Strona używa plików cookies więcej

Nauka / Wydarzenia

BRITE – polskie nanosatelity w akcji

W listopadzie minęło pięć lat od wystrzelenia pierwszego polskiego satelity naukowego Lem, nanosatelity z serii BRITE. Warto przy tej okazji przypomnieć krótką historię wciąż realizowanego kanadyjsko-austriacko-polskiego projektu – tym bardziej, że biorą w nim aktywny udział astrofizycy z Uniwersytetu Wrocławskiego.

Zacznijmy od przedstawienia samego projektu. BRITE to skrót od angielskiego „BRIght Target Explorer”, czyli Badacz Jasnych Obiektów, a to, że obydwa słowa: „BRITE” i „bright” (ang. jasny) czytamy jednakowo, jest zamierzonym podobieństwem fonetycznym. Satelita, a właściwie nanosatelita serii BRITE, to satelitarne obserwatorium w kształcie sześcianu, o boku zaledwie 20 cm! W tej objętości (8 dm3) mieszczą się wszystkie konieczne do pracy satelity układy, a więc żyroskopy, komputer pokładowy, układ stabilizacji satelity, baterie słoneczne, anteny nadawcze i wreszcie dwa teleskopy z detektorami. Jeden z nich to pięciosoczewkowy refraktor o średnicy zaledwie 3 cm i polu widzenia równym około 20°, wyposażony w kamerę CCD. To jedyny naukowy instrument na pokładzie satelity. Drugi teleskop z detektorem pełni rolę pomocniczą. Jest częścią układu służącego do ustawienia i utrzymywania satelity we właściwej pozycji w przestrzeni podczas obserwacji. Cały satelita ma masę zaledwie około 7 kg.

Można by zapytać: po co budować takie małe obserwatorium do obserwacji z orbity? Czy da się w ogóle zrobić użyteczne obserwacje czymś tak drobnym? Jest co najmniej kilka powodów realizacji tego projektu. Po pierwsze, w kraju, który dopiero zaczyna swoją przygodę z technologiami kosmicznymi, a takim krajem jest Polska, dobrze jest zacząć od projektów niedużych. Przy realizacji takich projektów zarówno inżynierowie, jak i naukowcy, nabierają niezbędnego doświadczenia, które pozwala im później realizować dużo ambitniejsze projekty. Po drugie, technologie kosmiczne są bardzo kosztowne, a projekty często obarczone są dużym ryzykiem. To także argument za niewielkim satelitą, na którego stać jest nawet pojedynczy uniwersytet. Wreszcie, satelity BRITE z jednej strony były atrakcyjne zarówno dla inżynierów, którzy je budowali, jak i dla naukowców. Dla tych pierwszych, bo nikt wcześniej nie realizował naukowych obserwacji z pokładu tak małego satelity, dla tych drugich, bo naukowa strona projektu dotyczyła najjaśniejszych gwiazd na niebie. Gwiazdy takie, wbrew pozorom, nie są dobrze zbadane. I choć często istnieje dla nich wiele obserwacji spektroskopowych czy interferometrycznych, to brakuje dla nich dokładnej fotometrii. BRITE-y rozwiązywały ten problem, wypełniając interesującą niszę w obserwacjach astrofizycznych.

A skoro już mowa o BRITE-ach, a nie tylko o Lemie, pora przedstawić całą serię tych satelitów (w sumie zbudowano sześć, pięć z nich działa). Całą grupę nazywamy Konstelacją BRITE. To też dobry moment, żeby wspomnieć, skąd wziął się w ogóle pomysł na obserwacje za pomocą nanosatelitów. Głównym pomysłodawcą satelitów BRITE jest nasz rodak, prof. Sławomir Ruciński, obecnie emerytowany profesor Uniwersytetu w Toronto, który wyemigrował z Polski w czasie stanu wojennego. W końcu lat 90-tych XX w. wraz ze swym kolegą Kieranem Carrollem rozważali oni pomysły na zbudowanie pierwszego kanadyjskiego satelity naukowego. Spośród trzech opcji, które zaproponowali, jedna została zrealizowana w 2003 roku, kiedy to wystrzelono pierwszego kanadyjskiego satelitę naukowego – MOST. Druga z rozważanych przez nich opcji, czyli nanosatelity do fotometrii jasnych gwiazd, zmaterializowała się dekadę później w postaci satelitów BRITE. Na początku w projekcie uczestniczyły dwa kraje, Kanada i Austria, które realizowały razem projekt MOST. Każdy z nich planował zbudować dwa satelity BRITE. Za namową prof. Rucińskiego zaczęły się starania – bardzo szybko zakończone sukcesem – o finansowanie zbudowania dwóch polskich satelitów serii BRITE. Tak powstały Lem i Heweliusz, zbudowane przez Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie dwa pierwsze polskie satelity naukowe, których nazwy zostały wybrane w konkursie organizowanym przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Jeśli już się satelity zbudowało, to pora było je umieścić na orbicie. W przypadku nanosatelitów wygląda to w ten sposób, że rakieta nośna wynosi całą grupę (typowo kilkanaście) takich satelitów podczas jednego startu. Po osiągnięciu odpowiedniej orbity wyrzucane są kolejno z rakiety nośnej… i już. W praktyce trzeba wykupić miejsce w proponowanych przez agencje kosmiczne startach na odpowiednią orbitę. To oznaczało, że starty sześciu satelitów BRITE, dwóch austriackich (BRITE-Austria i UniBRITE), dwóch kanadyjskich (Toronto i Montreal) oraz dwóch polskich (Lem i Heweliusz) zrealizowane zostały w ciągu 18 miesięcy, między 25 lutego 2013 roku, kiedy wystrzelone zostały obydwa austriackie BRITE-y, a 19 sierpnia 2014 roku, kiedy poleciał ostatni BRITE – Heweliusz. Te sześć satelitów, a właściwie pięć, bo Montreal z nieznanych powodów nie odłączył się od rakiety nośnej i nie prowadzi obserwacji, tworzy Konstelację BRITE. Ta nazwa ma swoje uzasadnienie także w tym, w jaki sposób prowadzone są obserwacje. Zwykle dane pole na niebie obserwują dwa lub trzy satelity BRITE, a obserwacje danego pola trwają zazwyczaj około pół roku. Posiadanie pięciu satelitów znacznie zwiększa bezpieczeństwo misji – w razie problemów technicznych czy awarii pozostałe satelity są w stanie wypełnić lukę.

Przygotowanie projektu satelitarnego zajmuje zawsze co najmniej kilka lat, kiedy to osoby biorące w nim udział angażują wiele czasu żeby zminimalizować ryzyko błędu (w razie awarii nie da się tego naprawić), przewidzieć możliwe problemy i im zapobiec. Po pojawieniu się pierwszych obrazów były oczywiście chwile euforii, ale i zaczęły się pierwsze problemy. Jest to w końcu projekt wysokiego ryzyka, bo nikt nigdy wcześniej nie robił obserwacji takimi małymi satelitami. Pierwszą niespodzianką było to, że na detektorach austriackich BRITE-ów pojawiły się dość szybko defekty, których się nie spodziewaliśmy. Jak się później okazało, były to defekty powodowane przez protony promieniowania kosmicznego. A czemu tego nie przewidziano? Ano dlatego, że w dużych satelitach nie ma tego problemu, bo detektory są obudowane wieloma systemami pokładowymi, które efektywnie ekranują promieniowanie kosmiczne. Udało się jednak znaleźć remedium na ten problem – na trzech pozostających w tym czasie jeszcze na ziemi satelitach, dwóch kanadyjskich i Heweliuszu, zamontowano specjalne osłony, które zmniejszyły efektywnie tempo pojawiania się defektów. Drugim pomysłem na lepszą fotometrię była nowa strategia obserwacyjna, wymyślona przez dra Adama Popowicza z Politechniki Śląskiej w Gliwicach, która polegała na niewielkiej zmianie pozycji satelity między kolejnymi obserwacjami. Pozwala to uzyskiwać fotometrię gwiazd na obrazach różnicowych, na których większość defektów odejmuje się. Dr Popowicz wykonuje także redukcje wszystkich obserwacji misji BRITE napisanymi przez siebie programami. Ten pomysł w dużym stopniu pozwala przedłużyć użyteczny czas trwania misji BRITE.

Obserwacje BRITE-ami trwają więc już ponad 5 lat i dopóki BRITE-y dostarczają użytecznej fotometrii jasnych gwiazd, projekt będzie realizowany. Do chwili obecnej uzyskaliśmy dokładną fotometrię dla około 550 jasnych gwiazd na niebie. Pozwala ona wykryć okresowe zmiany jasności z amplitudami rzędu nawet 0,01% średniego strumienia. Wyniki badań z wykorzystaniem danych z BRITE-ów zostały opublikowane w 60 pracach naukowych, a to dopiero początek.

Model gorącego nadolbrzyma ζ Puppis
Model gorącego nadolbrzyma ζ Puppis (czyli ζ Rufy; Rufa to gwiazdozbiór będący częścią większej konstelacji, zwanej Okręt Argon lub Okręt Argonautów, na niebie południowym), gwiazdy o masie 60 razy większej i 10 tys. razy jaśniejszej niż Słońce. Gwiazda ta ma bardzo silny wiatr gwiazdowy, a w szczególności dwie widoczne na grafice spiralne struktury, które zakotwiczone są w gorących plamach na jej powierzchni. Dzięki obserwacjom BRITE-a udało się odkryć, że wielkoskalowe struktury w wietrze gwiazdowym w takiej gorącej masywnej gwieździe mają swoje źródło w gorących plamach fotosferze. Naukowcom udało się też znaleźć prawdziwy okres rotacji gwiazdy: 1,78 dnia. | Il. Tahina Ramiaramanantsoa

A co mają z tym wspólnego wrocławscy astrofizycy? Od samego początku projektu (rok 2008) wraz ze współpracownikami z Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN w Warszawie bierzemy udział w definiowaniu celów naukowych misji BRITE, no i oczywiście korzystamy z danych. Najciekawsze uzyskane przez BRITE wyniki dotyczą masywnych gwiazd pulsujących, co idealnie wpisuje się w tematykę, którą się zajmujemy, zarówno od strony teoretycznej jak i obserwacyjnej. Dotyczy to w szczególności asterosejsmologii – techniki, która pozwala badać strukturę wnętrz gwiazd poprzez porównanie obserwowanych i modelowych częstotliwości pulsacji. Dla przykładu, przed startem BRITE-ów znanych było zaledwie kilka gwiazd typu β Cephei z dużą liczbą modów pulsacyjnych, umożliwiających efektywne modelowanie sejsmiczne tych gwiazd. Dziś już wiemy, że dzięki BRITE-owi takich gwiazd będziemy mieć ponad 20. Inne interesujące czy nawet przełomowe wyniki to: odkrycie związków między zmiennością wiatrów gwiazdowych a strukturami na powierzchni w najmasywniejszych gwiazdach, znalezienie związku między pulsacjami a mechanizmem dostarczania materii do dysków okołogwiazdowych w gwiazdach Be, odkrycie powszechnej hybrydowości (obecności modów ciśnieniowych i grawitacyjnych) wśród masywnych gwiazd ciągu głównego, odkrycie pulsacji w ciasnych układach podwójnych, pierwszych masywnych układów z pływowo wymuszonymi oscylacjami, dwóch układów z wtórnymi składnikami w fazie przed ciągiem głównym i wiele innych.

Całą misję BRITE, mimo, że obserwacje wciąż trwają, a te już uzyskane są nadal analizowane, można już w tej chwili uznać za duży sukces. Okazało się, że nanosatelity nadają się do wykonywania precyzyjnej fotometrii z orbity. A pewnie i do wielu innych naukowych obserwacji. Liczba wystrzeliwanych nanosatelitów wzrosła wielokrotnie w ciągu ostatnich lat. Doświadczenie z uczestniczeniu w projekcie BRITE jest więc bezcenne. Pora pomyśleć o nowych projektach, w których zostanie ono wykorzystane. Ale to już temat na oddzielną opowieść…

Andrzej Pigulski, Instytut Astronomiczny UWr

Dodane przez: Michał Raińczuk

18 Gru 2018

ostatnia modyfikacja: 4 Kwi 2019