Spitzer (Weltraumteleskop)

Spitzer Künstlerische Darstellung des Spitzer-Weltraumteleskops. Allgemeine Daten

Organisation	NASA
Baumeister	Lockheed Martin Space Ball Luft- und Raumfahrt
Programm	Große Observatorien
Feld	Infrarotastronomie
Mission Art	Weltraumteleskop
Status	Auftrag erledigt
Andere Namen	Weltraum-Infrarot-Teleskopanlage (SIRTF)
Starten	25. August 2003
Startprogramm	Delta II 7920H
Ende der Mission	30. Januar 2020 Mai 2009 (Ende der Mission im Kühlmodus)
Benannt nach	Lyman Spitzer ( amerikanischer Astrophysiker )
COSPAR-Kennung	2003-038A
Seite? ˅	spitzer.caltech.edu

Technische Eigenschaften

Messe beim Start	950 kg
Einstellungskontrolle	Stabilisiert auf 3 Achsen

Orbit

Orbit	Heliozentrisch

Teleskop

Art	Ritchey-Christian
Durchmesser	85 cm
Bereich	2,3 m²
Fokus	10,2 m
Wellenlänge	Infrarot  : 3,6 bis 100 Mikrometer

Hauptinstrumente

IRAC	Kamera
IRS	Spektrograph
MIPS	Bildgebungsphotometer

Spitzer oder SIRTF ( Space Infrared Telescope Facility ) ist ein von der NASA entwickeltes Infrarot- Weltraumteleskop . Es ist das letzte der vier "  Great Observatories  " mit komplementären Merkmalen, die von der NASA geschaffen wurden , um die wichtigsten wissenschaftlichen Fragen des Endes des Jahrhunderts auf dem Gebiet der Astrophysik zu beantworten . Seine Aufgabe besteht hauptsächlich darin, die Entstehung des Universums , die Bildung und Entwicklung primitiver Galaxien , die Entstehung von Sternen und Planeten und die Entwicklung der chemischen Zusammensetzung des Universums zu beobachten, die hauptsächlich im Infrarotbereich sichtbar sind.

Dieses Infrarot-Teleskopprojekt wurde 1984 von der NASA ins Leben gerufen. Während seiner Entwicklung wird die Größe von Spitzer stark reduziert (Masse von 5,7 Tonnen auf weniger als eine Tonne gesenkt), um Budgetkürzungen zu bewältigen, die die Raumfahrtbehörde betreffen. Trotzdem sind seine Kapazitäten den Vorgängern IRAS (1983) und ISO (1995) dank mehrerer technischer Entscheidungen und der inzwischen erzielten Fortschritte auf dem Gebiet der Infrarotdetektoren deutlich überlegen . Sein optischer Teil besteht aus einem Teleskop mit einem Durchmesser von 85  cm . Die gesammelte Infrarotstrahlung wird von drei Instrumenten analysiert , die wie das Teleskop durch gekühlt werden flüssiges Helium  : einen nahen und mittleren Infrarot - Bildgebung Photometer (3 bis 8 Mikrometer), ein Spektroskop (5-40 Mikron) und ein Spektrophotometer für fernen Infrarot (50 -160 Mikrometer).

Gestartet am 25. August 2003arbeitet das Teleskop mit voller Kapazität bis Mai 2009. Ab diesem Datum arbeitet es, nachdem es sein flüssiges Helium aufgebraucht hat, mit einem Teil seiner Instrumentierung im "heißen" Modus weiter. Das Teleskop wurde von der NASA am außer Dienst gestellt30. Januar 2020. Das Spitzer-Projekt kostete vom Beginn des Entwurfs bis zum Ende des Betriebs im Jahr 2020 1,36 Milliarden US-Dollar.

Historisch

Die Vorgänger: IRAS und ISO (1983-1995)

Spitzer ist chronologisch das dritte große Infrarot- Weltraumteleskop  : Dem geht IRAS voraus, das von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA in Zusammenarbeit mit den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich entwickelt und 1983 gestartet wurde, sowie von ISO, das von der Europäischen Weltraumorganisation entworfen und gestartet wurde im Jahr 1995 .

Ende der 1960er Jahre hatte die NASA hohe Erwartungen an das amerikanische Space Shuttle, das Anfang des folgenden Jahrzehnts seine ersten Flüge durchführen sollte. Zu den geplanten Anwendungen dieses Weltraumwerfers , der am Ende seiner Mission auf den Boden zurückkehren kann, gehört das Tragen eines Infrarot-Weltraumteleskops, das von der hohen Startrate des Shuttles profitieren soll. Die NASA plant, einen Flug pro Woche durchzuführen - und langfristige Einsätze (bis zu 30 Tage). Bereits 1969 wurde vorgeschlagen, ein kryogenes Infrarot-Teleskop mit einem Spiegel von einem Meter Durchmesser zu entwickeln, der im Laderaum des Space Shuttles installiert werden soll. Die Kosten für dieses Teleskop, das als FTIR ( Shuttle Test Facility Infrared ) bezeichnet wird und als FTIR abgekürzt wird, belaufen sich auf 120 Millionen US-Dollar . Dieses Projekt erhielt 1979 die Unterstützung der National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten . 1983 startete die NASA eine Ausschreibung für den Bau eines Infrarot-Weltraumobservatoriums, das an das Space Shuttle angeschlossen ist und am Ende jeder Mission auf den Boden zurückkehren soll. Dieses Teleskop sollte 1990 seinen ersten Flug absolvieren. Der Erfolg des von der NASA entwickelten IRAS- Infrarot-Teleskops veranlasste die Weltraumbehörde jedoch 1984, ihre Pläne zu ändern: Sie beschloss, ein autonomes Infrarot-Weltraumteleskop zu entwickeln. Diese Entscheidung wird durch die Entdeckung gestützt, dass das kleine Infrarot-Teleskop IRT ( InfraRed Telescope ) im Laderaum des Space Shuttles eingeschifft istJuli 1985(Mission STS-51-F ) muss sich großen Problemen der Kontamination durch Infrarotemissionen stellen, die das Raumschiff einmal im Weltraum erzeugt. Das Akronym SIRTF wird trotz dieser Änderung in der Architektur beibehalten, steht aber jetzt für Space Infrared Telescope Facility .

Entwicklung (1984-2003)

Die spektakulären Ergebnisse des 1983 von der NASA gestarteten IRAS- Infrarot-Weltraumteleskops, dessen Mission nur 10 Monate dauerte, veranlassten die Astronomengemeinschaft, nach der Entwicklung eines Nachfolgers zu fragen. Der Bahcall- Bericht, der 1991 mit dem Ziel erstellt wurde, vorrangige astronomische Projekte zu identifizieren, sagt voraus, dass die neunziger Jahre das Jahrzehnt des Infrarot sein werden, und räumt der Entwicklung eines Infrarot-Teleskops im Weltraumbereich Vorrang ein. Das SIRTF / Spitzer-Infrarot-Teleskop ist das letzte der vier  von der NASA entwickelten "  Large Observatories " zur Beantwortung der wichtigsten Fragen auf dem Gebiet der Astrophysik . Weitere Teleskope in diesem Programm sind das Hubble-Weltraumteleskop, das 1990 für Beobachtungen im sichtbaren Spektrum und im nahen Ultraviolett gestartet wurde , Chandra (1999) für weiche Röntgenstrahlen ( 0,01 bis 10  nm ) und das Compton Gamma-Ray Observatory (1991). für Gammastrahlung und harte Röntgenstrahlen (10 bis 100 µm). Die Realisierung des Teleskops wird vom JPL- Zentrum der NASA verwaltet. Das erste Projekt entwickelt sich zu einer viel ehrgeizigeren Maschine und sieht nun ein Teleskop mit einer Masse von 5,7 Tonnen vor, das 3.800  Liter flüssiges Helium (zur Kühlung der Detektoren) transportiert, das von einem Titan- Werfer in die Erdumlaufbahn gebracht wird . Gleichzeitig verschlechtert sich das amerikanische Wirtschaftsklima und mehrere NASA-Weltraummissionen scheitern. Kurz nach der Veröffentlichung des Bahcall-Berichts wurde das Budget der NASA stark gekürzt, was zur Annullierung mehrerer Projekte und zu einer Verringerung der Ziele und der Leistung der Projekte führte, die beibehalten wurden. Spitzer macht somit in 5 Jahren zwei Budgetkürzungen durch, die das für das Projekt bereitgestellte Budget von 2,2 Milliarden auf 500 Millionen Dollar erhöhen. Trotz dieser drastischen Reduzierung hat SIRTF / Spitzer dank der neuesten Fortschritte in der Infrarotbeobachtung und mehrerer Optimierungen eine 10- bis 100-mal höhere Empfindlichkeit als seine Vorgänger. In den 1980er Jahren investierte das US -Verteidigungsministerium Hunderte Millionen Dollar in die Entwicklung von Infrarotdetektoren. Die daraus resultierenden technologischen Fortschritte haben sich allmählich auf zivile Anwendungen ausgeweitet und ermöglichen die Entwicklung viel empfindlicherer Detektoren für die Infrarotastronomie: Während die Detektoren des IRAS-Satelliten nur 62 Pixel haben, haben die Detektoren der IRAC-Kamera von Spitzer 65.000.

Im Gegensatz zu Projekten dieser Art werden die an der Realisierung von Spitzer beteiligten Hersteller von Anfang an konsultiert. Lockheed Martin trägt die Gesamtverantwortung für die Entwicklung und das Testen von Satelliten. Ball Aerospace entwickelt die kryogene Baugruppe einschließlich des Kryostaten und des optischen Teils. Die drei Bordinstrumente werden vom Goddard Space Flight Center (IRAC-Instrument) der NASA , der Cornell University in Ithaca ( Bundesstaat New York ), dem IRS-Instrument und der University of Arizona (MIPS-Instrument) hergestellt. Der Betrieb des Teleskops wird vom Spitzer Science Center auf dem Campus des California Institute of Technology in Pasadena ( Kalifornien ) gesteuert .

Durchführung der Mission

Starten

Spitzer wird in die Umlaufbahn gebracht 25. August 2003von einem Delta II 7920H Launcher von der Startrampe von Cape Canaveral in Florida . Benannt SIRTF für Weltrauminfrarotteleskop der Einrichtung vor seiner Markteinführung wurde es umbenannt Spitzer vier Monate später zu Ehren des amerikanischen Wissenschaftlers, Lyman Spitzer , amerikanischer Astrophysiker , der eine führende Rolle in den ersten Weltraumteleskop - Projekten gespielt. Spitzer wird "heiß" gestartet, wodurch sich seine Masse reduzieren lässt. Während der folgenden drei Monate kühlen die in flüssiges Helium eingetauchten Instrumente allmählich ab, während die Temperatur des optischen Teils durch die verdampfenden Dämpfe des Heliums gesenkt wird. Das Teleskop beginnt dann die kryogene Phase seiner Mission.

Kalte Mission (2003 - Mai 2009)

Die ersten vom Teleskop aufgenommenen Bilder sollen die Fähigkeiten des neuen Teleskops demonstrieren: Es handelt sich um Bilder eines Sternenkindergartens, einer Trümmerscheibe eines sich bildenden Planeten und organischen Materials aus einem fernen Universum. Eine der bemerkenswertesten Beobachtungen wurde 2005 gemacht, als es dem Teleskop gelingt, die ersten Bilder von Exoplaneten, dem heißen Jupiter HD 209458 b und TrES-1b, aufzunehmen. ImSeptember 2006Das Teleskop nimmt an einer Vermessung des Himmels des Gould-Gürtels teil, der sich etwa 3000 Lichtjahre von der Sonne entfernt befindet. Der Heliumvorrat sollte es ermöglichen, die Instrumente 2,5 Jahre lang abzukühlen, aber letztendlich läuft er erst ab15. Mai 2009oder 5,5 Jahre nach dem Start. Die Hauptmission hat eine Dauer von 2,5 Jahren, wird jedoch mehrmals verlängert, da sie 15 Jahre nach ihrem Start endet.

Heiße Mission (Juli 2009 - Januar 2020)

Das Weltraumteleskop startet nach Erschöpfung seines Heliums im Juli 2009 eine neue Mission, als sich die Temperatur bei 28 Kelvin stabilisiert . Zwei der Instrumente funktionieren nicht mehr, aber die IRAC-Infrarotkameras funktionieren unter diesen neuen Bedingungen weiterhin optimal. Sie ermöglichen die Beobachtung der Wellenlängen 3,6 und 4,5 Mikrometer. Während dieser neuen Phase seiner Mission kartiert das Teleskop Infrarotquellen großer Teile des Himmels, beobachtet Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem, beobachtet Exoplaneten und beobachtet die entferntesten Galaxien in unserem Universum.

2014 ist eine Einstellung der Mission aus Haushaltsgründen geplant, aber der Projektmanager schafft es, die jährlichen Betriebskosten von 17 Mio. USD auf 11 Mio. USD zu senken. 2016 beschloss die NASA, die Mission zu verlängern, da Spitzer im Vergleich zu fünf anderen astrophysikalischen Weltraummissionen, bei denen Kosten und Ergebnisse in Einklang gebracht werden, besonders gut abschneidet. Beamte der US-Raumfahrtbehörde beschließen, die Mission bis zum Start des nächsten Infrarot-Weltraumteleskops JWST zu verlängern, das für 2018 geplant ist. Wenn der Start auf 2021 verschoben wird, versucht die Raumfahrtbehörde nach dem Versuch, externe Finanzierungsquellen zu finden. beschließt, Spitzers Mission nicht darüber hinaus zu verlängernJanuar 2020.

Ende der Mission

Das Teleskop zirkuliert in einer Umlaufbahn nahe der der Erde. Es bewegt sich allmählich davon weg (zu Beginn des Jahres 2020 befindet sich das Teleskop 260 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, mehr als das 700-fache der Erde-Mond-Entfernung). Infolge der relativen Position des Teleskops zur Erde wird die Ausrichtung seiner Sonnenkollektoren während Telekommunikationssitzungen zunehmend ungünstiger und diese werden allmählich verkürzt. Nach 16 Jahren Betrieb beschließt die NASA, die Mission am zu beenden30. Januar 2020. Befehle werden vom Kontrollzentrum gesendet, damit Spitzer in den Überlebensmodus wechselt und seine Sonnenkollektoren auf die Sonne gerichtet sind. Das Weltraumteleskop wird sich weiterhin allmählich von der Erde entfernen, bevor es sich ihm wieder nähert und sich 2053 ihm nähert (8-fache Entfernung Erde-Mond). Das Funksignal wird zu diesem Zeitpunkt so schwach sein. - Es wird spezielle Ausrüstung benötigen entworfen, um es zu erfassen. Die Kosten der Mission einschließlich Start, Durchführung der Operationen und Datenanalyse werden über die Dauer der Hauptmission auf 1,19 Mrd. USD und einschließlich der Operationen bis zur Stilllegung im Jahr 2020 auf 1,36 Mrd. USD geschätzt.

Wissenschaftliche Ziele

Alle Objekte im Universum erzeugen kontinuierlich Emissionen über das gesamte elektromagnetische Spektrum ( sichtbares Licht , Infrarot , Ultraviolett , Radiowellen , Gammastrahlen und Röntgenstrahlen ), die Informationen über ihre Struktur und die sie beeinflussenden Prozesse liefern. Ein großer Teil dieser Emissionen, insbesondere Infrarotemissionen, kann nur vom Weltraum aus beobachtet werden, da sie nicht den Boden der Erde erreichen und von der Erdatmosphäre abgefangen werden. Infrarotstrahlung ist besonders interessant, da sie von jedem Objekt mit einer Temperatur über 0 Kelvin ( –273,15  ° C ) emittiert wird . Mit dieser Funktion können Infrarot-Teleskope wie Spitzer unsichtbare Phänomene bei anderen Wellenlängen beobachten, z.

• die Geburt von Sternen, bevor sie massiv genug sind, damit die thermonukleare Fusion beginnen kann. Das in dieser ersten Phase emittierte Infrarotlicht erreicht die Weltraumobservatorien trotz des dicken Staubschleiers.
• Sterne produzieren beim Sterben Materie in Form von Staub, der als Grundmaterial für die Bildung neuer Sterne dient. Die Infrarotbeobachtung von Sternen am Ende ihres Lebens liefert wichtige Informationen über die Zusammensetzung dieses Staubes. Diese Informationen sollten es Astronomen ermöglichen, den Staubursprung am Anfang des Universums zu rekonstruieren.
• Das Spitzer-Observatorium kann den Prozess der Planetenbildung untersuchen. Spitzer kann keine Exoplaneten beobachten, aber er kann die von Staubwolken gebildete protoplanetare Scheibe beobachten . Durch Messen der Temperatur der Scheibe ermöglicht das Teleskop, die Struktur und das Alter der Scheibe zu kennen und festzustellen, ob Planeten gebildet werden oder bereits gebildet werden.
• Die Infrarotbeobachtung von Galaxien ermöglicht die Charakterisierung der drei vorhandenen Strahlungsquellen: Sterne , interstellares Medium und interstellarer Staub . Spitzer kann so die Galaxien identifizieren, die schnell neue Sterne produzieren (Sternenkindergärten) und den Ursprung dieser Genese identifizieren. Die Beobachtung unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße , ermöglicht es, die Regionen zu lokalisieren, in denen sich noch Sterne bilden. Schließlich sollte Spitzer ein besseres Verständnis für Galaxien liefern , die im Infrarot leuchten und deren Eigenschaft darin besteht, mehr als 90% ihres Lichts im Infrarot zu emittieren.
• Die meisten Sterne, die im Universum leben, sind nicht massereich genug, um eine thermonukleare Fusion auszulösen. Diese Braunen Zwerge erzeugen kein sichtbares Licht, sondern emittieren im Infrarot. Einige der dunklen Materie , die Astronomen zu identifizieren suchen, können braune Zwerge sein. Die Empfindlichkeit von Spitzers Instrumenten ermöglicht es, die Volkszählung in der Nähe des Sonnensystems durchzuführen und zu untersuchen.
• gigantische Molekülwolken befinden sich im interstellaren Raum. Sie bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und sind das Rohstoffreservoir, aus dem Sterne gebildet werden. Spitzers Untersuchung der Dichte und Temperatur dieser Wolken liefert wichtige Informationen über die physikalischen Bedingungen und die chemische Zusammensetzung, die Protosterne ermöglichen .
• Das Licht der ältesten Galaxien, die vor 13 Milliarden Jahren, d. h. fast eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, erschienen sind , ist aufgrund des Phänomens der Verschiebung in Richtung Rot von der Erde im Infrarotbereich sichtbar . Spitzer ermöglicht es, diese Galaxien zu untersuchen und so zu bestimmen, wie und wann diese ersten Objekte im Universum entstanden sind. Das Teleskop ermöglicht es auch, den kosmologischen diffusen Infrarothintergrund zu untersuchen, der sich aus Emissionen von Galaxien und Sternen ergibt, die zu wenig sichtbar sind, um unterschieden werden zu können.
• Die meisten Galaxien enthalten in ihrem Zentrum ein oder mehrere supermassereiche Schwarze Löcher . Spitzer ist besonders gut gerüstet, um diese Objekte zu beobachten, wenn sie aktiv sind (während sie Materie absorbieren). Diese Schwarzen Löcher werden von Spitzer dank der von Materie emittierten Infrarotstrahlung beobachtet, wenn sie von ihnen angezogen wird.
• Spitzer ist das erste Teleskop, das das Licht eines Exoplaneten , d. H. Eines Planeten, der einen anderen Stern umkreist , direkt beobachten kann . Das Teleskop kann die Temperatur, die Winde und die Zusammensetzung entfernter Planeten bestimmen, wenn sie bestimmte Eigenschaften (Größe, Entfernung) erfüllen.

Orbit

Das Infrarot-Teleskop muss sich so weit wie möglich von Wärmequellen fernhalten und in der Lage sein, seine Instrumente auf einer Temperatur nahe 0 Kelvin zu halten, ohne das zu kühlende Helium zu schnell zu verbrauchen. Die Konstrukteure der Mission entscheiden sich im Gegensatz zu den vorangegangenen Infrarot-Teleskopen dafür, Spitzer nicht in eine Umlaufbahn um die Erde zu bringen, da diese einen Teil der von der Sonne emittierten Wärme reflektiert , sondern sie in eine parallele heliozentrische Umlaufbahn zu der von die Erde, die es in 372 Tagen durchquert. In dieser Umlaufbahn sinkt die Temperatur des Teleskops passiv auf 34 Kelvin, wodurch Helium für die anfängliche Abkühlung eingespart wird. Da Spitzer weit von der Erde entfernt ist, hat er ein viel größeres Beobachtungsfeld: 30% des Himmels können jederzeit beobachtet werden, während der Rest des Himmels an aufeinanderfolgenden Tagen von etwa 40 Tagen zweimal im Jahr gesehen werden kann. Das Ziel des Teleskops unterliegt zwei Einschränkungen: Seine Achse darf sich nicht mehr als 80 ° der Sonne nähern, da es jenseits des Sonnenkollektors / der Sonnenblende nicht mehr verhindern kann, dass es sich erwärmt, und es darf sich nicht von der Sonne entfernen Achse um mehr als 120 °, damit die Solarzellen genügend Energie produzieren können. In seiner Umlaufbahn entfernt sich Spitzer allmählich von der Erde (sie dreht sich weniger schnell um die Sonne) mit einer Geschwindigkeit von einem Zehntel AU pro Jahr. Diese fortschreitende Entfernung führt zu einer fortschreitenden Verringerung der Durchflussrate beim Austausch mit der Erde.

Technische Eigenschaften

Spitzer ist das kleinste der großen Observatorien der NASA: Es misst ein Drittel der Länge des Hubble-Weltraumteleskops für ein Elftel seiner Masse. Es handelt sich um eine zylindrisch geformte Maschine mit einer Länge von 4,45 Metern und einem Durchmesser von 2,1 Metern, die aus drei Unterbaugruppen besteht:

• das Teleskop mit seinen wissenschaftlichen Instrumenten, gekühlt durch flüssiges Helium, das durch eine Hülle geschützt ist. Zusammen bilden sie die CTA ( Cryogenic Telescope Assembly ).
• Das Servicemodul befindet sich am unteren Ende des Teleskops. Es ist ein 8-seitiges Modul, in dem die Elektronik wissenschaftlicher Instrumente, Antennen, Triebwerke und Computer untergebracht ist, die für den Betrieb und die Ausrichtung des Teleskops verantwortlich sind.
• die Sonnenkollektoren, die auch das Teleskop vor Sonnenlicht schützen.

Spitzer haben eine Masse von 950  kg , einschließlich dem 15,6  kg von Stickstoff für Korrekturen der Umlaufbahn und die verwendeten 360  Liter Helium (50,4  kg ) verwendet , um die Instrumente zu kühlen und das Teleskop. Die Sonnenkollektoren liefern 400 Watt, die in Batterien mit einer Kapazität von 16 Amperestunden gespeichert sind. Das Zielen des Teleskops erfolgt mit Reaktionsrädern . Die Entsättigung der Reaktionsräder erfolgt mit zwei Sätzen von sechs Kaltgasstrahlrudern unter Verwendung von Stickstoff .

Wärmedämmung

Das Teleskop sollte so kühl wie möglich gehalten werden, damit die von den Instrumenten beobachteten Objekte von den Instrumenten nicht mit anderen Wärmequellen (Infrarot) der Instrumente selbst verwechselt werden. Die Wärme wird durch die Sonnenstrahlung erzeugt, die auf die Solarmodule (rechts im nebenstehenden Diagramm) und die Elektronik des Servicemoduls (unten im Diagramm) trifft. Der Teil der Spitzlast von Spitzer, der bei sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden muss, wird als CTA ( Cryogenic Telescope Assembly ) bezeichnet. Der Satellit ist so ausgerichtet, dass die Sonne niemals auf den CTA trifft. Das CTA besteht aus vier Unterbaugruppen: dem Teleskop, dem Fach mit den wissenschaftlichen Instrumenten (ohne Elektronik), dem Kryostaten und der externen Hülle, die für die thermische Isolierung dieser Baugruppe verantwortlich sind. Das Teleskop trägt flüssiges Helium, das durch Verdampfen die Ableitung der Wärme ermöglicht. Für eine dauerhafte Mission ist es jedoch wichtig, dass die überschüssige Wärme abgeführt oder gestoppt wird, indem die kalten Teile des Teleskops und seiner Instrumente so gut wie möglich isoliert werden.

Die Wärme wird durch Wärmeleitung (über die Abstandshalter, die die verschiedenen Komponenten verbinden) und durch Strahlung zum Teleskop und seinen Instrumenten diffundiert. Das Klimagerät ist mit Abstandshaltern am Servicemodul befestigt, um die Wärmeübertragung zu begrenzen. Zwei Wärmeschilde, die sich einerseits zwischen dem Klimagerät und dem Servicemodul und andererseits zwischen dem Klimagerät und den Solarmodulen befinden, fangen den größten Teil der erzeugten Wärme ab und evakuieren im Vakuum durch Strahlung. Das äußere Gehäuse des CTA, das aus Aluminiumwaben besteht, ist auf der der Sonne gegenüberliegenden Seite schwarz lackiert, um die maximale Wärme in Richtung Weltraum abzuleiten. Auf der anderen Seite ist es glänzend, um die Sonnenstrahlung zu reflektieren. Der Kryostat besteht aus einem Gehäuse, in dem ein Vakuum erzeugt wird und flüssiges Helium enthält: Die durch Verdampfung erzeugten Dämpfe kühlen das Ganze auf eine Temperatur von etwa 5 Kelvin ab, indem sie die geringe Wärmemenge (modelliert bei 4 mW ) ausgleichen  , die den Kern erreicht des Teleskops oder das von den Detektoren der Instrumente erzeugt wird. Der CTA ist an seinem oberen Ende durch eine Abdeckung verschlossen, um die Verdunstung von Helium zu Beginn des Fluges zu begrenzen. Dieser Teil des Teleskops wird ausgeworfen, damit das Licht den Primärspiegel erreichen kann, wenn die Temperatur der Baugruppe unter 35 Kelvin gefallen ist.

Telekommunikation

Der Austausch zwischen dem Satelliten und der Erde findet nicht kontinuierlich statt, da die für die Kommunikation verwendete Antenne mit hoher Verstärkung fest ist und nicht auf die Erde gerichtet ist, wenn das Teleskop in Betrieb ist. Einmal alle 12 bis 24 Stunden wird die Ausrichtung des Teleskops geändert, damit die Antenne auf die Erde gerichtet und Daten übertragen werden können. Das Teleskop verfügt über einen Massenspeicher mit einer Kapazität von 8 Gigabit, mit dem Sie eine Telekommunikationssitzung überspringen können. Spitzer hat auch vier Antennen mit geringer Verstärkung.

Spitzer-Diagramm und Schnittansicht

Ein optischer Teil  : 1 - Sekundärspiegel; 2 - Außenhülle; 3 - Primärspiegel; 11 Staubschutz; B Kryostat  : 4 - Instrumentenfach; 10 - Heliumtank; C Servicemodul  : 5 - Abschirmung des Servicemoduls; 6-Sterne-Finder; 7 - Batterien; 8 - Antenne mit hoher Verstärkung; 9 - Stickstofftank; 12 - Abstandshalter; 13 - Trägheitseinheit; D Sonnenkollektoren  : 14 - Sonnenkollektorabschirmung.

Nutzlast

Die Nutzlast Spitzer besteht aus dem Teleskop (dem optischen Teil), dem Fach mit wissenschaftlichen Instrumenten (ohne Elektronik) und der Elektronik der Instrumente im Servicemodul, um die Erwärmung der Detektoren zu begrenzen.

Optischer Teil

Der optische Teil von Spitzer ist ein Teleskop vom Typ Ritchey-Chrétien mit einem Primärspiegel von 85 cm Durchmesser. Das Teleskop enthält auch einen Sekundärspiegel mit einem Durchmesser von 12  cm und einen Turm, der die beiden Spiegel verbindet. Der Sekundärspiegel ist an einem Mechanismus montiert, mit dem der Abstand zum Primärspiegel geändert werden kann, sobald sich das Teleskop in der Umlaufbahn befindet. Alle Teile des Teleskops mit Ausnahme der Klammern bestehen aus Beryllium . Dieses Metall hat den Vorteil, dass es leicht, stark und nicht sehr empfindlich gegenüber thermischen Veränderungen ist. Die Gesamtmasse des Teleskops beträgt 55  kg bei einer Höhe von 90  cm . Die Brennweite beträgt 10,2 Meter.

• Einige der Komponenten von Spitzer

• Der optische Teil des Spitzer-Teleskops.

• Das Servicemodul.

Wissenschaftliche Instrumente

Die vom Teleskop gesammelte Infrarotstrahlung kann mit drei Instrumenten analysiert werden. Im Gegensatz zum Hubble-Weltraumteleskop kann jedoch jeweils nur ein Instrument betrieben werden. Diese befinden sich in einem Aluminiumfach mit einem Durchmesser von 84  cm und einer Höhe von 20  cm, das durch eine Öffnung in der Mitte seines oberen Teils die vom Teleskop gesammelte Infrarotstrahlung empfängt. Das Fach befindet sich direkt über dem mit flüssigem Helium gefüllten Kryostaten, wodurch die Instrumente auf einer Temperatur nahe 0 Kelvin gehalten werden . Die Instrumentenelektronik, eine Wärmequelle, befindet sich im Servicemodul. Die drei Instrumente an Bord sind:

• IRAC ( Infrared Array Camera ) ist eine Kamera zur Beobachtung des nahen und mittleren Infrarot. Die Detektoren bestehen aus 4 Feldern von 256 x 256 Pixeln , die jeweils in Sammel jeweils Bands auf 3,6 zentrierten  um , 4,5  & mgr; m , 5,8  & mgr; m und 8,0  & mgr; m . Die für kurze Wellenlängen (3,6 und 5,5 um) verwendeten Detektoren bestehen aus Indium und Antimon, während die für lange Wellenlängen ( 5,8 und 8  um ) vorgesehenen Detektoren mit Arsen versetzt sind . Der einzige bewegliche Teil des Instruments ist der Verschluss, der seit der Umlaufbahn von Spitzer nicht mehr verwendet wurde. IRAC ist das einzige Instrument, das zumindest teilweise funktionieren kann, wenn das zur Kühlung der Instrumente verwendete Helium erschöpft ist: Die Temperatur ist dann für die 5,8- und 8-µm-Detektoren zu hoch, aber die beiden anderen Detektoren bleiben in Betrieb.
• IRS ( Infrared Spectrograph ) ist ein Spektrograph , der Strahlungsspektren zwischen 5  um und 38  um erzeugt . Es besteht aus vier parallel arbeitenden Teilmengen: hochauflösendes Kurzwellenspektrum zwischen 10 und 19,5 µm, niedrigauflösendes Kurzwellenspektrum zwischen 5,3 und 14 µm, niedrigauflösendes Langwellenspektrum zwischen 14 und 40 µm, hochauflösendes Langwellenspektrum zwischen 19 und 37 um. Alle Detektoren haben eine Größe von 128 x 128 Pixel, die für kurze Wellen verwendeten sind mit Arsen dotiert, während die für lange Wellen aus mit Antimon dotiertem Silizium bestehen . Das Instrument hat kein bewegliches Teil.
• MIPS ( Multiband Imaging Photometer für Spitzer ) ähnelt IRAC, einer Bildkamera, die jedoch auf fernes Infrarot (24  µm , 70  µm und 160  µm ) spezialisiert ist und einfache Spektrometrie durchführen kann. Der 24-µm-Detektor hat 128 × 128 Pixel und besteht aus mit Arsen dotiertem Silizium. Die 70- µm- Detektoren  bestehen aus zwei mit Gallium dotierten 16-Pixel- Germanium- Arrays , die zu einer 32 × 32-Matrix verbunden sind. Der 160-µm-Detektor besteht aus 2 Reihen mit 20 Pixeln aus denselben Materialien. Diese Eigenschaften sind denen der Sensoren des europäischen ISO-Infrarot-Teleskops deutlich überlegen  : PHOT C-100 (entspricht 70  µm ) mit nur 3 × 3 Pixeln und C-200 mit nur 2 × 2 Pixeln. Das beobachtete Feld beträgt 5 × 5 Bogenminuten für die Wellenlänge von 24 Mikron, fällt jedoch bei 1600 Mikrometern auf 0,5 × 6 Bogenminuten ab. Der 70-Mikron-Detektor kann ein einzelnes Spektrum zwischen 50 und 100 Mikron erzeugen. Das Instrument hat nur einen beweglichen Teil: Es ist ein rotierender Spiegel, mit dem größere Teile des Himmels abgebildet werden können. MIPS-Detektoren werden auf 1,7 K abgekühlt . 

• Wissenschaftliche Instrumente

• Der IRS-Spektrograph nach seiner Integration in die MIC-Kryokammer.

• Die MIPS Infrarotkamera vor ihrer Integration.

• Die drei Instrumente sind in die MIC-Kryokammer integriert.

Ergebnisse

Im Jahr 2010 wurden fast 2.000 wissenschaftliche Veröffentlichungen veröffentlicht, die auf Beobachtungen mit Spitzer basieren.

Mit dem Spitzer-Teleskop können erstmals viele Phänomene beobachtet werden:

• der Prozess der Bildung der Planeten  : die Auflösung der Staub- und Gasscheibe und ihre Konzentration, die zur Bildung der Planeten führt. Beobachtungen an sonnenähnlichen Sternen in verschiedenen Phasen legen nahe, dass die Staub- und Gasscheibe, aus der die terrestrischen Planeten stammen, in wenigen Millionen Jahren verschwindet und der Entstehungsprozess daher sehr schnell verläuft.
• Spitzer kann Braune Zwerge untersuchen, die aufgrund ihrer geringen Größe (weniger als das 0,08-fache der Sonnengröße) abgebrochene Sterne sind (die Kernfusion hat noch nicht begonnen), aber im Infrarot emittieren. Nach diesen Beobachtungen stellen braune Zwerge wie Sterne Staub- und Gasscheiben dar, aus denen Planeten entstehen können.
• Spitzer beobachtet über einen sehr weiten Wellenbereich, wodurch er sehr unterschiedliche Phänomene in Galaxien erkennen kann, die von der Atmosphäre der Sterne bis zu kalten interstellaren Wolken reichen. Diese Fähigkeit zusammen mit einem optischen Feld von 5 x 5 Bogenminuten ermöglicht beeindruckende Bilder benachbarter Galaxien wie M81.
• Spitzers Empfindlichkeit ermöglicht es ihm, besonders entfernte Galaxien mit einer Rotverschiebung von 6 zu erkennen und erschien daher etwas weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall .
• Spitzer beobachtet Infrarotgalaxien, den Ort sehr intensiver Sternentstehung („  Galaxien mit Sternentstehungsstößen  “) und beleuchtet die damit verbundenen besonderen Prozesse.
• Zum ersten Mal kann das Weltraumteleskop das von einem heißen Exoplaneten emittierte Licht erfassen und so die Temperaturschwankungen auf seiner Oberfläche analysieren.
• er beobachtete zum ersten Mal Fullerenmoleküle im festen Zustand.

Exoplaneten

Obwohl die Beobachtung von Exoplaneten nicht zu den ursprünglichen Zielen der Spitzer-Mission gehörte, machte das Weltraumteleskop dank seiner Infrarot-Beobachtungskapazität und der Präzision seines Punktesystems wichtige Entdeckungen auf diesem Gebiet:

• Im Mai 2009Spitzer liefert die erste meteorologische Karte eines Exoplaneten, indem er Temperaturschwankungen auf der Oberfläche des Gasriesenplaneten 189733b hervorhebt. Die Beobachtungen unterstreichen auch das Vorhandensein starker Winde, die die Atmosphäre durchqueren.
• Spitzer entdeckt im Rahmen einer 500-stündigen Beobachtungskampagne fünf der sieben felsigen Planeten, die den Stern TRAPPIST-1 umkreisen . Spitzers Eigenschaften waren ideal, um diesen Stern viel kühler als unsere Sonne zu beobachten und die Größe und Masse der Planeten zu bestimmen.
• 2010 gelang es Spitzer, einen 13.372 Lichtjahre entfernten Exoplaneten zu entdecken, der viel weiter entfernt ist als alle bisher entdeckten. Die Detektion erfolgt mit Hilfe der Gravitationsmikrolinsen- Technik mit Hilfe eines terrestrischen Teleskops.
• Diese Technik wird erneut mit Hilfe südkoreanischer Astronomen eingesetzt , um einen erdgroßen Planeten zu entdecken, der sich um einen Zwergstern dreht, der 12,7 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt.
• Durch die Kombination von Daten von Spitzer und dem Kepler- Weltraumteleskop wurde eine erste Kartierung der Wolken eines riesigen Exoplaneten von der Größe des Jupiter erstellt. Spitzer stellte fest, dass die Temperatur von Kepler-7b zwischen 1100 und 1300 Kelvin lag, und folgerte, dass die westliche Hemisphäre permanent bewölkt war, während die östliche Hemisphäre eine klare Atmosphäre hatte.
• Eine 8-Stunden - Beobachtung von Planeten 55 Cancri hat festgestellt , dass diese Super- Erde Typ Planeten (doppelt so groß wie die Erde) erfahren besonders hohe Temperaturen. Dieser Planet, der eine Gravitationsverriegelung erfährt (das gleiche Gesicht ist immer dem Stern zugewandt), hat eine Oberflächentemperatur von 2400  ° C auf der Tagesseite und von 1120  ° C auf der Nachtseite. Dies deutet darauf hin, dass seine Oberfläche mit Lava bedeckt ist .
• 2007 hat Spitzer genug Licht von einem Exoplaneten eingefangen, um das Vorhandensein bestimmter Moleküle in seiner Atmosphäre zu identifizieren. Unter Verwendung der sekundären Eclipse-Technik stellt der Weltraumteleskop-Spektrograph fest, dass die beiden Riesenplaneten HD 209458b und HD 189733b sowohl trockener als auch wolkiger waren als vorhergesagt. Entgegen den Erwartungen wurde in ihrer Atmosphäre keine Spur von Wasser gefunden. Die Atmosphäre von HD 209458b enthält kleine Sandkörner (Silikate), deren Vorhandensein auf einem Planeten dieses Typs eine Neuheit darstellt.
• Spitzer ermöglichte es, die Entdeckungen von Exoplaneten anderer Instrumente, insbesondere Kepler, zu bestätigen und zu klären . Eine Beobachtungskampagne von 10 heißen Jupitern, die 2015 mit dem Hubble- Weltraumteleskop durchgeführt wurde, ermöglichte es, das Rätsel der offensichtlichen Abwesenheit von Wasser in der Atmosphäre dieser Planeten zu lösen. Das Wasser wurde tatsächlich von Wolken und Nebeln verdeckt.
• Spitzer nutzte seine Infrarotfähigkeiten, um Staub von den Überresten von Asteroiden zu beobachten, die sechs weiße Zwerge umkreisen . Die gesammelten Daten zeigen, dass dieser Staub Olivin enthält , ein Material, das auf unserer Erde reichlich vorhanden ist. Dies deutet darauf hin, dass Bestandteile unserer Erde und anderer felsiger Planeten im Sonnensystem im gesamten Universum verbreitet sind und daher auch felsige Planeten häufig vorkommen.
• Spitzer beobachtet zwischen August 2012 und Januar 2013ein starker Anstieg der Staubmenge um den Stern NGC 2547-ID8. Dies war wohl das Ergebnis einer Kollision zwischen zwei großen Asteroiden, die Einblick in den gewalttätigen Prozess gab, der zur Bildung felsiger Planeten wie der Erde führte.

• Bilder von Spitzers Instrumenten

• Der Helixnebel . Blau: Infrarot zwischen 3,6 und 4,5 Mikron; grün: zwischen 5,8 und 8 Mikron; rot: 24 Mikron.

• Im Uhrzeigersinn von oben links: Infrarotansicht der Andromeda-Galaxie  ; Herbig-Haro HH- Objekt mit einem Protostern  ; mehrere Protosterne in der dunklen Kugel IC 1396 gefunden  ; der Komet Schwassmann-Wachmann 1 .

• Mit Spitzer können wir den äußeren Staubring entdecken, der den Saturn umgibt .

Nachfolger

In 2009 , der Herschel Satellit wurde mit einem 3,5-Meter - Spiegel gestartet, so dass die Analyse der längerwellige Infrarotstrahlen. Das JWST- Weltraumteleskop der NASA soll 2021 die Leitung mit einem Primärspiegel übernehmen, dessen Fläche fünfzigmal so groß ist wie die von Spitzer.

Anmerkungen und Referenzen

Anmerkungen

1. Das der Erde zugewandte Gesicht eines Satelliten mit niedriger Umlaufbahn kann aufgrund der Emission von Infrarotstrahlung durch die Erde eine Temperatur von –23  ° C erreichen .

Verweise

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Literaturverzeichnis

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Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

• Infrarotastronomie .
• IRAS- Infrarot-Teleskop, 1983 von der NASA gestartet.
• ISO- Infrarot-Teleskop, das 1995 von der Europäischen Weltraumorganisation ins Leben gerufen wurde .
• Programm der großen Observatorien, zu denen Spitzer gehört.
• JWST (2021) Spitzer-Sauger
• Herschel (2009) Spitzers Sauger

Externe Links

• (de) Offizielle Website
• (en) Archivierung der gesammelten Daten