułu serwisowego i modułu ładunku.

Moduł ładunku składa się z teleskopu o średnicy 1,2 m wykonanego z węglika krzemu (bardzo twardego karborundu, używanego jako materiał ścierny) i dwóch kamer: kamery światła widzialnego (instrument VISible, VIS) oraz kamery/spektrometru bliskiej podczerwieni (spektrometr i fotometr bliskiej podczerwieni, NISP). Moduł serwisowy zawiera systemy satelitarne: wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej, kontroli położenia przestrzennego, elektroniki przetwarzania danych, napędu, telesterowania i telemetrii oraz kontroli termicznej.

Ryc. 4 Teleskop kosmiczny Euclid. Licencja CC BY-SA 3.0 IGO

Euclid ma dostarczyć danych do uzyskania odpowiedzi na podstawowe pytania współczesnej kosmologii:
– jaka jest natura ciemnej materii?
– jaka jest struktura i historia kosmicznej sieci?
– jaka jest struktura i rozkład materii we Wszechświecie?
– jak zmieniała się ekspansja Wszechświata na przestrzeni czasu?
– jaka jest natura ciemnej energii?
– czy dobrze rozumiemy grawitację w skali makrokosmicznej?
Mapa galaktyk stworzona przez Euclid będzie trójwymiarowa, ponieważ w rozszerzającym się Wszechświecie istnieje współzależność odległości galaktyk od Ziemi, poczerwienienia ich widma i szybkości oddalania się. Właśnie to będzie trzecim wymiarem tej mapy.

Dokładność zdjęć galaktyk wykonanych przez teleskop Euclid jest tak wysoka, że będzie można analizować kształt galaktyk, porównywać ten kształt z kształtem obliczonym z dynamiki wirującego dysku materii i na tej podstawie wykrywać skupiska ciemnej materii, która zakrzywia tor fotonów wpadających do teleskopu, zniekształcając obraz obserwowanej galaktyki. Zjawisko to nazywa się mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym i jest bezpośrednim skutkiem zakrzywienia przestrzeni (wynikającego z ogólnej teorii względności) przez masę.

Jako jeden z celów misji wymieniłem badanie „kosmicznej sieci”. Co to takiego? Ciemna materia, ponieważ jest nieprzezroczysta i nie emituje światła, zasłania położone za nią galaktyki. Gdyby nie było ciemnej materii, rozmieszczenie wszystkich galaktyk byłoby bardziej równomierne. Z tego powodu widok dalekiego kosmosu przypomina sieć włókien o nieregularnych oczkach. Dotychczasowe możliwości obserwacji nie pozwalały na dokładniejsze badanie tych struktur, widoczne były jedynie rozmyte zarysy sieci. Jedno z prezentowanych powyżej zdjęć wykonanych przez Euclid (gromada galaktyk w Perseuszu) obejmuje obszar, w którym takie badania mogą być przeprowadzone. Celem misji Euclid ma być właśnie być mapa 3D rozmieszczenia ciemnej materii, na podstawie której będzie można wysnuć wnioski dotyczące prawidłowości i mechanizmów rządzących tym fenomenem.

Ryc. 5 Wizualizacja kosmicznej sieci (cosmic web). Źródło: V.Springel, Max-Planck Institut für Astrophysik, Garching bei München

Nie, to są dwa różne teleskopy, nie konkurują ze sobą, raczej się uzupełniają.

James Webb Space Telescope (JWST) to uruchomiony w 2021 roku teleskop kosmiczny służący do obserwacji ewolucji gwiazd i genezy galaktyk po Wielkim Wybuchu oraz wyszukiwania i klasyfikacji egzoplanet, a także badania ich atmosfery. Zwierciadło JWST ma średnicę 6,5 m (Euclid 1,2 m), co pozwala mu obserwować bardzo słabe optycznie obiekty. Pracuje tylko w podczerwieni, co pozwala „zajrzeć” na odległość 13,5 miliarda lat świetlnych (Euclid: 10 miliardów), aż do obiektów powstających w najwcześniejszym okresie powstawania Wszechświata.

Warto wiedzieć, że bank danych misji Euclid będzie udostępniany publicznie za pośrednictwem Astronomy Science Archives mieszczącego się w Europejskim Centrum Astronomii Kosmicznej ESA w Hiszpanii. Warto już teraz zajrzeć na tę stronę, bo zawiera setki terabajtów danych na temat kilkudziesięciu misji, w których uczestniczy(-ła) ESA, między innymi: Gaia, Herschel, JWST, Hubble, Planck, Patfinder, Cassini Huygens, Rosetta, oraz przyszłych jak: Euclid, Ariel, Plato, Juice, Smile.

  1. https://wyborcza.pl/7,75400,30377081,pierwsze-zdjecia-teleskopu-euclid-wprost-zapieraja-dech-moga.html
  2. https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_s_first_images_the_dazzling_edge_of_darkness
  3. https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid_overview
  4. https://pl.wikipedia.org/wiki/Punkt_libracyjny
  5. https://ts2.space/en/what-is-the-difference-between-the-euclid-telescope-and-the-james-webb-telescope/
  6. https://www.jameswebbdiscovery.com/other-missions/euclid/euclid-telescope-vs-james-webb-space-telescope-exploring-the-cosmos
  7. https://www.cosmos.esa.int/web/esdc

Sonda Psyche: w drodze do metalowego świata

13 października 2023 roku ze stanowiska startowego 39A na kosmodromie Kennedy Space Center wystartowała rakieta Falcon Heavy z sondą kosmiczną Psyche na pokładzie. Podróż potrwa dość długo, ponieważ Psyche ma do przebycia setki milionów kilometrów. Napęd sondy stanowią silniki elektryczno-jonowe. Energii dostarczą panele słoneczne, a sam silnik jonowy oparty jest na efekcie Halla.

Moc chwilowa silnika to 4,5 kW, natomiast przez dłuższy czas może on pracować z mocą 0,9 kW. Na pokładzie znajduje się „paliwo” w postaci ponad 900 kg ksenonu. Pojedynczy pędnik wytwarza zaledwie 240 mN ciągu – równoważność ciężaru jednej baterii AA (tzw. paluszka). Niby bardzo niewiele, ale do drobnych korekt kursu zupełnie wystarcza. Panele solarne o łącznej powierzchni mniej więcej kortu tenisowego generują moc 20 kW, ale na miejscu, w okolicach Psyche, ich moc maksymalna wyniesie tylko 2,3-2,4 kW (no cóż, odległość od Słońca robi swoje).

Sonda Psyche nad powierzchnią asteroidy – wizja artystyczna
źródło: NASA, licencja: domena publiczna

W 2026 roku sonda zmieni trajektorię, wykorzystując asystę grawitacyjną Marsa. Wspominała o niej w swoim wpisie Tatiana. Po tym manewrze przyśpieszającym Psyche ruszy w dalszą podróż do celu, a po przebyciu 3,6 mld km, w maju 2029 r., znajdzie się w polu grawitacyjnym planetoidy. Na jej orbitę ma wejść w sierpniu tego samego roku. Wtedy rozpoczną się badania, które planowo mają potrwać do maja 2031 roku. Ale o tym za chwilę. Najpierw warto dowiedzieć się nieco o asteroidach, w szczególności o Psyche.

Odrobina wiedzy o planetoidach

Planetoidy, zwane też asteroidami albo planetkami, to stosunkowo niewielkie (w skali kosmicznej) ciała niebieskie, znacznie mniejsze od planet, obiegające centralną gwiazdę (w naszym przypadku Słońce). Pomiędzy Marsem a Jowiszem rozciąga się tzw. główny pas planetoid / asteroid. Nazwa brzmi całkiem naukowo, ale przełóżmy ją na język popularny. Jest to tak naprawdę obszar kosmicznego gruzu o bardzo różnej wielkości. Jest tam kilka sporych planetoid, z których największa, Ceres, ma średnicę niemal 1 tys. km, kilka mniejszych, kilkusetkilometrowych, i olbrzymia liczba zupełnie małych, o średnicy rzędu metrów. Liczba asteroid jest ogromna, szacuje się, że jest ich co najmniej milion. Całość jest uformowana w spłaszczony torus (taki wdepnięty donut), będący w pewnym sensie odpowiednikiem orbity planetarnej. Planetoidy to bardzo ciekawe obiekty kosmiczne. Są one bowiem pozostałością materii, która kilka miliardów lat temu formowała Układ Słoneczny. Można więc powiedzieć, że to taki skład resztek materiałów budowlanych, który pozostał po tym, gdy wokół Słońca uformowały się planety. Właśnie dlatego budzą one zainteresowanie badaczy naszego Układu. Dziś już wiemy, że są to głównie dość lekkie obiekty kamienne, ale niektóre, należące do typu M, zawierają dość dużo pierwiastków metalicznych. Pierwszą planetoidę odkryto 1. dnia XIX w. (1.01.1801). Dokonał tego katolicki ksiądz z Włoch, Giuseppe Piazzi. Dziś planetoidę tę znamy pod nazwą Ceres.

Ale dość historii, skupmy się na misji, która właśnie się rozpoczęła. Planetoida (16) Psyche została odkryta w 1852 roku. Należy ona do asteroid typu M, a więc tzw. metalicznych. Oczywiście jak dotąd wszelkie dociekania na temat składu chemicznego Psyche są bardzo pośrednie. Znamy natomiast szacunkową objętość asteroidy, wynoszącą 5,7 mln km3, a także jej masę – rząd wielkości 1019 kg. Oznacza to, że jej gęstość wynosi ok. 4 g/cm3. Dużo, naprawdę dużo, dwa razy więcej niż średnia gęstość innych planetoid. I właśnie ta wartość sugeruje, że jest ona zbudowana w dużej części z materii metalicznej. Kształt ma dość nierównomierny, najdłuższy wymiar to nieco ponad 200 km. Grawitacja na powierzchni jest minimalna, zaledwie 1,5% ziemskiej.

Asteroida (16) Psyche – wizja artystyczna
źródło: NASA, licencja: domena publiczna

Skąd się ta planetoida wzięła? Jak na razie możemy tylko spekulować, znacznie więcej informacji będziemy mieli za tych kilka lat. Być może jest to poobtłukiwane jądro większej planetoidy, która nie zdążyła się przekształcić w większy obiekt. Inni badacze uważają, że jest to obiekt z grupy mezosyderytów, zbliżony do docierających do Ziemi meteorytów kamienno-żelaznych (taka Ziemia w miniaturce). Być może jest to planetoida, która powstała z kilku ciał, które zbliżyły się do siebie dzięki grawitacji, ale na to też brak jednoznacznych dowodów.

Co będzie badane?

No to teraz kilka słów o tym, jakie badania mają być przeprowadzone. Szefową zespołu badaczy pracujących w ramach misji Psyche jest doktor Lindy Elkins-Tanton. Muszę przyznać, że jej wykształcenie jest naprawdę imponujące: licencjat z geologii, magisterium i doktorat z geologii – wszystko na MIT. Jej imieniem nazwano odkrytą w 1981 roku planetoidę 8252 Elkins-Tanton.

Dr Lindy Elkins-Tanton
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Sonda Psyche ma masę małego vana, 2,7 tony, przy czym 1,4 tony stanowi aparatura naukowa. Co tam się znajduje? Zestaw kamer do obrazowania powierzchni w zakresie światła widzialnego oraz bliskiej podczerwieni. Drugi zestaw stanowią spektrometry promieniowania gamma oraz neutronowego. To one będą analizować skład chemiczny powierzchni planetoidy. Na pokładzie znajduje się też magnetometr – urządzenie do precyzyjnego pomiaru pola magnetycznego. Oczywiście wszystko odbędzie się zdalnie – sonda zbliży się do Psyche na odległość 300-700 km, a najbliżej powierzchni znajdzie się w maju 2030, gdy odległość wyniesie zaledwie 75 km.

Jest szansa, że otrzymane wyniki pozwolą też na doprecyzowanie danych dotyczących gęstości Psyche. Wartość 4 g/cm3 nie jest specjalnie imponująca, ale większość asteroid jest o połowę lżejsza. Jednocześnie są dane, które mówią, że możemy zostać zaskoczeni. 33 Polihymnia, asteroida o średnicy ok. 54 km, jest 10-krotnie lżejsza od Psyche. Szacowana gęstość tego ciała niebieskiego wynosi aż 75 g/cm3. Tak, dobrze widzicie! Najgęstszy materiał, który znamy tu, na Ziemi, to osm, ale jego gęstość wynosi 22,5 g/cm3. Ponad 3 razy mniej niż Polihymnia. Niewiarygodne? Ano właśnie, właśnie. Na razie nie wiadomo, co zrobić z tymi danymi. Te wyniki trzeba będzie weryfikować. Jeśli się potwierdzą, możemy mieć sporą sensację. Niektórzy uczeni spekulują, że znajdują się tam hipotetyczne „pierwiastki superciężkie”, o liczbach atomowych wykraczających daleko poza te ze znanego nam układu okresowego. Czy tak jest – nie wiemy, ponieważ brak twardych dowodów. Może misja Psyche coś nam podpowie.

Komunikacja optyczna

Oprócz badań planetoidy sonda Psyche ma jeszcze jedno, bardzo ważne zadanie: wypróbować komunikację optyczną z Ziemią. Być może bawiliście się w dzieciństwie w przekazywanie i odbieranie sygnałów przy pomocy ręcznych latarek. Jest to wygodny sposób komunikacji, jeśli ustalimy sobie znaczenie poszczególnych błysków. Tutaj badacze spróbują zrobić coś podobnego, choć sposób jest nieco bardziej wyrafinowany. System nosi nazwę Deep Space Optical Communication (DSOC). Nie ma tu oczywiście zwykłych latarek, ich rolę spełnia laser skierowany w stronę Ziemi. Jego impulsy będą tu odbierane przy pomocy teleskopu o średnicy 5 m. Od razu uprzedzam – nie dostrzeżecie błysków tego lasera, ponieważ nie będzie to światło widzialne, lecz bliska podczerwień. Co ciekawe, moc tego lasera sondy będzie niewielka – zaledwie 4 W. Sygnały z Ziemi będą wysyłane przy pomocy lasera o mocy 5 kW.

Ale po co te całe eksperymenty? To ma głęboki sens. Aktualnie komunikacja z sondami odbywa się klasyczną drogą radiową. Jest prosta, wygodna, ale niezbyt szybka. Jeśli uda się uruchomić transmisję laserową, szybkość przesyłu danych wzrośnie 10 do 100 razy. To naprawdę bardzo dużo! Wynika to z faktu, że laser pozwala na przesyłanie “gęstszej” informacji, lepiej upakowanej. Przykładowo: dziś ściągnięcie obrazu o wysokiej rozdzielczości zajmuje ok. 1,5 h. Transmisja laserowa potrwa mniej niż minutę, strumień danych będzie płynął niesamowicie szybko. Na to jednak musimy poczekać kilka lat. Ale myślę, że warto czekać.