CHEOPS (družica)

Kozmické observatórium CHEOPS (z angličtiny CHaracterising ExOPlanets Satellite) je prvý teleskop, ktorý sa zameriava na analýzu astronomických prechodov využitím fotometrie s vysokou presnosťou na pozorovanie najjasnejších hviezd nočnej oblohy, u ktorých je potvrdená prítomnosť exoplanét. Hlavnou úlohou teleskopu patriacemu do programu "Cosmic Vision" Európskej vesmírnej agentúry bude meranie priemernej hustoty Superzemí a Minineptúnov s bezprecedentnou úrovňou detailu. Jeho pozorovania umožnia stanoviť vzťah medzi hmotnosťou a rozmerom planét a určiť hranicu, ktorá delí terestriálne planéty od plynných obrov.
Tento projekt bol vybraný spomedzi dvadsiatich šiestich kandidátov v piatok 19. októbra 2012 a k dispozícii bude mať rozpočet v hodnote 50 miliónov eur. Štart bol plánovaný na záver roku 2017, ale vzhľadom na rôzne okolnosti bolo jeho vyslanie do vesmíru odložené na záver roka 2019 na palube rakety Sojuz. Vzhľadom na niekoľko zdržaní oznámených spoločnosťou Arianespace, zodpovednou za vypustenie rakety, bol štart plánovaný na 17. december o 9:54 (CET) z Guyanského strediska pre vesmír v Kourou vo Francúzskej Guyane. Po ďalšom odložení z dôvodu zistených problémov s raketou Soyuz počas jednej zo softérových kontrol hodinu a dvadsaťpäť minút pred odletom, kvôli ktorým sa štart posunul o 24 hodín, družica úspešne odštartovala o 9:54 (CET) 18. decembra 2019.
Opis.
Rovnako ako družica Kepler bude CHEOPS pozorovať astronomické prechody a zbierať informácie, keď zo svojej perspektívy zachytí planetárne teleso prechádzajúce popred materskú hviezdu. Avšak zatiaľ čo Kepler pozoruje 150 000 hviezd v pátraní po nových planétach, CHEOPS sa zameria na každú hviezdu samostatne a na už známe exoplanéty. Dokáže sa nasmerovať na prakticky ktorúkoľvek časť oblohy a na odmeranie presných rozmerov planetárnych telies známej hmotnosti medzi 1 až 20 M⊕ využije fotometriu s vysokou presnosťou. Týmto spôsobom bude schopný zistiť ich vnútorné zloženie, poskytnúť relevantné informácie o ich vzniku a stanoviť hlavné ciele budúcej generácie pozemských a orbitálnych teleskopov.
CHEOPS bude prvou zo série malých misií Vedeckého programu Európskej vesmírnej agentúry, ktorá sa bude skladať z vysokošpecializovaných rýchlo vyvinutých družíc určených na podporu pri úlohách vykonávaných väčšími projektmi. 19. októbra 2012 bola vybratá spomedzi dvadsiatich šiestich návrhov a o osemnásť mesiacov neskôr, vo februári 2014, bola zahrnutá do Vedeckého programu. Misia prebieha v spolupráci s Bernskou univerzitou, Švajčiarskym vesmírnym úradom (SSO) a oddelením švajčiarskej Agentúry pre vzdelávanie, výskum a inovácie (SERI). Na projekte spolupracuje celkovo 11 členských štátov ESA, ktoré majú zastúpenie vo Vedeckom programe CHEOPS. Družica bude postavená v Španielsku spoločnosťou Airbus Defence and Space.
Vlastnosti.
Družica má tvar pravidelného šesťuholníka s rozmermi približne 1,5 metra na dĺžku, šírku a výšku. Jej základom je platforma SeoSat. Teleskop, vyvinutý Bernskou univerzitou, je vybavený teleskopom so systémom Ritchey-Chrétien stredných rozmerov s 30 centimetrovou apertúrou a dĺžkou 1,2 metra a je umiestnený na pevnej optickej lavici. CCD snímač družice CHEOPS bude pracovať vo viditeľných vlnových dĺžkach medzi 400 a 1100 nm, s citlivosťou schopnou zachytiť exoplanétu veľkosti podobnej Zemi obiehajúcej okolo hviezdy s 0,9 M☉ na 60-dňovej obežnej dráhe.
Solárne panely umiestnené na slnečnom štíte, ktorý bude chrániť kryt chladiča a detektor pred slnečným žiarením, budú poskytovať stály výkon 64 W na udržiavanie chodu činností a umožnia sťahovanie 1,2 Gb dát denne. Družica bude navyše vybavená batériou na uskladnenie prebytočnej energie a zaistenie chodu aj počas zatmení.
CHEOPS bude vykonávať pozorovania v nízkej vzdialenosti od povrchu, vo výške 650 až 800 km, a bude obiehať Zem na heliosynchrónnej obežnej dráhe so sklonom 98º. Životnosť projektu je tri a pol roka a bude mať k dispozícii rozpočet 50 miliónov eur.
Systém riadenia polohy a obežnej dráhy (AOCS).
CHEOPS má 3 osový stabilizovaný systém riadenia polohy s uzamknutým podnožníkom, čím sa zaistí, že jedna z osí družice bude vždy namierená na Zem. Počas každého obehu sa družica bude otáčať pomaly okolo zorného poľa teleskopu na udržanie chladiča ohniskovej roviny nasmerovaného k chladnému vesmíru, čím umožní pasívne chladenie detektora. Priemerná dĺžka pozorovania bude 48 hodín. Počas typického 48-hodinového pozorovania bude mať CHEOPS stabilitu nasmerovania lepšiu ako 8 uhlových sekúnd so spoľahlivosťou 95%.
Prístrojový systém CHEOPS (CIS).
Detektor, podporná elektronika, ďalekohľad, optika zadnej časti, prístrojové počítače a hardware teplotnej regulácie sa spolu nazývajú Prístrojový systém CHEOPS (CHEOPS Instrument System (CIS)). Požadovaná fotometrická presnosť sa dosiahne pomocou podsvieteného CCD detektora s prenosom snímok od spoločnosti Teledyne e2v s rozlíšením 1024 x 1024 px a rozstupom obrazových bodov 13 µm. CCD detektor je umiestnený na ohniskovej rovine teleskopu a je pasívne chladený pri 233 K (−40° C; −40° F), s teplotnou stabilitou 10 mK.
Platne.
Na CHEOPS boli pripevnené dve titánové platne s tisíckami miniaturizovaných detských kresieb. Každá platňa meria takmer 18 x 24 cm (7,1 x 9,4 palca). Tieto platne boli vytvorené tímom z Bernskej univerzity aplikovaných vied a boli predstavené na špeciálnej ceremónii v sídle švajčiarskej spoločnosti RUAG 27. augusta 2018.
Ciele.
Hlavným cieľom misie CHEOPS je študovať štruktúru exoplanét menších ako Saturn, s hmotnosťou medzi 1 a 20 M⊕, ktoré obiehajú okolo najjasnejších hviezd nočnej oblohy, a je u nich potvrdená prítomnosť planét. Po presnom určení hmotnosti a rozmerov štatisticky významnej vzorky bude možné stanoviť štrukturálne obmedzenia pre exoplanéty a taktiež rozvíjať nové teórie o vzniku a vývoji planetárnych telies v tejto hmotnostnej kategórii. Družica zameria svoje pozorovania na exoplanéty objavené metódou radiálnych rýchlostí, pomocou ktorej sa zisťuje ich prítomnosť na základe výkyvov materskej hviezdy, ktoré sú zapríčinené gravitačnou silou obiehajúcej planéty. Touto metódou je tak možné odvodiť hmotnosť planéty, nie však jej rozmery, čo je cieľom misie CHEOPS. Vďaka presnému určeniu rozmerov bude možné odhadnúť zloženie planéty a zistiť, či je terestriálna alebo joviálna výpočtom jej hustoty. Týmto spôsobom sa presne stanoví vzťah medzi hmotnosťou a rozmermi planetárnych telies s hmotnosťou medzi 1 a 20 M⊕.
V akrečnom disku planéty vo fáze vzniku musí jej jadro dosiahnuť kritickú hmotnosť predtým, než získa dostatočnú gravitačnú silu na dosiahnutie nekontrolovanej akrécie plynu, následkom ktorej sa z nej stane plynný obor. Potenciál planéty udržať si hustú atmosféru z vodíka alebo z iných prchavých zlúčenín závisí od množstva faktorov, ako sú jej zloženie, vzdialenosť od materskej hviezdy a jej metalicita, veľká polos a, samozrejme, hmotnosť samotnej planéty.
Výskumy tímu pod vedením vedkyne Courtney Dressing z astrofyzikálneho ústavu Harvard-Smithsonian (CfA), vychádzajúce z údajov HARPS-N ukazujú, že existuje prirodzená hranica, približne 1,6 R⊕, pod ktorou je väčšina planét terestriálnych. Výskumy navyše naznačujú, že planéty s hmotnosťou nižšou ako 6 M⊕ majú vysokú šancu vykazovať zloženie podobné Zemi. Omnoho presnejšie pozorovania CHEOPSu umožnia lepšie určiť vzťah medzi hmotnosťou a rozmerom planetárnych telies a zistiť, do akej miery môžu hustotu objektu ovplyvniť iné faktory, ako napríklad vzdialenosť planéty od hviezdy. 
Pozorovania CHEOPSu budú veľmi užitočné pre budúce teleskopy ako JWST a ATLAST, ktoré dokážu vykonávať spektroskopické analýzy atmosfér planét pri hľadaní známok mimozemského života.