Jak widzi niebo i gwiazdy poszukiwacz planet - teleskop kosmiczny TESS

Pewnie niejednokrotnie zachwycaliście się pięknymi zdjęciami głębokiego Kosmosu i zastanawiacie się jak wyglądają surowe obrazy, które rejestrują kosmiczne obserwatoria. Szczególnie w kontekście atrakcyjnych wizji pozasłonecznych planet. I o ile obrazy rozciągłych obiektów jak mgławice i galaktyki, a nawet kolorowych pól gwiazd, stosunkowo szybko doprowadzimy do zapierającej dech w piersi formy gdy mamy odpowiednie informacje barwne, to w przypadku poszukiwań planet sprawa ma się zgoła inaczej.

Tak, "Filary stworzenia" to bardzo ładny widok, ale na ekranie komputera do akwizycji danych z teleskopu w centrum kontrolnym zobaczycie go co najwyżej jako tło pulpitu.

Poszukiwanie planet to na pierwszy rzut oka mało romantyczna przygoda

Pisałem już o tym, że istnieją możliwości i szanse na obrazowanie planet krążących wokół odległych gwiazd. W dalszej przyszłości być może dostrzeżemy nawet nie tylko plamki, ale i szczegóły podobnie jak widzi to amator obserwując przez swój teleskop Marsa, Jowisza czy Saturna. Dziś sukcesem jest odseparowanie planety od obrazu gwiazdy. Uzyskiwane w trakcie normalnych obserwacji obrazy są dalece mniej atrakcyjne, nawet jeśli widać na nich zarysy struktur o dużych rozmiarach kątowych.

Mniej atrakcyjne, co nie oznacza, że nie kryje się w tych obrazach informacja, którą naukowcy przekują na atrakcyjne dla miłośnika kosmosu treści. Lecz musimy zdawać sobie sprawę z faktu, że surowy obraz z teleskopu kosmicznego TESS na którym widać gwiazdy, bo planet na pewno nie widać, dla laika okaże się dość nudny.

Tak gwiazdy wyglądają na obrazach z TESS

Wygląda on tak jak na pierwszych przesłanych przez TESS obrazach. Dla przypomnienia, TESS czyli Transiting Exoplanet Survey Satellite, to orbitujące wokół Ziemi obserwatorium kosmiczne, którego celem jest poszukiwanie planet wokół odległych gwiazd. Odległych od Układu Słonecznego, ale znacznie bliższych (do kilkuset lat świetlnych) niż te, którymi raczyło nas obserwatorium Kepler (zasięg kilku tysięcy lat świetlnych). To ostatnie jak wiemy rozpoczęło kolejną fazę obserwacji, ale już jest blisko wyczerpania zapasów paliwa.

Obraz, który przesłało TESS to tak zwane pierwsze pełne światło, czyli pierwsze obserwacje wykonane wszystkimi kamerami gotowego do pracy teleskopu. Zdjęcie tworzą obrazy z czterech detektorów, którymi dysponuje TESS. Widzimy na nich pola obfite w gwiazdy, które są tutaj niczym więcej niż jasnymi kropkami. I to właśnie z analizy sygnału, który tworzy te kropki astronomowie są w stanie wyciągnąć informację o ewentualnych planetach.

Obraz z pojedynczego aparatu TESS, z mozaiką czterech CCD - czarne paski to technologiczne przerwy pomiędzy sensorami

Sygnał (czyli jasność gwiazdy) jest minimalnie osłabiany gdy potencjalna planeta przesuwa się przed tarczą gwiazdy (to tak zwane zjawisko tranzytu). Ludzkie oko na obrazach z TESS nie dojrzy zmian, ale dla oprogramowania są one wystarczająco silne. I tak w ten mało romantyczny sposób dostajemy listę gwiazd kandydatek, które mogą mieć własne układy planetarne.

Pierwszy naukowy obraz z obserwatorium TESS

Obraz o efektywnym czasie naświetlania 30 minut wykonano kierując kamery TESS w pobliże południowego bieguna nieba. Oprócz gwiazd możemy tu też dojrzeć (mocno prześwietlone) obrazy Wielkiego i Małego Obłoku Magellania, nieregularnych skupisk gwiazd bliskich (ale nie najbliższych) Galaktyce. Swoją obecnośc zaznacza też kulista gromada gwiazd 47 Tucanae (gwiazdozbiór Tukana), w której znajdują się miliony starych gwiazd, a która znajduje się na obrzeżach Galaktyki.

Na niebie widzimy ją w pobliżu Małego Obłoku Magellana, ale to tylko konsekwencja podobnego kierunku obserwacji. Te trzy obiekty to bardzo częste cele obserwacyjne dla astronomów (również tych z Polski), którzy obserwują na południowej półkuli Ziemi.

Na „zdjęciach” widać też jasno świecące gwiazdy R Doradus (olbrzym w gwiazdozbiorze Ryby Latającej) oraz Beta Gruis (olbrzym w gwiazdozbiorze Żyrafy). Choć TESS ma zająć się obserwacjami jasnych gwiazd w porównaniu z Keplerem, te giganty są nadal zbyt jasne. Sygnał akumulowany w pikselach jest tak silny, że rozlewa się na sąsiednie piksele. Tworzy się charakterystyczna dla technologii CCD (tego typu sensory wykorzystuje TESS) jasna pionowa kolumna. Ten sygnał jest bezużyteczny, podobnie jak obrazy gwiazd, które niestety znajdują się na tej „chwilowo zepsutej” kolumnie.

Obrazy jak zauważyliście są monochromatyczne, ale dla poszukiwań planet nie trzeba nic więcej. TESS widzi światło w zakresie od 600 do 1000 nm, czyli tę czerwoną cześć widma.

TESS niczym kosmiczny cyfrowy kompakt

Gdy przyjrzymy się konstrukcji każdej z kamer sondy TESS szybko zauważymy związek z urządzeniami, z których korzystamyt na co dzień. Tak, TESS to w dużym przybliżeniu kosmiczna cyfrówka z czterema obiektywami. A raczej kompakt, biorąc pod uwagę na stałe podłączone do sensorów (mozaika 4 układów o rozdzielczości 16,8 Mpix, piksel o rozmiarze 15 um) obiektywy (o świetle f/1,4). Sensory są chłodzone do -75 stopni C (z wariacjami rzędu dziesiątych stopnia C) dla minimalizacji szumów. Charakterystycznym elementem TESS są cztery ogromne osłony, które założono na każdy z obiektywów.

Instalacja jednej z czterech kamer (aparatów) - składają się one z modułu elektroniki, układu optycznego (obiektywu) i równie dużej jak pozostała część osłony

Ciekawostka: TESS wykorzystuje już sprawdzoną platformę LEOStar-2, którą wykorzystano wcześniej jako podstawę innych teleskopów kosmicznych, w tym NuSTAR (obserwacje rentgenowskie) czy GALEX (obserwacje w ultrafiolecie).

Kamery TESS widzą szeroko

Warto też zwrócić uwagę na fakt, że pole widzenia pojedynczego sensora TESS jest spore jak na standardy obserwacji nieba. Ma wymiary 12 x 12 stopni kątowych, a cała pojedyncza kamera 24 x 24 stopnie (cztery sensory). Oznbacza to, że w polu widzenia każdej z czterech kamer TESS zmieściłoby się ponad 2000 tarcz Księżyca w pełni (i to zakładając, że jest on kwadratowy) lub cały gwiazdozbiór Oriona. Kierunki widzenia czterech kamer zorientowano tak by pokrywały wycinek nieba o wymiarach 24 x 96 stopni kątowych.

Osłony czterech kamer TESS 

Mówiąc inaczej, detale na powierzchni Księżyca nie wyglądałyby zbyt emocjonująco na obrazach z TESS (byłby okrągłą tarczą o średnicy jedynie około 90 pikseli), o ile w ogóle możliwe byłoby wykonanie nieprześwietlonych zdjęć.

Powiekszony obraz Księżyca taki jakim widziałyby go obiektywy TESS

Poniżej widzimy sensory CCD stosowane w kamerach TESS w postaci wafla - takich układów nie zamawia sie pojedynczo, a całymi waflami, gdyż potem trzeba wybrać te układy, które mają najlepsze parametry (na zdjęciu George Ricker, główny naukowiec projektu). Zauważcie że układy są prostokątne, ale tylko połowa powierzchni służy jako element światłoczuły, reszta stanowi bufor dla bardzo szybkiego odczytu danych. TESS stosuje różne techniki łączenia obrazów (idee tu stosowane znajdują później zastosowanie na przykład w smartfonowych aparatach), dlatego odczyt zawartości matrycy w ciągu 4 ms jest wskazany.

TESS ma szerokie pole widzenia nie bez powodu. Celem tego teleskopu jest obserwacja nie tylko wybranych pól na niebie. W ciągu dwóch lat TESS dokona przeglądu prawie całego nieba (około 90%), które podzielono na 26 sektorów. Każdy z nich TESS będzie obserwować przez minimum 27 dni, rejestrując stale obrazy około 20 milionów obiektów przy efektywnym czasie naświetlania 30 minut. Dodatkowo wybrane 200 tysięcy gwiazd będzie monitorowane w interwałach 2 minutowych. Technika łączenia obrazów pozwala na jednoczesne wykonywanie ujęć o różnych efektywnych czasach ekspozycji.

Tak duża liczba danych pozwoli na równoległe prowadzenie także innych projektów obserwacyjnych, w tym badań astrosejsmologicznych, czyli obserwacji oscylacji w gwiazdach, które manifestują się w postaci charakterystycznych zmian jasności. Gwiazdy w których takie zmiany mają dużą amplitudę określa się mianem gwiazd zmiennych. W tej dziedzinie duże doświadczenie mają polscy astronomowie.

Surowe obrazy uzyskiwane przez ziemskie teleskopy są podobne

Tekst tyczy się TESS, które znajduje się w Kosmosie, ale również obrazy uzyskiwane przez ziemskie teleskopy w przypadku obserwacji gęstych pól gwiazdowych i małym polu widzenia mogą być podobnie nieromantyczne. W czasach technologii cyfrowych obserwacje pojedynczych gwiazd i ich ciekawych konfiguracji nie jest tym co emocjonuje zawodowych astronomów. Jednak wystarczy odrobina wyobraźni, by poczuć te same emocje co dawni obserwatorzy, a nawet rozmażyć się o odległych światach.

Zresztą cyfrowy świat to także liczne cyfrowe wyzwania, których pokonywanie również jest emocjonujące.

Sonda Parker Solar Probe też przesłała pierwsze obrazy

Do obserwacji w tym samym czasie, podobnie jak TESS, sposobi się też Parker Solar Probe. Sonda, która ma zbadać nasze Słońce z „bliska”, o której już sporo wiecie. Jej pierwsze światło wygląda trochę inaczej niż obrazy z TESS, ale też przeznaczenie kamer wizualnych Parker Solar Probe (jedna ma pole widzenia 40 stopni, druga 58 stopni) będzie inne. Co prawda, będzie to tez gwiazda, ale tym razem obserwowana z tak bliska jak to możliwe przy obecnej technologii.

Na razie kamery skierowane są z dala od tarczy słonecznej

Ponieważ jedną z kamer Parker Solar Probe skierowano w kierunku dysku Galaktyki, obraz jest całkiem atrakcyjny, ale tak szerokie pole widzenia spotykane jest w obserwacjach astronomicznych rzadko, zwykle są to dużo węższe wycinki nieba. 

Źródło: NASA, inf. własna