Istotna część teleskopu orbitalnego ARIEL będzie rozwijana w Polsce [RELACJA]

Coś więcej, niż podglądanie obcych systemów planetarnych

Misja kosmiczna ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) znalazła się na liście zaakceptowanych wypraw badawczych ESA jako czwarte z kategorii przedsięwzięć średniej klasy zaawansowania (Medium). Projekt będzie realizowany w ramach europejskiego programu "Cosmic Vision 2015-2025", w którym wytypowano wcześniej do realizacji trzy inne obserwatoria tej rangi: Solar Orbiter, Euclid i PLATO. Pierwszy z wymienionych znajdzie się w przestrzeni pozaziemskiej wraz z początkiem 2020 roku.

W przypadku obserwatorium egzoplanet ARIEL nakreślono bardziej rozległy horyzont czasowy – misja ma rozpocząć się w perspektywie 2028 roku. Teleskop będzie prowadził obserwacje z pozycji zakotwiczonej w punkcie libracyjnym L2 układu Ziemia-Słońce w odległości 1,5 mln km od Ziemi, przez minimum 4 lata. W tym czasie będzie miał do zbadania 1000 wytypowanych planet pozasłonecznych.

Dane zbierane przez teleskop w kosmosie będą następnie wysyłane na Ziemię, by przejść obróbkę i analizę umożliwiającą wychwycenie pełnych, niezaburzonych charakterystyk atmosferycznych każdej z obserwowanych planet. W tym celu planowane jest zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, które pozwolą zautomatyzować proces analizy. Swój wkład w ich opracowanie mogą wnosić również zewnętrzni specjaliści i naukowcy-amatorzy, których koordynatorzy misji ARIEL sami zachęcają do zgłaszania swoich pomysłów i wskazywania konkretnych rozwiązań z zakresu analizy danych.

Celem przedsięwzięcia jest „prześwietlenie” atmosfer wszystkich wskazanych egzoplanet pod kątem składu chemicznego, właściwości fizycznych i wspólnych cech. Uzyskane w ten sposób dane dostarczą odpowiedzi na pytania dotyczące powstawania i ewolucji odległych światów. Globy obserwowane przez ARIEL zostaną jednocześnie przeanalizowane pod kątem występowania warunków sprzyjających powstawaniu życia.

Przewidywany koszt całego przedsięwzięcia to niemal 0,5 mld euro. Trudno jednak przecenić potencjalne korzyści i wyniki, jakie mogą zostać uzyskane dzięki pomyślnej realizacji misji. Wiele w tym zakresie będzie zależało od wysiłków i umiejętności skoordynowania pracy mnogich zagranicznych specjalistów – w znacznej części będzie miał w tym swój udział polski zespół.

Poszerzony wkład i kompetencje polskich ekspertów

W kontekście swojego zaangażowanie w projekcie ARIEL przedstawiciele CBK PAN wskazują, że „to pierwszy raz w historii, gdy tak ważna rola w misji ESA została powierzona Polsce”. Spotkanie wielosekcyjnego zespołu projektowego, jakie miało miejsce w Warszawie w terminie 17-19 czerwca br., było dobrą okazją do zweryfikowania tych deklaracji oraz poznania specyfiki podziału obowiązków i zadań.

W zakresie zadań CBK PAN znalazło się przede wszystkim opracowanie i skonstruowanie elementów układu precyzyjnego nakierowania, jaki umożliwi teleskopowi ARIEL precyzyjne obserwowanie obiektów (Fine Guidance System, FGS). Polskim inżynierom powierzono wykonanie części optomechanicznej i elektroniki sterującej FGS. To jednak nie koniec, bowiem Polacy mają również sprawować koordynację i nadzór nad pracami instytucji współtworzących ten instrument. Wśród głównych partnerów polskich specjalistów będzie przypuszczalnie samo Jet Propulsion Laboratory z Pasadeny w USA (po potwierdzeniu wsparcia przez NASA), odpowiedzialne w projekcie za dostarczenie detektorów dla FGS. Dodatkowo, CBK PAN zajmie się integracją i testami całego przyrządu.

Jako gospodarz warszawskiego zjazdu, CBK PAN otworzyło forum grup zadaniowych projektu ARIEL wystąpieniem prof. dr hab. Iwony Stanisławskiej, piastującej stanowisko dyrektor ośrodka i kierującej w nim Pracownią Prognoz Heliogeofizycznych. W oficjalnym powitaniu uczestniczyła również Agnieszka Kuczała, przedstawicielka Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, występująca również w charakterze polskiego delegata do naukowego komitetu programowego ESA (Science Programme Committee, SPC).

Przecieranie szlaków w badaniach odległych światów

Merytoryczną część sesji ogólnej rozpoczęło wystąpienie kierownika naukowego misji ARIEL, prof. Giovanny Tinetti. Koordynatorka przedsięwzięcia przyznała, że chociaż odkryto już niemal 4000 planet pozasłonecznych, a ich lista wydłuża się w postępie wykładniczym, to w dalszym ciągu ich indywidualne charakterystyki są praktycznie nierozpoznane. „Niestety wiemy bardzo niewiele o tych planetach – zaledwie to, jaką mają masę, jakie wymiary oraz mamy pewne oszacowania dotyczące temperatury na ich powierzchniach” – przyznała Tinetti. „Naszym celem jest natomiast jak najszersze poznanie natury tych światów – jak powstawały, z czego się składają i jak ewoluowały ich atmosfery. Odpowiedzi na te pytania ma dostarczyć właśnie misja ARIEL” - podkreśliła.

Jak wskazała dalej, przedmiotem zainteresowania projektu są dane spektrograficzne, które pozwolą w toku analizy zarejestrowanego widma światła na określenie m.in. składu chemicznego atmosfer oraz charakterystyki klimatycznej badanych planet. Wiele odmiennych informacji będzie można odczytać także z różnych zakresów i długości odbieranych fal elektromagnetycznych.

Ich rejestrowanie będzie możliwe dzięki eliptycznemu zwierciadłu teleskopu ARIEL o wymiarach 110x70 cm. Skieruje ono wiązkę promieniowania do działającego w paśmie podczerwieni spektrometru AIRS (ARIEL Infrared Spectrometer) – głównego instrumentu pomiarowego misji – oraz do systemu FGS (Fine Guidance System). Zadaniem tego ostatniego będzie precyzyjnie nakierowane teleskopu na obserwowany obiekt. FGS będzie na tyle zaawansowaną konstrukcją, że niezależnie od wspierania głównego teleskopu, sam może być wykorzystywany jako astrometr lub fotometr – dodatkowy instrument naukowy.

Jak podkreśliła Tinetti, celem obserwacji będzie jak najbardziej zróżnicowany katalog planet pozasłonecznych. Na liście 1000 wyselekcjonowanych światów (nie jest jeszcze w pełni ułożona) mają znaleźć się zarówno planety ekstremalnie gorące, jak i chłodniejsze, a także o rozmaitej wielkości i różnym typie. Priorytetem dla misji ARIEL mają być jednak gazowe olbrzymy, często krążące bardzo blisko swoich gwiazd macierzystych, a przez to bardzo gorące (temperatura przy powierzchni tych globów może sięgać nawet 1000 stopni Celsjusza). W ich rozległych atmosferach naukowcy łatwiej dostrzegą obecność związków chemicznych, które w przypadku planet chłodnych skupiłyby się zbyt blisko powierzchni i mogłyby pozostać niezauważone. Planety mniejsze, najczęściej rzędu kilkakrotności masy Ziemi (tzw. super-Ziemie), także będą obserwowane przez ARIEL – jakkolwiek rzadziej, niż gorące olbrzymy.

Rosnące europejskie konsorcjum

Spojrzenie na aspekt organizacyjny misji ARIEL przedstawił w Warszawie Göran Pilbratt, koordynator programu ze strony ESA, pracujący na co dzień w centrum ESTEC w holenderskim Noordwijk. W swoim wystąpieniu przedstawił m.in. bieżący stan zaawansowania prac, postępujących obecnie w fazie B1, czyli wstępnego definiowania modelu i założeń wdrożeniowych (misję wybrano do realizacji spośród trzech innych propozycji, zaledwie w marcu 2018 roku). „Jest to pierwszy etap, w ramach którego już nie rywalizujemy z innymi konkurencyjnymi projektami, a sami ze sobą” – wskazał Pilbratt. „Musimy teraz wykazać, że będziemy w stanie zmieścić się w zadeklarowanym czasie i budżecie misji” – dodał.

Jak podkreślił, kluczowym kamieniem milowym będzie teraz ocena wstępnej koncepcji praktycznej (Mission Adaptation Review) przez komitet naukowy ESA SPC. Nastąpi to prawdopodobnie w listopadzie 2020 roku. Do tego czasu mają zostać opracowane dwie konkurencyjne propozycje przemysłowe dostarczenia modułu serwisowego (platformy podtrzymującej aparaturę misji). Będzie to poprzedzone kwalifikacją wymagań dot. ładunku użytecznego (Payload Systems Requirements Review), do której dojdzie na początku 2020 roku. Po wypełnieniu całego etapu, konsorcjum naukowe misji będzie kontynuować prace z udziałem wybranego komercyjnego dostawcy modułu serwisowego, na którym zostanie zamontowana aparatura teleskopu kosmicznego.

Zanim jednak to nastąpi, międzynarodowe środowisko naukowe będzie miało okazję bliżej zapoznać się z nowo wypracowanymi założeniami technicznymi misji ARIEL. Jak zapowiedział goszczący w CBK przedstawiciel ESA, okazja ku temu nadarzy się w styczniu 2020 roku podczas dużej konferencji organizowanej w centrum ESTEC w Noordwijk. Tam też zostaną zaprezentowane właściwe założenia praktycznej implementacji projektu.

Pierwsi pośród równych

Jak w każdym przedsięwzięciu tego typu, również w ARIEL szerokie konsorcjum partnerów naukowych ma swojego konkretnego lidera. W tym przypadku skupia się ono wokół brytyjskiej narodowej sieci laboratoryjnej RAL Space, podlegającej rządowej agencji badawczej Science and Technology Facilities Council. To właśnie z ramienia brytyjskiego instytutu delegowany jest główny inżynier misji ARIEL, Paul Eccleston.

W swoim wystąpieniu w Warszawie główny specjalista projektu skupił się na technicznych aspektach jego realizacji. Przedstawił m.in. uogólnioną ścieżkę dostarczania kolejnych ukończonych elementów misji. Wskazał mianowicie, że integrowany i testowany w Polsce FGS trafi po ukończeniu (wraz z komponentem AIRS powstającym we Francji oraz pozostałymi częściami teleskopu integrowanymi w Belgii na bazie elementów z Portugalii, Włoch i Hiszpanii) bezpośrednio do Wielkiej Brytanii, gdzie nastąpi finalny montaż i kalibracja gotowego modułu użytkowego. Etap „brytyjski” ma bezpośrednio poprzedzać transport gotowego obserwatorium ARIEL na wyrzutnię rakiety Ariane (według wstępnych założeń).

Jak przyznał Eccleston, kluczowym zadaniem w fazie B1 pozostaje wspólne i skoordynowane określenie wymogów oraz kryteriów, jakie powinny spełniać poszczególne komponenty misji. W tym celu mają być prowadzone liczne dyskusje oraz sesje techniczne w grupach i podgrupach zadaniowych. Wśród ich licznych zagadnień będą m.in. kwestie wzajemnego skomunikowania urządzeń z użyciem zgodnych i wydajnych interfejsów. Równolegle mają trwać uzgodnienia i prace nad pierwszymi demonstratorami składowych urządzeń (m.in. zwierciadła teleskopu).

W podsumowaniu swojego wystąpienia i całej sesji otwartej brytyjski manager wskazał na potrzebę wzmocnienia działań koordynacyjnych, zwłaszcza w obszarze dystrybucji informacji. „Mamy do czynienia z bardzo rozległym konsorcjum, gdzie nie ma jednego centralnego węzła komunikacji” – podkreślił Eccleston. Środkiem zaradczym, według głównego inżyniera projektu, ma być zaangażowanie dodatkowych delegatów i formowanie nowych grup zadaniowych zależnie od zapotrzebowania. Wystąpienie zakończyło się pozytywnym akcentem, w postaci odwołania do zadeklarowanej przez panel opiniujący ESA aprobaty dla ściśle kooperacyjnego i wielotorowego modelu organizacji prac nad realizacją projektu.