Herschel - Maailman suurin avaruusteleskooppi

Tähtitieteilijät haluavat nähdä maailmankaikkeutta sähkömagneettisen säteilyn eri aallonpituuksilla, koska eri säteilyalueet näyttävät erilaisia ilmiöitä ja erilaisia kohteita. Infrapunavalo kulkee näkyvää valoa helpommin kylmien kaasu- ja pölysumujen läpi, joten esimerkiksi syntymässä olevat tähdet näkyvät parhaiten juuri infrapunaisen alueella. Lisäksi pienet tähdet, molekyylipilvet ja kaukaiset galaksit ovat hohtavat hyvin vähän näkyvää valoa, mutta näkyvät selvästi infrapunavalossa.

Jotta Herschel voisi kerätä suurella peilillään lämpösäteilyä ja tutkia sitä mahdollisimman tarkasti, täytyy se itse jäähdyttää hyvin kylmään lämpötilaan. Siksi kamerat ja infrapunavaloa analysoivat mittalaitteet on sijoitettu kookkaan, heliumilla jäähdytetyn termospullon sisään. Herschelillä riittää kylmää nesteheliumia noin kolmen vuoden ajaksi.

Tämä uusin, suurin ja nykyaikaisin avaruusteleskooppi on nimetty 1700- ja 1800-lukujen vaihteessa eläneen William Herschelin mukaan. Alun perin hän oli saksalainen muusikko, mutta tuli tunnetuksi brittiläistyneenä tähtitieteilijänä. Hän löysi ensimmäisenä infrapunasäteilyn, kun hän tutki Auringon spektriä. Hän löysi myös Uranus-planeetan sekä kartoitti taivasta siskonsa Carolinen kanssa.

Herschel laukaistaan matkaan Ariane 5 -kantoraketilla yhdessä Planck-satelliitin kanssa, ja ne sijoitetaan avaruudessa ns. Lagrangen tasapainopisteeseen noin 1,5 miljoonan kilometrin päähän Maasta.

Herschelin tieteelliset tavoitteet

Herschel-avaruusteleskoopin kiinnostavimmat tutkimuskohteet ovat tähtien ja galaksien syntyprosessit. Galaksit koostuvat sadoista miljardeista tähdistä, joten galaksien kehityksen parempi ymmärtäminen auttaa selvittämään myös tähtien syntyä. Galakseissa on paljon aikaisempien tähtisukupolvien jäljelle jättämää kaasua, missä on erilaisia raskaitakin alkuaineita sekä mutkikkaitakin molekyylejä, ja juuri tällaisten sumujen sekä kaasupilvien havaitsemiseen Herschelin kaltainen infrapunateleskooppi sopii hyvin.

Nyt maailmankaikkeus on täynnä galakseja, jotka ovat levittäytyneet avaruuteen epätasaisesti; jos voisimme katsoa maailmankaikkeutta kaukaa, olisi se kuin saippuavaahtoa. Aikanaan aine ei ollut galakseina, vaan vapaasti levittäytyneenä avaruudessa. Herschelin avulla toivotaan saatavan lisää tietoa maailmankaikkeuden kaasun levittäytyneisyydestä ja siitä, miten galaksit tiivistyivät kaasusta. Syntyivätkö ensin tähdet, ja sitten vasta galaksit, vaiko päinvastoin?

Tähdet syntyvät joka tapauksessa kaasusta pilvistä tiivistymällä, joten tähden syntyyn liittyvissä kysymyksissä on kiinnostavaa tuntea paremmin omassa galaksissamme olevia kaasupilviä. Niissä tapahtuu mutkikkaita fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja. Aurinko on puolestaan yksi tähdistä, joten tähtien elämän tuntemus edesauttaa oman tähtemme olemuksen tietämistä.

Herschel tulee tekemään myös kiinnostavia havaintoja oman aurinkokuntamme kohteista, ennen kaikkea ulkoplaneettojen kylmistä kaasukehistä sekä komeetoista.

Lennon tieteellinen keskus sijaitsee Euroopan avaruustiedekeskuksessa ESACissa, Villafrancassa lähellä Madridia, Espanjassa. Havaintoaineistoa käsitellään myös NASAn ja Kalifornian Teknillisen instituutin Caltechin infrapunakuvien käsittely- ja analysointikeskuksessa Pasadenassa, Kaliforniassa, Max-Planck -instituutissa Garchingissa, Saksassa, Rutherford Appleton -laboratoriossa Iso-Britanniassa sekä Hollannin avaruustutkimusinstituutissa.

Suomessa tärkein Herschelin havaintomateriaalin käyttäjä on Helsingin Yliopiston Observatorion kaasupilviä ja tähdenkehitystä tutkiva ryhmä.

Herschelin tieteellinen johtaja on ruotsalainen Göran Pilbratt.

Herschelin tekniikkaa

Herschelin huomiota herättävimmät osat ovat kokonaisuudessaan satelliitin toiselta puolelta peittävä aurinkopaneeli sekä termospullolta näyttävän kryostaatin päällä oleva suuri peili. 3,5 metriä halkaisijaltaan oleva peili kerää taivaalta tulevan valon ja heijastaa sen apupeilin kautta kryostaatin sisällä oleviin mittalaitteisiin.

Aurinkopaneelin tehtävänä on paitsi tuottaa satelliitin tarvitsema sähkö, niin myös suojata teleskooppia auringonvalolta. Samalla kun se estää Auringon häikäisyä, pitää se myös teleskooppiosaa kylmässä varjossa.

Suurelta säiliöltä näyttävä kryostaatti pitää nestemäisen heliumin avulla sisällään olevat mittalaitteet lämpötilassa, joka on parhaimmillaan vain muutaman kymmenesosa-asteen ylitse absoluuttisen nollapisteen (–273ºC). Lämpiminkin osa optisesta penkistä, mihin mittalaitteet ja niihin valoa ohjaava optiikka on kiinnitetty, on lämpötilaltaan –265ºC.

Säiliössä on 2300 litraa nesteheliumia, joka riittää ainakin kolmen vuoden ajaksi. Vaikka mittalaitteet ja satelliitti itsekin toimisivatkin hitaasti vähenevän heliumin loputtua, tulevat havainnot lämpötilan nousun myötä liian huonoiksi, ettei satelliittia enää kannata käyttää.

Suuri peili on tehty lasin sijaan piikarbidista, jonka muoto muuttuu erittäin vähän lämpötilan muuttuessa, ja joka on samalla kevyttä ja kestävää: peilipinnan paksuus on vain 2,5 mm ja koko peilin paino 250 kg. Peili on tehty osista, jotka on puristettu muotin avulla oikeaan muotoon alun perin pölymäisestä piikarbidista.

Osat on liitetty yhteen erikoisliimalla, ja valmis peili hiottiin tarkalleen oikeaan muotoon Suomessa, Tuorlan Observatoriossa toimivassa Opteon Oy:ssä. Lopuksi peili aluminoitiin Espanjassa. Kyseessä on suurin koskaan avaruuteen lähetetty peili.

Herschelissä on kolme mittalaitetta, jotka tunnetaan lyhennenimillä PACS, SPIRE ja HIFI.

PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) ja SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver) ovat laitteita, jotka toimivat kameroina ja spektrometreina, eli ne ottavat valokuvia, mutta myös analysoivat tarkemmin valoa; ne kykenevät mittaamaan eri aallonpituuksilla laitteeseen tulevaa valoa lähes kuvapikseli kerrallaan ja määrittämään kuinka paljon kunkin aallonpituuksista valoa pikselissä on.

Tämän spektritiedon avulla tutkijat voivat päätellä paljon enemmän kohteen olemuksesta kuin vain pelkän kuvan perusteella, esimerkiksi määrittämään kohteen kemiallista koostumusta, liikkeitä ja magneettikenttää. PACS kattaa aallonpituusalueet 60-130 mikrometriä ja 130-210 mikrometriä. SPIRE puolestaan keskittyy tarkempaan havaitsemiseen pienemmillä aallonpituusalueilla, jotka on keskitetty 250, 350 ja 500 mikrometriin. HIFI on puolestaan hyvin tarkka spektrometri, jonka havaintoalue on hyvin kaukaisen infrapunan alueella, 157–212 mikrometrin ja 240–625 mikrometrin kohdilla.

Kaikkein alimpana Herschelissä on huoltomoduuli, joka pitää huolen asennonsäädöstä, suuntauksesta, tietoliikenteestä ja kaikesta muusta, minkä avulla Herschel pystyy toimimaan. Sen sisällä ovat tietokoneet, rakettimoottorit ja muut elintärkeät järjestelmät. Osa havaintotiedosta myös esikäsitellään ja pakataan tietokoneissa, jotta Maahan lähetettävän tiedon määrä olisi pienempi.

Herschel on yhteydessä Maahan pääasiassa ESAn Australiassa, Nova Norciassa Perthin luona sijaitsevan antennin kautta. Yhteysaika on noin kaksi tuntia vuorokaudessa.

Suomalaista osaamista Herschelissä

PEILI

Herschelin suuri peili on hiottu tarkalleen oikeaan muotoonsa Suomessa Opteon Oy:ssä, Turun luona Tuorlan Observatorioalueella. Alun perin Herschel on Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinto NASAn ja ESAn yhteishanke, missä peilin tekeminen oli amerikkalaisten vastuulla. Kun hiilikuidusta tehty koepeili osoittautui olennaisesti vaadittua huonommaksi, päätti ESA tehdä peilin itse.

Materiaaliksi valittiin piikarbidi, josta tehdyt koepeilit olivat osoittautuneet hyvälaatuisiksi. Suomalainen Opteon Oy oli kehittänyt osaltaan tekniikkaa, jota vaadittiin erittäin kovan piikarbidin pinnan tarkkaan hiomiseen. Niinpä Opteon sai tehtäväkseen 1,35-metriä halkaisijaltaan olleen koepeilin vuonna 1998, ja se täytti vaatimukset.

Varsinainen tilaus maailman suurimman avaruuspeilin hiomisesta tuli pian sen jälkeen, lopullinen peiliaihio lennätettiin Turkuun suurella Beluga-rahtikoneella vuonna 2004, ja kahdeksan kuukautta kestäneen hiomisen jälkeen peili oli valmis huhtikuussa 2005.

Opteon rakensi työtä varten rakennettiin uudet tilat ja erityisen kookas hiomakone. Äärimmäisen lyhytpolttovälisen parabolisen peilin asfäärisyys (poikkeama pallopinnasta) on ennätyksellisen suuri, minkä vuoksi oli kehitettävä myös uudet menetelmät ja laitteet peilin muodon mittaamiseksi.

OHJAUSOHJELMISTO

Space Systems Finland Oy on kehittänyt Herschel- ja Planck-satelliittien keskustietokoneyksiköiden sovellusohjelmiston, joka vastaa satelliitin useimpien toimintojen ohjauksesta ja valvonnasta, esimerkiksi vikojen havainnoinnista ja korjauksesta, lämmönsäätelystä ja resurssien hallinnasta. Ohjelmistolla on keskeinen merkitys kummankin avaruusaluksen toiminnan kannalta.

Ohjelmiston testaamista varten rakennettiin automatisoitu testausympäristö, joka mahdollisti jatkuvien testien tekemisen ympäri vuorokauden. Avaruusohjelmistoissa laatu ja virheettömyys ovat olennaisia, joten suurin osa ohjelmistojen tekemisestä kului testaamisessa sekä laadun varmistamisessa.

Projekti alkoi Space Systems Finlandissa vuonna 2003 ja valmistui kesällä 2008. Kaikkiaan 36 henkeä työllistävä Space Systems Finland on kriittisten ohjelmistojen valmistamiseen, testaukseen ja laadunvalvontaan erikoistunut ohjelmistotalo, joka on perustettu vuonna 1999.

KRYOSTAATIN HALLINTAYKSIKKÖ

Herschel-satelliitin kryostaatin hallintayksikön (Cryostat Control Unit, CCU) suunnittelusta ja valmistuksesta vastasi suomalainen Patria Oyj. Kryostaatin tehtävänä on ylläpitää infrapunateleskoopin havaintolaitteiden lämpötilaa mahdollisimman lähellä absoluuttista nollapistettä, ja sen lämpötilan tarkka hallinta on havaintojen tasalaatuisuuden kannalta erittäin tärkeää. Patria on kokenut avaruusalusten elektroniikan tekijä, ja sen tuotteita on useissa eurooppalaisissa tiedesatelliiteissa. Lisäksi Patria valmistaa mm. tietoliikennesatelliittien suurten aurinkopaneelien hiilikuituisia pohjarakenteita.

Herschel lyhyesti

Massa laukaisun aikaan: n. 3300 kg
Korkeus: 7,5 m
Halkaisija: 4,0 m
Pääpeilin halkaisija: 3,5 m
Suunniteltu elinaika: vähintään 3 vuotta
Laukaisupäivä: 6.5.2009
Kustannukset: n. 1000 miljoonaa euroa

Kryostaatti sisältää 2300 litraa nestemäistä heliumia

- Herschel ja Planck laukaistaan yhdessä Ariane 5 -kantoraketilla Ranskan Guyanassa sijaitsevasta Kouroun avaruuskeskuksesta
- Kyseessä on Euroopan kallein avaruustieteellinen laukaisu, sillä satelliittien yhteisarvo on noin 1,7 miljardia euroa
- Planck ja Herschel irtaantuvat kantoraketista noin 2,5 tunnin kuluttua laukaisun jälkeen. Herschelin matka määräpaikkaansa kiertoradalla Lagrangen pisteen 2 (noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta) ympärillä kestää noin kuusi kuukautta.

- Herschelin ja Planckin lennonjohto sijaitsee Euroopan avaruusoperaatiokeskuksessa ESOCissa, Darmstadtissa, Saksassa
-Laukaisun ja lennon alkuvaiheen aikana lennonjohdossa työskentelee 102 henkilöä. Normaalisti lennonjohdossa on 25 henkilöä
- Satelliiteissa on yhteensä 7000 hallittavaa laitetta tai järjestelmää, joissa voidaan säätää noin 45 000 erilaista parametria
- Lennon aikana satelliitteihin lähetetään vuorokaudessa 17000-25000 käskyä.

- Herschelin rakentamisesta on päävastuussa Thales Alenia Space -yhtiön ranskalainen osa Cannesissa
- Havaintolaiteosan on tehnyt eurooppalaisen Astrium-yhtiön saksalainen tytäryritys Astrium GmbH, joka sijaitsee Friedrichshafenissa
- Huolto-osan on valmistanut Thales Alenia Space -yhtiön italialainen osa Torinossa
- Herschelin projektipäällikkö on saksalainen Thomas Passvogel.