Túl a Neptunuszon

A Herschel űrtávcső „TNOs are Cool!” kulcsprogramja a Neptunuszon túli égitestek fizikai tulajdonságainak feltérképezésére

A 2010-es évek első felének egyik legfontosabb űrcsillagászati küldetése az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) Herschel űrtávcső programja volt. A Herschel űrtávcső az infravörös és szubmilliméteres tartományban működött, olyan hullámhosszokon, amelyek a Földről a légkör átlátszatlansága miatt nem érhetőek el. Ezeken a hullámhosszokon hideg – néhány száz Kelvin hőmérsékletű vagy annál hidegebb – égitestek hősugárzását látjuk. Ilyen hőmérséklete nemcsak a távoli galaxisok és a Tejútrendszer csillagközi anyagának vagy a fiatal, keletkezőben lévő csillagok körüli korongokban található pornak van, hanem a Naprendszer külső vidékén, a Kuiper-övben keringő kisbolygóknak is.

A 2010-es években már több mint ezer ilyen kisbolygót ismertünk, de fizikai tulajdonságaikra nagy távolságuk és haloványságuk miatt pusztán a látható fény tartományában végzett mérésekből nagyon ritkán tudunk következtetni. A legalapvetőbb tulajdonságok, mint pl. a méret vagy a felszín fényvisszaverő képessége (albedo) meghatározásához egyéb módszereket kell segítségül hívnunk. Az egyik leghatékonyabb módszer az égitest hősugárzásának a megfigyelése, amiből a méret és az albedo mellett a felszín egyéb tulajdonságaira, pl. a hőtehetetlenségére, kráterezettségére, a felszínt borító anyagok szerkezetére is következtetni tudunk.

Ezzel a céllal indult el a Herschel űrtávcső egyik legnagyobb kulcsprogramja, a „TNOs are Cool!” (a TNO az angol „trans-Neptunian object” – ’Neptunuszon túli égitest’ rövidítése, a „cool” pedig szójáték: az angolban egyaránt jelent ’hűvös’-et, utalva ezen égitestek alacsony felszíni hőmérsékletére, és ’menő’-t is). A programban 2013 végéig 140 Neptunuszon túli kisbolygó hősugárzását mérte meg sikeresen a Herschel, amivel a Neptunuszon túli égitestek tulajdonságainak egyedülálló adatbázisát sikerült létrehozni.

A „TNOs are Cool!” program eredményei szerint a Kuiper-öv égitesteinek felszínét is jellemzően finom por (a Holdról vett analógiával „regolit”) borítja, szemben a korábbi várakozásokkal, amelyek az óriásbolygók holdjai alapján kompakt, jeges felszíneket vártak.

A „TNOs are Cool!” program mérései alapján két jól elkülönülő csoportot lehetett azonosítani a Neptunuszon túli vidéken: szürke és sötét, valamint vörös és világos felszínű kisbolygókat. Azokban az égitestcsoportokban (populációkban), amelyek csak olyan égitesteket tartalmaznak, amelyek távol, mintegy 40 CSE-re (CSE: csillagászati egység, azaz a Nap és a Föld közepes távolsága) vagy annál távolabb keletkeztek a Naptól, csak vörös és világos felszínű égitestek találhatóak. Azokban a populációkban, amelyek vegyesen tartalmaznak a Naphoz közelebb és távolabb keletkezett égitesteket, szürke-sötét és vörös-világos felszínek egyaránt előfordulnak. Ebből arra következtethetünk, hogy a keletkezésükkor létezett egy különbség a Naphoz kb. 20 CSE-nél közelebbi (szürke-sötét) és távolabbi (vörös-világos) felszínek között a korai Naprendszerben. Annak megválaszolása, hogy milyen kémiai folyamat hozhatta létre ezt a különbséget, a Neptunuszon túli vidék kutatásának egyik legfontosabb kérdése napjainkban.

A Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Csillagászati Intézetében (CSFK CSI) működő Herschel-csoport és a Naprendszer-kutató csoportok nagyon fontos szerepet játszottak a program sikerében, ugyanis a tudományos részvétel mellett itt fejlesztették ki a program adatkiértékelő környezetét. Az ezzel feldolgozott adatok több mint húsz szakfolyóiratokban megjelent cikk alapjául szolgáltak a Neptunuszon túli égitestek témájában, de ezt a kiértékelő környezetet alkalmazták más kisbolygók Herschel-méréseire is.

Ilyen volt pl. az egyik legveszélyesebb földsúroló kisbolygó, az Apophis mérése, amellyel pontosítani lehetett a kisbolygó méretét és ezáltal a tömegét, ami mintegy háromszor akkorának adódott, mint ahogy korábban sejtették. Ennek nagy jelentősége van az Apophis pályájának korrekt meghatározásában, és a Földbe való esetleges becsapódása valószínűségének kiszámításában. Ugyancsak fontos adatokat kaptak a planetológusok a Herschel űrtávcső méréseiből a Bennu és Ryugu kisbolygókra, amelyeket az OSIRIS-REx és a Hayabusa–2 űrszondák látogattak meg a közelmúltban, és onnan felszíni anyagmintát fognak majd visszajuttatni a Földre. A Herschel-mérések segítettek meghatározni forgástengelyük irányát, aminek nagy jelentősége volt az elsődleges navigációban az égitest körüli pályára állás előtt.

Az így feldolgozott mérések mindenki számára elérhetőek a Herschel űrtávcső archívumában. A földsúroló kisbolygók és a Neptunuszon túli égitestek esetében ezek szolgáltatják a jelenleg elérhető és tudományos kutatásra felhasználható adattermékeket.

PACS

A PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) egyike volt a Herschel űrtávcső három tudományos berendezésének a SPIRE szubmilliméteres (kb. 200-600 µm) detektor és a HIFI nagy felbontású távoli infravörös spektrométer mellett. A PACS-ot általános felhasználásúra tervezték a 60–210 µm-es hullámhossztartományra, így tartalmazott egy fotometriai képalkotó egységet („kamera”), valamint egy leképező spektrométert is. A PACS fotométer két párhuzamosan működő, egy rövidebb („kék”, 70, illetve 100 µm), illetve egy hosszabb („vörös”, kb. 160 µm) hullámhosszakon érzékeny detektormátrixból állt. A fotométerbe való belépés után a fényt azonnal kétfelé osztották a két detektor számára, így a két különböző hullámhosszon a detektorok mindig párhuzamosan látták ugyanazt az égterületet. A PACS spektrométer két szintén egyidejűleg működő csatornával az 51–105 µm-es, illetve a 102–220 µm-es tartományt fedte le. Látómezeje 47”×47” volt, ami egyedülálló módon 5×5 pixelre képeződött le, térbeli információt is nyújtva a spektrumok mellett.

A CSFK Csillagászati Intézetében működő Herschel-csoport 2004-től vett részt a PACS műszer fejlesztésének támogatásában, tesztelésében, kalibrációjában, az aktív fázisban pedig az üzemeltetésében, repülés közbeni kalibrációjában és a beérkező adatok minőség-ellenőrzésében. A fejlesztési fázisban a csoport feladatai közé tartozott pl. a PACS bolométerek hűtési ciklusának tesztelése, a kalibrátorforrások viselkedésének ellenőrzése, a különböző mérési módok logikáinak tesztelése és validálása.

A csoport egyik legjelentősebb hozzájárulása a Herschel küldetéséhez az HSPOT méréstervező alkalmazás konfúziószaj-becslő moduljának (Herschel Confusion Noise Estimator, HCNE) megvalósítása volt. A konfúziós zaj a források fényességének bizonytalansága az égi háttér (pl. távoli galaxisok összeadódó fénye vagy a Tejútrendszer csillagközi anyagának szerkezete) miatt. Ez az infravörös mérések egyik legfontosabb jellemzője – a konfúziós zajból származó maximális elérhető pontosságot végtelenül hosszú integrációs idővel sem lehet túlszárnyalni. A HCNE esetében mind a tudományos háttér kidolgozása, mind a gyakorlati megvalósítása és a HSPOT-ba történő beépítése a CSFK CSI-ben működő csoport feladata volt.

Ugyancsak ez a csoport kapott megbízást az ESA-tól a PACS pontforrás-katalógusának elkészítésére, amelyben az összes, a PACS-kamera által készített térképen azonosították és katalogizálták a pontforrásokat, a három sávban összesen mintegy félmilliót. A csoport jelentős mértékben hozzájárult a SPIRE műszer hasonló pontforrás-katalógusának elkészítéséhez is. Ez a két pontforrás-katalógus a Herschel űrtávcső program talán legfontosabb tudományos öröksége; a bennük szereplő források adatai még évtizedekig egyediek és megismételhetetlenek maradnak, és hosszú ideig fognak az infravörös csillagászatban dolgozó kutatók munkájának alapjául szolgálni.

Kiss Csaba

---

A Naprendszer kutatása a NASA Kepler űrtávcsövével

A Kepler a NASA 600 millió dolláros űreszköze, mely forradalmasította a távoli csillagok körül keringő bolygókról (exobolygókról) és bolygórendszerekről alkotott képünket. Működését 2009-ben kezdte, és az első négy évében mintegy 160 000 csillag fényességét mérte egy rögzített területen, apró elhalványodások után kutatva. Ezek az elhalványodások bolygók jelenlétére utalhatnak az adott csillag körül. Mintegy 2300 exobolygót és további több ezer bolygójelöltet fedezett fel, az exobolygó-felfedezések több mint fele a Keplerhez fűződik.

Technikai problémák miatt azonban az űreszköz 2013-ban már nem tudta tovább figyelni a kijelölt területet. A NASA mérnökei felhívást tettek közzé, amelyben javaslatokat vártak az űrtávcső jövőbeli működési módjaival kapcsolatban. A Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Csillagászati Intézet kutatói speciális megfigyelési eljárást dolgoztak ki naprendszerbeli égitestek megfigyelésére. Végül olyan megoldás született, hogy az űrtávcső a Naprendszer síkja mentén rövidebb, kb. 80 napos megfigyelési kampányokat fog folytatni, amihez tökéletesen illeszkedett a magyar javaslat is. Így a következő években a K2-nek nevezett küldetésben más megfigyelési programok mellett a Naprendszer égitesteit is mérte a Kepler: távcsővégre kerültek főövi, trójai és Neptunuszon túli kisbolygók, törpebolygók, üstökösök, a Szaturnusz, az Uránusz, a Neptunusz és holdjaik is.

Miért jó űrtávcsövekkel naprendszerbeli kis égitesteket megfigyelni? A gömbtől eltérő alakú és különböző fényvisszaverési tulajdonságokkal rendelkező felszíni alakzatok miatt az objektumok által mutatott fényváltozásokból kinyerhető az égitestek forgási periódusa, ami a keletkezési történetükről ad hírt. Ehhez azonban folyamatos megfigyelések kellenek, ami csak az űrből lehetséges. Az intézet kutatói számos kisbolygó forgását és alakját megmérték. Kiderült, hogy sok égitest forgási periódusa hosszabb, mint korábban gondoltuk. Egy Neptunuszon túli kisbolygónak (2007 OR₁₀) a K2-adatok alapján fedezték fel a holdját a Hubble-űrtávcső segítségével, sőt egy új Neptunuszon túli kisbolygót is felfedeztek a K2-vel, amely az (506121) 2016 BP₈₁ ideiglenes jelölést kapta. Bátran mondhatjuk, hogy a Naprendszer égitesteinek kutatása a Keplerrel magyar specialitás lett.

Az asztrofizikában és az űrkutatásban számos területet forradalmasító Kepler 2018. november 15-én végleg befejezte működését. A felhalmozott tudást és szakértelmet a NASA csaknem az egész égboltot monitorozó TESS űrtávcső küldetésében kamatoztatja.

Kiss Csaba