Wygląda jak orbitalna wyrzutnia rakiet, ale to Plato. Najdziwniejszy kosmiczny teleskop

Niedawno astronomowie opublikowali wyniki badań sugerujących, że istnienie w naszym układzie planetarnym jedynie stosunkowo niewielkich skalistych planet to konsekwencja szczególnych warunków, które zaistniały w dysku protoplanetarnym wokół powstającego miliardy lat temu Słońca. Uniemożliwiły one zbijanie się materii protoplanetarnej w większe struktury niż protoZiemia, protoMars itd.

To oczywiście wciąż teoria, która ma wyjaśniać dlaczego w innych układach obserwuje się dużo takich superZiemi, a u nas nie. Z badań wynika, że gdyby takie „sprzyjające” warunki się nie pojawiły, Mars mógłby być nawet dziesięć razy większy od tego, z którym mamy dziś do czynienia.

Dobrze byłoby wiedzieć, że Ziemia ma idealnego odpowiednika gdzieś w kosmosie

To dobrze, że Ziemia jest taka jaką jest. Owszem, gdyby była większa też mogłoby wyewoluować na niej życie dostosowane do zwiększonej grawitacji, ale wydaje się, że jej rozmiar i siła ciążenia z jaką mamy do czynienia są optymalne. Dlatego astronomowie nie ustają w poszukiwaniu planet podobnych do Ziemi, które na dodatek obiegają gwiazdy podobne własnościami do naszego Słońca w podobnej co Ziemia odległości. Gdyby na takiej planecie pojawiło się życie, to z dużym prawdopodobieństwem ewoluowałyby podobnie jak nasze.

Planety pozasłoneczne i ich układy. Różnorodność kombinacji wydaje się nie mieć granic

Mowa oczywiście o organizmach żywych, a nie cywilizacji człowieka, która wydaje się czasami zmierzać w bardzo złym kierunku.

Poszukiwanie ziemiopodobnych światów to ulubione wyzwanie współczesnej astronomii

O odkryciu takich drugich Ziemi astronomowie donosili już wielokrotnie. Jednak jedna jaskółka wiosny nie czyni, a im więcej potencjalnych kandydatek odkryjemy, tym lepiej. Dlatego ESA postanowiła w ramach obecnego programu badań Kosmiczna Wizja (Cosmic Vision) wdrożyć projekt serii satelitów, które wyposażone będą w obserwatoria przeznaczone nie tylko do wykrywania, ale też dokładnego charakteryzowania planet pozasłonecznych. Gazowych gigantów, planet lodowych, a w tym także tych podobnych do skalistych światów w Układzie Słonecznym.

Misje realizowane przez lub przy udziale ESA, które mają na celu badanie planet pozasłonecznych

Jednym z takich teleskopów jest Cheops, o którym wspominałem przy okazji spłaszczonej jak piłka do rugby planety WASP-103b. Pod koniec dekady w kosmos ma trafić teleskop Ariel (skrót od Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey), z zadaniem poznania chemicznych własności atmosfer co najmniej 1000 planet pozasłonecznych.

Jeden z modeli obserwatorium Plato w trakcie testów. Badana jest tu podatność szkieletu konstrukcji na odkształcenia

W międzyczasie, wedle planów w 2026 roku, w kosmos (dokładnie w okolice punktu L2, który staje się bardzo popularnym miejscem dla kosmicznych obserwatoriów) trafi Plato (ang. PLAnetary Transits and Oscillations of stars).

To bardzo ciekawe obserwatorium ze względu na wygląd, który przypomina kosmiczną wyrzutnię rakiet. Jednym z kluczowych celi obserwacyjnych są ziemiopodobne światy, choć każda planeta pozasłoneczna, która znajdzie się w polu widzenia Plato stanowi interesujący obiekt.

Nie jeden, a 26 teleskopów. Nie jedna matryca, a 104 sensory

Teleskop kosmiczny niezależnie od rozmiaru kojarzy się nam zwykle z urządzeniem, które ma jedno zwierciadło. Tak jest w przypadku Hubble’a, taki też jest Webb, takie były liczne wcześniejsze kosmiczne obserwatoria. Są jednak wyjątki, na przykład TESS, które wykorzystuje cztery mniejsze teleskopy umieszczone na pokładzie jednego satelity. Również wspominana przy okazji lokalnej bańki GAIA ma w praktyce układ podwójny. Jednak czegoś takiego jak to co zobaczymy w przypadku Plato, jeszcze nie było.

Siedemnaście z 26 teleskopów zintegrowanych na podstawie, która znajdzie się w obserwatorium Plato

Plato będzie, a w pewnym sensie już jest, bo jego budowa trwa, połączeniem 26 niewielkich teleskopów ze 120 mm średnicy aperturą. Każdy z teleskopów będzie miał do dyspozycji mozaikę 4 sensorów CCD o rozdzielczości 20 Mpix każdy (łącznie 80 Mpix). W sumie na pokładzie Plato znajdą się więc 104 sensory CCD, których łączna rozdzielczość sięgnie ponad 2 Gpix. Będą one pracować w temperaturze poniżej -65 stopni C, a łączna powierzchnia aktywna tych sensorów sięgnie 0,74 metra kwadratowego.

By lepiej to zobrazować, pojedynczy sensor CCD ma wymiary 8 x 8 cm, podobny jak klatka analogowego filmu średnioformatowego. Jeden piksel takiej matrycy, pomimo jej ogromnej rozdzielczości, ma rozmiar aż 18 um. Jego powierzchnia jest 4,6 raza większa niż piksela w pełnoklatkowym sensorze Sony A7S III, który ma 12 Mpix rozdzielczości. To także 100 razy większa powierzchnia niż piksela w sensorze głównego aparatu Samsung Galaxy S21 FE 5G, którego piksele mają rozmiar 1,8 um.

Jeśli więc pytaliście się kiedykolwiek, dlaczego w kosmos nie trafiają ogromnej rozdzielczości matryce, to macie już odpowiedź. Trafiają, Plato nie jest pierwszy, ale będzie absolutnym rekordzistą pod względem łącznej rozdzielczości. W porównaniu z ziemskim obserwatorium Very C. Rubin, które do dyspozycji ma ponad 3 Gpix układ sensorów, to wciąż bardzo dużo.

Dlaczego 26 niewielkich teleskopów zamiast jednego dużego?

No dobrze, ale po co 26 teleskopów z 80 Mpix aparatami każdy zamiast jednego z większym zwierciadłem, które jednocześnie miałoby do dyspozycji taką ponad 2 Gpix matrycę? Odpowiedź jest dość prosta.

Test pojedynczego teleskopu Plato. W tym przypadku nie jest to jeszcze model finalny, gdyż nie ma zintegrowanej ostatecznej optyki. Jednak dla pewnej kategorii testów nie jest konieczne budowanie już gotowego instrumentu

Skonstruowanie 26 mniejszych teleskopów jest łatwiejszym zadaniem niż jednego dużego. A dzięki możliwości łączenia danych obserwacyjnych z kilku teleskopów, możliwe jest podniesienie skuteczności pomiarów nawet przy niewielkim rozmiarze pojedynczego teleskopu. Oczywiście są tu minusy, dlatego Webb jak najbardziej ma sens, lecz przy typie obserwacji do jakich przeznaczono Plato, można je zaakceptować.

W przypadku Plato i obserwacji tranzytów planetarnych (przejście planety przed tarczą swojej gwiazdy), kluczowe jest uzyskanie jak najwyższego stosunku sygnał do szumu. Taki tranzyt wywoła bowiem spadek jasności macierzystej gwiazdy, który jeszcze niedawno dla obserwatorów byłby niczym więcej niż szumem i błędem obserwacji, który trzeba po prostu zignorować.

Obejrzyj w

Duża częstotliwość obserwacji. Zdjęcia co 25 sekund, a nawet częściej

Obserwacje będą także precyzyjne z innego powodu. Każdy z teleskopów będzie wykonywał obserwacje co 25 sekund. Dzięki temu nawet bardzo krótkie zjawiska tranzytów, powiązane z mało masywnymi planetami, nie powinny umknąć uwadze astronomów. Dwie kamery na pokładzie Plato będą działać jeszcze szybciej, bo wykonają kolejne zdjęcia co 2,5 sekundy. Przeznaczono je do obserwacji najjaśniejszych z wyznaczonych do badań gwiazd.

Tak częste obserwacje doprowadzą do powstania ogromnego strumienia danych, dlatego szykowana na tę okoliczność infrastruktura komunikacyjna wytrzyma codzienny transfer co najmniej 54 GB informacji na Ziemię. To i tak mają być jedynie najważniejsze wycinki obrazów, spora cześć danych będzie analizowana przez pokładowe komputery, a na Ziemię trafią już tylko liczby.

Plato skupi się na wybranych fragmentach nieba

Plato nie będzie teleskopem przeznaczonym do obserwacji dowolnych obiektów. Podobne funkcjonalnie obserwatorium NASA TESS, monitoruje sporą część nieba, poświęcając mniej czasu konkretnym systemom, a tym samym te mało masywne planety mogą umknąć jego uwadze.

Plato to z kolei instrument, który skoncentruje się na konkretnej grupie gwiazd, co najmniej 200 tysiącach, wokół których można spodziewać się istnienia małych planet. Oczywiście w tym przypadku nie tylko małe, ale również duże planety znajdą się w polu widzenia teleskopów, i o każdej z nich dowiemy się interesujących rzeczy. To jak duża będzie wykryta planeta zależy także od rozmiarów i mas gwiazd, a tym samym jasności, wokół których krążą. Plato w polu widzenia będzie miał nie tylko gwiazdy podobne do Słońca, ale nawet takie na późnych etapach ewolucji.

Misja Plato ma zaowocować nawet kilkudziesięcioma detekcjami planet podobnych do Ziemi na orbitach gwiazd podobnych do Słońca, które znajdują się w dogodnej do rozwoju życia strefie

Obecnie zakłada się, że misja potrwa co najmniej cztery lata. Projekt co roku przechodzi fazę oceny, w trakcie której ponad 100 ekspertów ocenia postęp nad pracami i przedstawia sugestie co do dalszych prac. Obecnie misja PLATO zaliczyła pozytywną ocenę na etapie tworzenia poszczególnych elementów, czyli teleskopów i konstrukcji nośnej, dla obserwatorium. W 2023 roku oceniana będzie już kompletna integracja całości, co będzie kluczowym momentem przed stworzeniem gotowego do startu pojazdu.

Źródło: ESA, inf. własna