Teleskop kosmiczny Euclid powoli ślepnie. Co to za problem?

Powiecie - no cóż, w kosmosie jest zimno, to na zwierciadłach i soczewkach może osadzić się lód. No tak, ale co dokładnie zamarzło i jak to wpływa na zdolności obserwacyjne teleskopu kosmicznego, który ma za zadanie rozwiązać problem ciemnej materii i energii? Oto cała historia.

Co złego może stać się z optyką w teleskopie kosmicznym?

Problemy z optyką w teleskopach kosmicznych można podzielić na dwie kategorie. Pierwsza związana jest z jej wadami, które powstały na etapie produkcji. Takim problemem mógł „pochwalić się” teleskop Hubble, któremu w 1993 r. trzeba było „założyć” specjalne okulary. Tylko wtedy możliwe okazało się wyraźne obserwowanie kosmosu.

Druga kategoria problemów to te związane z warunkami panującymi w kosmosie, które mogą prowadzić do odparowania wody znajdującej się w aparaturze, a potem jej osadzenia i zamarznięcia na elementach optycznych. Wbrew pozorom, takie same problemy mogą zdarzyć się i na Ziemi - w teleskopach, których niektóre elementy optyczne mają styczność z bardzo niskimi temperaturami. Gdy w otoczeniu pojawi się wilgoć, która osiądzie na optyce w dużym stopniu, możliwe jest jej zmrożenie i tymczasowe popsucie widzenia.

Teleskop Euclid tuż przed umieszczeniem w przestrzeni ładunkowej rakiety Falcon 9. (fot: ESA)

Jednak na Ziemi problem można rozwiązać nawet czekając jedynie na stopniową zmianę warunków w otoczeniu. Zaparowywanie soczewek w lornetce czy lunecie, przy przeniesieniu jej z pomieszczenia na dwór lub na odwrót, to problem znany amatorom obserwacji. A także użytkownikom takich sprzętów jak smartfony.

W kosmosie, gdy na zwierciadle osadzi się warstwa wilgoci, która przymarznie, sprawa jest bardziej kłopotliwa, choć ścieżka prowadząca do jej rozwiązania jest podobna jak na Ziemi.

Zamarzanie zwierciadła teleskopu Euclid przewidziano już wcześniej

Bruno Bras, który zajmuje się tematem w ESA przypomina problemy z lodem osadzającym się na zwierciadle teleskopu Gaia, który już zakończył pracę po tym jak w 2013 roku trafił na orbitę. Gdy teleskop Euclid (ma zwierciadło o średnicy około 1,2 metra) był konstruowany, zakładano że nie uda się usunąć całej wilgoci z wnętrza rakiety i teleskopu przed wyniesieniem aparatury na orbitę. Euclid znajduje się obecnie w odległości 1,5 miliona kilometrów od Ziemi w okolicach punktu L2, czyli w miejscu podobnym co dużo większy Webb. Ten drugi jednak ma inaczej skonstruowaną optykę, która nie jest narażona na problem, który dotyczy teleskopu Euclid.

Skoro po wyniesieniu Euclida w kosmos mogła na zwierciadle osadzić się wilgoć, która by potem zamarzła, podczas jego miesięcznej podróży do docelowego miejsca obserwacji w lipcu 2023 r., przez 96 godzin był on zwrócony w stronę Słońca. Oznacza to, że nie korpus teleskopu nie był chroniony wtedy przez osłonę przeciwsłoneczną, która ma stabilizować temperaturę urządzeń, a która jednocześnie pełni rolę panelu słonecznego zapewniającego energię.

Nawet takie elementy jak izolacja termiczna chłoną wilgoć. W przypadku misji Euclid, wielowarstwowe koce termiczne mogą zaabsorbować 1 procent swojej masy. (fot: ESA)

Jak to określił Mauricio Pontaluppi z ESA - Euclid musi odparować wszelką wilgoć, która może ostatecznie osiąść i zamarznąć na zwierciadłach teleskopu, zaburzając dziewiczy widok odległego kosmosu poza Drogą Mleczną.

Efekty zamarzania pary wodnej w układzie optycznym teleskopu Euclid przeanalizowano jeszcze na Ziemi, stosując modele optyki i wiedzę o własnościach tworzącego się lodu (para wodna może formować kilkanaście typów lodu), by zminimalizować ten efekt, o ile nastąpiłby on w przyszłości.

Andreas Rudolph, szef misji w ESA - większość innych misji kosmicznych nie ma tak ostrych wymagań pod względem stabilności termo-optycznej jak teleskop Euclid.

„Wygrzewanie” przyniosło spodziewane efekty, jednak okazało się nie wystarczające w dłuższej perspektywie czasu. W przypadku amatorskich obserwacji kosmosu problem byłby pewnie zbagatelizowany, a nawet niezauważony. Jednak Euclid ma wykonać precyzyjne pomiary położenia i kształtu galaktyk. Tu nawet pomyłka rzędu piksela w odwzorowaniu obrazu może mieć dramatyczny wpływ na późniejsze wnioski.

Teleskop kosmiczny Euclid widzi coraz gorzej

Konstrukcja zwierciadeł zastosowanych w teleskopie Euclid wykonano z węgliku krzemu, czyli bardzo twardego materiału, który gwarantuje sztywność i minimalne deformacje pod wpływem dużych zmian temperatury. Jednak sama wytrzymałość zwierciadeł to nie wszystko. Na przestrzeni miesięcy obserwacji teleskopem Euclid, astronomowie zauważyli stopniowe pogarszanie się jakości uzyskiwanych obrazów.

Główne zwierciadło Euclid to tylko jeden z wielu elementów optycznych, które mogły zamarznąć na orbicie. (fot: ESA)

Jest ono wynikiem stopniowego osadzania się wilgoci, która w trakcie pracy teleskopu jest uwalniana z powierzchni innych elementów teleskopu, a potem styka się z zimną warstwą zwierciadła głównego oraz innych elementów optycznych i zamarza, tworząc bardzo cienką - o grubości porównywalnej z wstęgą DNA - warstwę lodu. By uzyskać ten wniosek, porównano obecne i wcześniejsze obserwacje tych samych obiektów, które nie zmieniają jasności w czasie porównywalnym z czasem pracy teleskopu Euclid.

Kontrola misji teleskopu Kosmicznego Euclid wciąż nie ma pewności, który element optyczny sprawia najwięcej problemów. Dlatego misja ratunkowa będzie złożonym przedsięwzięciem.

Astronomowie mogą co prawda skorygować pomiary, uwzględniając wspomnianą warstwę lodu, tak, by nie zafałszowała ona rezultatów, ale ignorowanie problemu prowadzić będzie ostatecznie do dalszej degradacji jakości widzenia. A w efekcie stopniowego ślepnięcia teleskopu.

Jak poprawić widzenie teleskopu Euclid? To pierwsza taka operacja

Na Ziemi rozwiązanie jest proste. Wystarczy podgrzać stopniowo otoczenie, a warstwa lodu czy też osadzona para wodna odparuje. Gdy przenosimy sprzęt optyczny do zimnego otoczenia, stosuje się też technikę wychładzania, czyli odczekania, zanim zaczniemy obserwacje.

Co można zrobić w kosmosie? ESA przygotowała plan, który pozwoli na usunięcie warstwy lodu bez negatywnego wpływu na już skalibrowany system optyczny. W ogólności chodzi o stopniowe podgrzewanie poszczególnych elementów teleskopu, które zlokalizowane są blisko optyki, by doprowadzić do sublimacji lodu. Podgrzewanie będzie przeprowadzane stopniowo i nie da się ukryć, że to pierwsza tego typu operacja w ramach misji Euclid.

Zmianę temperatury wewątrz teleskopu kosmicznego Euclid umożliwiają wewnętrzne podgrzewacze. Włączając je kolejno na kilka dni, można stopniowo podnosić temperaturę otoczenia z -140 stopni Celsjusza do komfortowych nawet dla człowieka -3 stopni Celsjusza.

Jeśli operacja się powiedzie, to będzie to sukces, ale z pewnością nie ostateczny. W przyszłości odladzanie zwierciadła może być konieczne ponownie, jednak dzięki wypracowanej strategii nie będzie tak stresujące jak obecnie. Bo nie każdy komponent teleskopu jest w tym samym stopniu odporny na zmiany temperatury.

Jeśli dojdzie do rozregulowania się układu optycznego w wyniku ponownego wygrzewania, konieczne będzie ponowne kalibrowanie teleskopu Euclid. Ma on przed sobą jeszcze ponad pięć lat głównej misji, należy więc życzyć drużynie Euclid powodzenia.

Źródło: ESA, inf. własna