Herschel Uzay Gözlemevi

Herschel Uzay Gözlemevi, Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından yapılmış ve işletilmiş bir uzay gözlemevidir. 2009 - 2013 yılları arasında etkin olmuştur. Yapılmış en büyük infrared teleskop özelliğine sahipti. 3,5 metre ayna ve uzak infrared ve milimetre-altı dalgaboylarına hassas araçlar taşımıştır (55672 μm). Herschel, Avrupa Uzay Ajansı'nın uzay programı için Rosetta, Planck ve Gaia ile birlikte 4 köşe taşından birini oluşturmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri, NASA ile programa katılmıştır.
Gözlemevi, 2009 yılının Mayıs ayında fırlatılmasının ardından
yaklaşık olarak iki ay sonra Dünyadan 1.500.000 kilometre (930.000 mil) uzaklıktaki
Dünya-Güneş
sisteminin ikinci Lagrange noktasındaki (L2) yörüngesine oturtuldu. Herschel daha sonra
kızılötesi spekturumunu ve Uranüs gezegenini keşfeden Sir William Herschel olarak isimlendirildi. Kız kardeşi Caroline Herschel aynı zamanda iş
arkadaşıydı.
Gözlemevi, uzaydaki en soğuk ve tozlu objeleri görme yeteneğine sahipti. Örneğin, yıldızların oluştuğu ve yeni bir yıldızın doğmasına neden olan tozlu galaksilerdeki toplanmanın olduğu serin kozalar.
Gözlemevi, yıldız oluşum bulutları (yıldız maddelerinin "yavaş pişiriciler"i) boyunca su ve suyun formları gibi potansiyel olarak yaşamı oluşturan moleküllerin izini sürmek için titiz araştırmalar yaptı.
Teleskobun ömrünü cihazlarda bulunan kullanılabilir soğutucu gazlar belirler. Bu soğutucu bittiği zaman cihazlar işleyişini düzgünce durdurur. Teleskobun fırlatıldığı zaman işlemlerin 3.5 yıl (2012
sonlarına kadar) süreceği tahmin edildi. 29 Nisan 2013'e kadar (Herschel'in
soğutucusu bittiği zaman)
teleskobun faaliyeti devam etti.
Gelişmeler
1982 yılında Uzak Kızılötesi ve Milimetre-altı Teleskobu (İngilizce: Far Infrared and Sub-millimetre Telescope) (FIRST) ESAya önerildi. ESA uzun vadeli politika planı 1984'te üretilen "Horizon 2000", köşetaşı misyonlarından biri olan Yüksek Verimli Heterodin Spektroskopisi (İngilizce: High Throughput Heterodyne Spectroscopy) görevi olarak adlandırıldı. 1986'da FIRST, bu köşetaşı görevi olarak kabul edildi. 1992-1993 yıllarında endüstriyel bir çalışmanın ardından, 1993te uygulamaya geçilmesi kararlaştırıldı. Bu görev, Dünya yörüngesinden ikinci Lagrangian noktasına, L2ye geçecek şekilde Kızılötesi Uzay Gözlemevi [(2.5240 mikron) 19951998]nden kazanılan bir tecrübe ışığı ile yeniden tasarlandı. 2000de, ilk milimetre-altı teleskobu Herschel olarak değiştirildi. 2000 yılında ihaleye çıkarılmasının ardından, 2001de Endüstriyel faaliyetler başladı. Herschel, 2009da kullanıma hazır hale geldi.
2010 yılı itibarıyla, Herschel misyonunun 1100 milyon avroya mal olduğu tahmin edilmektedir. Bu rakam uzay aracı ve yük, lansman ve misyon giderleri ve bilim faaliyetlerini kapsamaktadır.
Bilim
Herschel, Güneş Sistemi'ndeki nesnelerin yanı sıra, Samanyolu ve hatta yeni doğan galaksiler gibi miyarlarca ışık yılı uzaklığındaki galaktik nesnelerden de ışık toplama konusunda özelleştirilmiştir ve bu gözlemevi ile yapılması planlanmış araştırmalar 4 temel ana başlıkta toplanabilir:
Evrenin ilk safhalarında Galaksi oluşumu ve galaksilerin evrimi
Yıldız oluşumu ve yıldızlararası ortam ile yıldızların etkileşimi
Atmosferin kimyasal bileşimi ve gezegenler, kuyruklu yıldızlar ve Ayı içeren Güneş Sisteminin yüzeyi
Evrende moleküler kimya çalışmaları
Herschel görevi boyunca 35.000'in üzerinde bilimsel gözlem yaptı ve yaklaşık 600 farklı gözlem programında kullanılarak 25.000 saatten daha fazla bir süre boyunca bilimsel veri akışı sağladı.
Cihazlar
İlk uzay gözlemevini içeren bu görev, uzak kızılötesi ve milimetre-altı dalga boyunu kapsar. 3.5 metre genişliğindeki aynasıyla uzayda bir yörüngeye oturtulmuş en büyük aynaya sahip olan teleskoptur. 3.5 metre genişliğindeki bu ayna yalnızca camdan değil aynı zamanda sinterlenmiş silisyum karbürden yapılmıştır. Aynanın boşluğu Fransa Tarbes'teki Boostec tarafından imal edilmiştir, öğütülmesi ve cilalanması Finlandiya Tuorla Gözlemevindeki Opteon Ltd. tarafından yapılmıştır ve İspanya Calar Alto Gözlemevindeki vakum birikimi ile kaplanmıştır.
Ayna tarafından yansıtılan ışık, dedektörleri 2 K(−271 C) altındaki sıcaklıklarda tutulan 3 cihazın üzerine odaklanmıştır. Cihazlar, 2.300 litreden fazla sıvı helyumla soğutuldu ve yaklaşık olarak 1.4 K (−272 C) sıcaklığına yakın bir vakumda kaynatıldı. Uzay aracı üzerindeki 2.300 litrelik Helyum kaynağı uzay gözlemevi operasyonel ömrünün temel sınırı oldu; başlangıçta en az üç yıl süreyle faaliyete geçmesi bekleniyordu.
Herschel üzerinde 3 dedektör taşır:
Foto-detektör Dizisi Kamerası ve Spektrometre
Foto-detektör
Dizisi Kamerası ve Spektrometre (İngilizce: Photodetecting Array
Camera and Spectrometer) (PACS), bir kamera ve 55 ile 210 mikrometre aralığındaki dalga boylarını kapsayan düşük çözünürlüklü bir spektrometredir. Spektrometrenin R=1000 ve R=5000 arasında bir spektral çözünürlüğü vardı ve -63 dB gibi oldukça zayıf
sinyalleri tespit etmeyi başarabilmiştir. Bu spektromete, uzaysal ve spektral çözünürlüğü birleştiren
integral alan spektrografisi ([[İngilizce:integral field spectrograph) olarak çalıştı. Görüntüleme kamerası aynı anda
birkaç millijanskylık saptama sınırı ile iki bandı (60-85/85-130 mikrometre ya da 130-210 mikrometre) görüntüleyebilme yeteneğine sahipti.
Spektral ve Fotometrik Görüntüleme Alıcısı
Spektral ve
Fotometrik Görüntüleme Alıcısı (İngilizce:Spectral and Photometric Imaging
Receiver) (SPIRE) bir kamera ve 194 ile 672 mikrometre aralığındaki dalga boylarını kapsayan düşük çözünürlüklü bir spektrometredir. Spektrometrenin 250 mikrometrelik bir dalga boyunda R=40 ve R=1000 arasında bir spektral çözünürlüğü vardı ve yaklaşık olarak parlaklığı 100 milijansky (mJy) kadar olan noktasal hedefleri fotoğraflayabiliyordu. Bununla birlikte yaklaşık olarak parlaklığı 500 mJy'ye kadar genişletilmiş hedeflerin de fotoğrafını çekebilecek özellikteydi. Görüntüleme kamerası merkezde 250, 350 ve 500 mikrometrelik ve her biri sırasıyla 139, 88 ve 43 piksellik üç temel bantta çalışmaktaydı. Ayrıca 2 mJy'nin üzerinde parlaklığı olan noktasal cisimleri ve 4 ile 9 mJy arası parlaklıklığa sahip geniş hedefleri gözlemleyebilmekteydi. SPIRE görüntüleme kamerasının bir prototipi BLAST yüksek irtifa balonu ile uçuruldu. Kaliforniya eyaletinin Pasadena şehrindeki NASA Jet İtki Labaratovarı bu cihaz için "örümcek ağı" (İngilizce:spider web) ismini verdiği eskilerinden 40 kat daha hassas bir bolometre geliştirdi ve üretti. Herschel-SPIRE cihazı uluslararası bir ticaret anlaşması ile Cardiff Üniversitesi öncülüğünde 8 ülkeden 18'den fazla katılımcı enstitü ile beraber üretildi.
Uzak Kızılötesi için Heterodin Cihazı
Uzak Kızılötesi için Heterodin Cihazı (İngilizce:Heterodyne Instrument for the Far Infrared) (HIFI), R=107 kadar yüksek bir spektral çözünürlük veren farklı dalga boylarındaki elektronik radyasyon ayrışmalarını tespit eden bir heterodin dedektörüdür. Bu spektrometre 157 ile 212 mikrometre aralığından 240 ile 625 mikrometre aralığında iki farklı dalga boyu bandında çalıştırılır. SRON Hollanda Uzay Araştırmaları Enstitüsü (İngilizce:SRON Netherlands Institute for Space Research) HIFI'nin bütün tasarım aşamalarına, üretime ve test işlemlerine önderlik etti. SRON'un liderliğindeki HIFI Cihazı Kontrol Merkezi (İngilizce:HIFI Instrument Control Center) verileri elde etmekten ve analiz etmekten sorumluydu.
NASA bu cihaz için yerel osilatör zincirleri ve güç yükselticilerinden oluşan bir eklenti geliştirdi. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü Kızılötesi İşleme ve Analiz Merkezi (İngilizce:Infrared Processing and Analysis Center at the California Institute)'nin bir parçası olan Pasadena'daki NASA Herschel Uzay Merkezi bilimsel planlama ve veri analizi yazılımına katkı yaptı.
Servis Modülü
Genel servis modülü (SVM), Thales Alenia Space şirketinin Turin tesisi tarafından Herschel ve Planck görevlerini tek bir programda birlştirmek amacıyla tasarlandı ve üretildi.
Herschel ve Planck SVM'nin yapısına çok benzerdir. Hem SVM'nin oktogonal şekli hem de her ikisi için de farklı ünitelerin sıcaklık yayılımı gereksinimini karşılamak üzere yerleştirilmiş sıcaklık üniteleri bulunuyordu. Cihazın bu üniteleri uzay araçlarındaki kadar kadar kaliteliydi.
Dahası, iki uzay aracındaki sıradan tasarım havacılık elektroniği, durum kontrol ve ölçüm sistemleri (ACMS), komut ve veri yönetim sistemi (CDMS), güç alt-sistemleri ve takibi, telemetri ve komut alt-sistemleri (TT&C) ile başarıya ulaştı.
Uzay aracının SVM üzerindeki bütün üniteleri ihtiyaç fazlasıydı.
Güç alt-sistemleri
Her uzay aracının üzerindeki güç alt-sistemleri güneş dizisi, üçlü güneş hücreleri, bir batarya ve güç kontrol ünitesinden (PCU) oluşur. Bu tasarım her güneş dizisine 30 bölümden oluşan bir arayüz, kontrol edilen 28 V bir motor, bu gücü korunaklı çıkışlarla dağıtmak için ve bataryanın şarj-deşarj durumunu kontrol etmek için tasarlanmıştır.
Herschel için güneş dizisi, kirostatı Güneş'ten korumak için dizayn edilen saptırma plakasının alt kısmında sabitlenmiştir. Üç eksenli durum kontrol sistemi Güneş doğrultusundaki bu sapmayı engeller. Bu saptırmanın üst parçası Güneş enerjisinin %98'ini yansıstan ve kirostatı ısınmaktan koruyan optik güneş yansıtıcaları (İngilizce: optical solar reflector) (OSR) aynaları ile çevrelenmiştir.
Durum ve yörünge kontrolü
Bu fonksiyon ACMS'nin bir platformu olan durum kontrol bilgisayarı (İngilizce:attitude control computer) (ACC) ile gerçekleştirilir. Herschel ve Planck yükünün hedefleme ve kontrol gereksinimleri için dizayn edilmiştir.
Herschel uzay aracı üç eksen ile dengelenmiştir. Net odaklanma hatası için 3.7 ark saniyeden daha az bir süre gerekir.
Her iki uzay aracındaki görüş alanı ana sensörü bir yıldız işaretleyicisidir.
Fırlatılma anı ve yörünge
Thales Alenia Space'e bağlı Cannes Mandelieu Space Center tarafından üretilen uzay aracı 14 Mayıs 2009 yılında saat 13:12:02 UTC iken Ariane 5 roketinde Planck uzay aracı ile birlikte Fransız Guyanasındaki Guyana Uzay Merkezi'nden başarılı bir şekilde oldukça eliptik olan ikinci Lagrange noktasına yerleşmek üzere fırlatıldı. Yörüngenin yerberisi 270.0 km (270.0±4.5 km), yerötesi 1,197,080 km (1,193,622±151,800 km), eğimi 5.99 derece (6.00±0.06 derece) olarak ölçülmüştür.
14 Haziran 2009 yılında ESA cryocover ismi verilen bir kapağa uzayı gözlemlemek ve görüntünün yeryüzüne ulaşmasını sağlamak amacıyla PACS sistemlerini çalıştırması için birkaç hafta içerisinde başarılı bir şekilde komut gönderdi. Bu kapak teleskop yörüngesine başarılı bir şekilde yerleştirilene kadar aynanın kirlenmesini engel olmak için kapalı kalmalıydı.
Herschel'den gelen ve M51 grubunun görüldüğü ilk fotoğlar 5 gün sonra ESA tarafından yayınlandı.
2009 yılı temmuz ayının ortalarında, yaklaşık olarak fırlatmadan altmış gün sonra Dünyadan 1,5 kilometre uzaklıkta Dünya-Güneş sistemindeki ikinci Lagrange noktası civarlarında bulunan ve çapı ortalama olarak 800.000 km olan bir Lissajous yörüngesine girdi.
Keşifler
21 Temmuz 2009 yılında Herschel komisyonu işletme sürecinin başlamasını sağladığından dolayı başarılı olarak ilan edildi. Herschel'in genel sorumluluğu program yöneticisi Thomas Passvogel'den görev yöneticisi Johannes Riedinger'e resmi olarak devredildi.
Herschel yıldız oluşum sürecinde bilinmeyen ve beklenmedik bir aşama keşfetti. İlk doğrulama ve yer tabanlı bir teleskop sayesindeki teyit daha önceden karanlık bir bulutsu olduğu düşünülen NGC 1999 bölgesindeki yeni oluşan bir yıldız bölgesinde görülen farklı bir ışığın etrafındaki malzemenin atılması sonucunda ortaya çıktığı yönündeydi.
Temmuz 2010'da gözlemevinin ilk sonuçlarını belirten 152 sayfalık özel bir Astronomi ve Astrofizik yayını yayınlandı.
İkinci özel Astronomi ve Astrofizik yayını Herschel'in Ağustos 2009 ile Şubat 2010 arasındaki 6 aylık teknik hatası olan HIFI cihazı ile ilgili olarak Ekim 2010'da yayınlandı.
1 Ağustos 2011'de Herschel Uzay Gözlemevi ile uzayda oksijen moleküllerinin keşfedildiği rapor edildi. Bilim insanları daha önceden Odin takımının keşfinden sonra uzayda ikinci kez molekül keşfetmişti.
Ekim 2011 yılında Nature'de yayınlanan bir raporda Herschel'in Hartley 2 kuyruklu yıldızındaki döteryum seviyesi ölçümleri Dünya'da oluşan suyun çoğunun kuyruklu yıldız etkisiyle geldiğine işaret ediyordu. 20 Ekim 2011 yılında okyanuslardaki soğuk su buharı oranının genç bir yılıdızın toplanma diskinde keşfedildiği rapor edildi. Yıldız oluşum bölgelerinin yakınında önceden keşfedilen sıcak su buharının aksine soğuk su buharları Dünya'daki suyun kökeniyle ilgili bir teorideki gibi sonradan gezegenlere su getirecek olan kuyruklu yıldız oluşumuna katılma özelliğine sahiptir.
18 Nisan 2013 yılında Hershel takımı yılda 2.000 Güneş kütlesinden fazla yıldız üreten yıldız patlamalarıyla dolup taşan olağanüstü bir galaksi keşfetiğini başka bir Nature yayınında açıkladı. HFLS3 olarak adlandırılan ve büyük patlamadan yalnızca 880 milyon yıl sonra oluşan galaksi z:6.34 noktasında bulunur.
Görevin bitiminden yalnızca bir gün önce ESA, Herschel'in gözlemlerinin 1994 yılındaki ShoemakerLevy 9 kuyruklu yıldızı çarpışmasından dolayı Jüpiter'de su oluşmasına neden olduğunu işaret ettiğini açıkladı.
22 Ocak 2014 yılında ESAlı bilim insanları ilk defa kesin olarak astroid kuşağındaki en büyük nesne olan cüce gezegen Ceres'te su buharı keşfettiklerini rapor etti. Bu keşif Herschel Uzay Gözlemevi'nin uzak-kızılötesi yetenekleri kullanılarak yapılmıştı. Bu gözlemler beklenmedik bir keşfe neden olmuştu çünkü astroidlerin aksine kuyruklu yıldızlar tipik bir "jet kaynağı ve bulutu" olarak düşünülüyordu. Bilim insanlarından birisi "Kuyruklu yıldızlar ve astroidler arasındaki çizgi gittikçe bulanık hale geliyor." şeklinde yorum yaptı.
Görevin sonu
29 Nisan 2013'te ESA, Herschel'in cihazları ve teleskoba bağlı bulunan dedektörleri soğutmak için kullanılan sıvı helyum tedariğinin tükendiğini açıkladı. Bu artık Herschel'in kullanılamayacağı ve görevin sona erdiği gerçeğiydi. Açıklamanın yapıldığı sırada Herschel dünyadan yaklaşık olarak 1,5 milyon kilometre uzaklıkta bir yörüngede bulunuyordu. Herschel'in L2 noktasındaki yörüngesi değişken olduğu için ESA, gözlem uydusunu bilinen bir yörüngeye yönlendirmek istedi. ESA yöneticilerinin aklında iki seçenek vardı:
Herschel'i en az birkaç yüzyıl boyunca Dünya'ya tekrar gelemeyeceği bir güneş yörüngesine doğru yerleştirmek.
Herschel'i Ay'ın kutbunda su aramamıza yardım etmesi için yüksek hızda bir çarpışma yaşayacağı Ay'a doğru yönlendirmek. Herschel'in Ay'a ulaşması yaklaşık olarak 100 gün sürecekti.
Yöneticiler ilk seçeneği seçtiler çünkü daha az masraflıydı.
17 Haziran 2013 yılında Herschel benzin tankının tükenmesi ve Dünya ile iletişimi sağlayan bilgisayar programının çalışamaması sonucunda aktivitesini tamamıyla durdu. İletişimin koptuğu son komut Avrupa Uzay İşletme Merkezi (İngilizce:European Space Operations Centre) (ESOC) tarafından saat 12:25 p. m. GMT'de gönderilmişti.
Görevin işletme sonrası süreçleri 2017 yılına kadar devam edecek. Ana görevler veri kalitesini geliştirmek için konsolidasyon ve cihazın kalibrasyonunu iyileştirmek ile bilimsel geçerliliği olan veriler oluşturmak için veri analizi yapmak olarak belirlendi.
Herschel görevinin durmasının ardından bazı Avrupalı astronomlar ESA'yı uzak kızılötesi gözlem yapan Kozmoloji ve Astrofizik Japanse-led Kızılötesi Uzay Gözlemevi (İngilizce:Japanse-led Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics) (SPICA) projesine katılmaya zorladı.