Lille spejl i rummet der

Microwave radiation received by Planck
Det kræver avanceret software at holde styr på strålingen, som rammer Plancks spejle.
26 maj 2006

Den danske virksomhed TICRA skal finde den optimale placering af to spejle ombord på ESA’s videnskabelige mission Planck. Fartøjet sendes op til næste år for at indfange strålingen fra universets fødsel

Den danske virksomhed TICRA skal være med til at indfange den første stråling, der undslap fra det tidlige univers. Den europæiske rumfartsorganisation ESA har overladt TICRA opgaven med at finde den helt rigtige placering og indstilling af de spejle, som skal indfange den såkaldte kosmiske baggrundsstråling ombord på rumfartøjet Planck, der er planlagt til opsendelse sommeren 2007. TICRA medvirker også i planlægningen af en workshop i december 2006 i ESA’s tekniske hovedkvarter i Holland, hvor det videnskabelige indhold i missionen skal finpudses.

Baggrundsstrålingen blev opdaget i 1965 af to amerikanske ingeniører. Mens andre typer stråling udsendes af forskellige objekter, syntes denne stråling at komme ensartet fra alle retninger i universet. Forskerne er i dag stort set enige om, at den kosmiske baggrundsstråling er den første stråling, som undslap fra det tidlige univers, der var langt mere kompakt end det univers, vi kender i dag. Det skete – ifølge den fremherskende teori – ca. 300.000 år efter det ”Big Bang”, der satte gang i skabelsen af vores univers.

I 1992 lykkedes det den amerikanske satellit COBE (COsmic Background Explorer) at påvise, at der faktisk var ganske små variationer i baggrundsstrålingen, som altså alligevel ikke kom helt ensartet fra alle retninger. Man mener, at de små variationer skyldes, at stoffet i det tidlige univers ikke var helt ens fordelt. Det er disse dengang ganske små forskelle, som gennem milliarder af år er blevet forstærket og har givet anledning til dannelsen af de stjerner, planeter og andre objekter, vi kender i dag.

Ordet spejlblank tages bogstaveligt

The sky as it appears at microwave wavelengths
Vi ved allerede, at der er variationer i den kosmiske baggrundsstråling. Planck kan imidlertid studere forskellene i langt større detalje.

Planck skal kortlægge variationerne i den kosmiske baggrundsstråling med en nøjagtighed, der er langt større, end man hidtil har været i stand til at opnå. Strålingen har en temperatur på ca. 2,7 grader Kelvin – altså 2,7 grader over det absolutte nulpunkt (som er på ca. – 273 grader C). Plancks instrumenter skal være i stand til at opfange variationer i strålingen på helt ned til en mikro-Kelvin (altså en milliontedel grad).

”Den store udfordring er, at for at opnå denne nøjagtighed skal overfladen af spejlene være glat med en nøjagtighed, man ikke kender fra tilsvarende spejle”, siger senior research engineer Per H. Nielsen, TICRA.

Den danske virksomhed med 15 ansatte har specialiseret sig i software til at udforme og indstille antenner bedst muligt. Blandt andet kan virksomheden simulere, hvordan en vilkårlig ganske lille fejl i overfladen af spejlet vil påvirke den stråling, som det skal opfange fra verdensrummet.

Beregningerne viser, at i det centrale område af spejlene må variationerne i højden af overfladen ikke overstige 5 mikrometer – altså 5 milliontedel meter.

”Vi er de eneste i verden, der har udviklet software til at simulere strålingens opførsel med en mikrometers nøjagtighed”, konstaterer Per H. Nielsen.

Af samme grund har han og TICRA været knyttet til Planck-projektet, siden det startede i 1996. Typisk gennem forskellige delprojekter, hvoraf placeringen af spejlene og arrangementet af workshoppen i Holland er de nyeste.

Blandt andet har den danske software været brugt til at planlægge produktionen af spejlene – som Danmarks Rumcenter i øvrigt er overordnet ansvarlig for - samt til efterfølgende at kontrollere både den rigtige flight model – den der skal op ombord på satellitten – og den såkaldte kvalifikationsmodel, som er en prøvemodel.

Følger med Jorden rundt

Artist's impression of Planck
Illustration af hvordan fartøjet vil tage sig ud i rummet.

ESA kan bruge resultaterne på to måder. Dels til at forebygge unøjagtigheder så godt som muligt. Dels til efterfølgende at korrigere for fejl i måleresultaterne.

”Det bedste er selvfølgelig, hvis man kan forebygge, at der opstår fejl. Men det er nu engang umuligt at fremstille en overflade, der er fuldstændig glat inden for eksempelvis en mikrometers nøjagtighed. Derfor er forskerne afhængige af software, der kan rense målingerne for fejl”, siger Per H. Nielsen.

Astrofysikerne håber, at Plancks beskrivelser af variationerne i den kosmiske baggrundsstråling kan bruges til at kaste lys over en række spørgsmål: Vil Universet blive ved med at udvide sig for evigt – eller vil det begynde at trække sig sammen igen? Hvad er Universets korrekte alder? Hvad er naturen af det, som astrofysikerne kalder ”mørkt stof” – altså stof der ikke er synligt for astronomernes teleskoper, men som må være der for at de fysiske ligninger, der blandt andet beskriver hastigheden af Universets udvidelse, kan gå op?

Planck skal placeres i det punkt, som inden for rumforskningen kaldes L2 (Lagrange punkt 2). Det ligger ca. 1,6 millioner km fra Jorden – i modsat retning af Solen. Her er det muligt for en satellit at opnå en bane med samme omløbstid om Solen, som Jorden har – et år. Ideen er, at satellitten hele tiden kigger væk fra Solen. På den måde undgår man, at strålingen fra Solen, som naturligvis er ekstremt meget kraftigere end den svage baggrundsstråling, kommer ind og blænder instrumenterne. Ved samtidig at vælge placeringen i L2 opnår man, at satellitten hele tiden kan kommunikere med Jorden, da den følges med Jorden i kredsløbet omkring Solen.

En af de store udfordringer er, at da Planck jo ikke måler synligt lys, men mikrobølgestråling, er man nødt til at skærme instrumentet mod stråling fra fartøjet selv. Enhver kilde til varme – for eksempel fartøjets solpaneler, elektronik og mekaniske dele ombord – er en mulig kilde til mikrobølgestråling.

TICRA har også deltaget i simulering af, hvordan man bedst muligt har kunnet skærme instrumenterne mod stråling fra fartøjet selv.

Udvikler sig gennem sparring

Planck's mirror, shields, service module, and solar array
Satellitten - inklusive spejlene - klar til test.

”I alt har TICRA brugt mere end to mandår på Planck. Det er et vigtig projekt for os, fordi det er med til at skubbe grænsen for, hvad vores software kan bruges til”, siger en anden TICRA-medarbejder, Ph.D. Michael Lumholt.

”I det hele taget har opgaver for ESA været afgørende for, at firmaet har kunnet udvikle sig. Vores strategi går ud på, at vi deler al vores knowhow med kunderne. På mange måder minder vi om et offentligt forskningsinstitut. Vi holder ikke noget hemmeligt. Det vil sige, at vi i princippet kunne blive udkonkurreret af vores egne kunder, men det sker ikke, fordi vi hele tiden får en sparring, der bringer os videre. Og den vigtigste sparring får vi med ESA”.

Også danske rumforskere – fra Danmarks Rumcenter og NORDITA, Nordisk Institut for Teoretisk Fysik – deltager i Planck-projektet.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.