Kolmesilmaline Herschel näeb seninähtamatut
Ülo Vaher
08.08.2011

Juba üle aasta töötab kaugkosmoses edukalt Herscheli nime kandev Euroopa kosmoseagentuuri hiigelsuur observatoorium, mille kolm erakordselt võimsat infrapunateleskoopi võimaldavad teadlastel esmakordselt näha ja uurida universumi osi, mis on senistele teleskoopidele jäänud nähtamatuteks. Herschel avas uue peatüki astronoomias ja kosmoloogias, aga on suursaavutus ka tehnikas.

Meid ümbritsevas maailmaruumis nähtavat ja toimuvat on inimesed aastatuhandeid uurinud üksnes silmade abil ja neli aastasada, kasutades pikksilmi/teleskoope. Ainult neli aastakümmet on olnud võimalus kasutada teleskoope, mis ei registreeri üksnes silmale nähtavat valgust, mis kogu maailmaruumis levivast elektromagnetkiirguste spektrist moodustab väga väikese osa (0,4–0,7 µm), vaid suudavad „näha” ka lühema lainepikkusega ultraviolett-, röntgen- ja gammakiirgust või suurema lainepikkusega infrapunast (IP) ja raadiokiirgust. Nähtavas valguses võib kosmose objektidest näha vaid tähti, kuid enamiku mateeriast moodustavad seal hiiglaslikud gaasi- ja tolmupilved. Pilvedes kasvab üksikute tihedamate tompude järkjärgulisel gravitatsioonilisel kokkutõmbumisel nende sisemuses rõhk ja temperatuur miljonite kraadideni, kuni keskmes käivitub termotuumasüntees ja süttib uus valgust kiirgav täht. Kuid nagu enamik inimühiskonna esindajaist, nii jääb ka neist suurem osa märkamata ning vaid üksikud, kes on saanud täheks-staariks, saavad üldsusele tuntuks.
Vaid tänu infrapuna-astronoomiale saab „näha” ja uurida peaaegu kõiki kosmilisi objekte, sest IP-kiirgust kiirgavad kõik materiaalsed kehad, kusjuures selle kiirguse intensiivsus ja spektrisagedus kasvavad koos keha temperatuuriga. Kuigi iga üksiku objekti IP-kiirgus on tohutult palju nõrgem kui tähe valguskiirgus, moodustab nimelt IP-kiirgus siiski külmade ja tumedate kosmiliste objektide rohkuse tõttu kogu kosmoses levivast kiirgusest umbes poole. Infrapunateleskoobid aitavad vaadelda ka märkimisväärset osa nähtavat valgust kiirgavaid tähti ja galaktikaid. Kuigi neid varjavad hiiglaslikud kosmilised gaasi- ja tolmupilved, läbib IP-kiirgus neid pilvi üsna hõlpsasti, muutes nad seeläbi nähtavaks. Kuna just tolmupilvedes toimub intensiivne uute tähtede sünd, siis infrapunateleskoobid on asendamatuks abimeheks täheloomeprotsesside detailsel uurimisel. Samuti on tähtis asjaolu, et Universumi varasel etapil tekkinud esimesed galaktikad on Universumi kiireneva paisumise tõttu eemaldunud meist kaugele suurel kiirusel, mistõttu nende poolt kiiratud valgus on suure punanihke tulemusena muutunud nüüdseks meieni jõudes infrapunaseks. Lisaks taevakehadele on IP-kiirguse abil võimalik uurida ka tähtedevahelise ruumi keemilist koostist, mille juures pakub erilist huvi vee ja teiste elu tekkimiseks vajalike ainete molekulide tuvastamine.

Miks on tarvis viia infrapunateleskoop kosmosesse?
Sellel on üsna proosaline põhjus – kosmosest tulev IP-kiirgus neeldub atmosfääris peamiselt seal leiduva veeauru tõttu ning ei jõua maapinnani. Lisaks tekitab ka atmosfäär ise teataval määral segavat IP-kiirgust. Kosmose uurimise algaastatel püüti mõõtmisi infrapunateleskoopidega teha ka õhupallide abil või lennukitelt, kosmosesse jõudis esimesena teleskoop IRAS 1983 a. Sellele järgnesid ISO (1995), Spitzer (2003), AKARI (2005) ja WISE (2009), kuid kõigi nende tehnilised näitajad ja võimed jäid teadlaste soovidega võrreldes üsna tagasihoidlikeks. Seepärast sündis idee luua tõeline hiigelteleskoop FIRST (Far Infrared and Submillimeter Space Telescope), mis oleks võimeline töötama, erinevalt eelnimetatutest, ka kauginfrapunases ja submillimeetrilises lainepikkuste alas (60–670 µm).

Kaua tehtud kaunikene
Uue idee realiseerimine vajas täiesti uute ja keeruliste tehniliste probleemide lahendamist, mis kujutasid suurt väljakutset konstrueerimisbüroodele. Otsus nendega rinda pista võeti vastu 1993. Projekti üldjuhtimine jäi ESA hooleks Thales Alenia Space’i juhitud konsortsiumi kaudu, milles osalesid kümne riigi teadlased ja insenerid. Teleskoobi tähtsamate sõlmede loomiseks moodustati eraldi konsortsiumid, mis koosnesid kümnetest firmadest.
Iga teleskoobi esmatähtis osa on tema peapeegel, mis määrab teleskoobi võime koguda kiirgust ehk infot. Sellele järgnevad kogutud valgust mõõtvad ja analüüsivad vastuvõtuseadmed, mis kiirguses sisalduva info välja sõeluvad, ning seadmed, mis tööks vajalikud tingimused tagavad, rääkimata kosmoses liikumist ja positsioneerimist ning infovahetust ja energiavarustust tagavatest süsteemidest. Kogu töö seadmete valmistamisel ja pideval täiustamisel ning katsetamisel kestis 16 aastat. Selle käigus sai teleskoop ka uue nime kuulsa astronoomi W. Herscheli järgi 2000. aastal, mil möödus 200 aastat tema poolt IP-kiirguse avastamisest. Herscheli teleskoobi, mis on tõeline kosmoseobservatoorium, edukas start toimus 14. mail 2009 ESA kosmodroomilt Kourous Prantsuse Guajaanas kanderaketi Ariane 5 abil. See start oli märkimisväärne ka selle poolest, et koos Herscheliga startis samas raketis ka Herscheli veli – kosmoseteleskoop Planck, mis asus uurima kosmilist taustkiirgust mikrolainealas ja mis kujutab endast samuti tähelepanuväärset teaduse- ja tehnikasaavutust ning väärib eraldi artiklit.
Maailma suurima kosmoseobservatooriumi Herscheli kõrgus on 9 m ja läbimõõt 4,5 m ning mass 3300 kg. Tema peapeegli läbimõõt on 3,5 m ja selle kiirgust koguv pindala 9,6 m2, ületades sellega seni suurimat kosmoseteleskoopi Hubble’i 20kordselt. Peegel on valmistatud kergest ränikarbiidist, mis on tugev ja vastupidav kahjustustele ning hästi lihvitav ja poleeritav nii, et selle ebatasasused jäävad alla 0,001 mm. Peapeegliga kogutud kiirgus suunatakse sekundaarpeegli abil edasi fokaaltasandisse paigutatud registraatoritesse-analüsaatoritesse (nn silmadesse).

Herscheli kolm silma
Kui teleskoopide ajaloo algsajanditel vahtisid astronoomid okulaari ja tegid nähtu kohta märkmeid vaatluspäevikusse, siis tänapäeval astronoomid öösiti teleskoobi taga ei istu ega silmi ei vaeva, vaid koostavad vaatluste tarbeks arvutiprogramme ning teleskoobis nähtut jäädvustavad seadmed – fotomeetrid ja spektrograafid. Andmed salvestatakse andmekandjatele, kust nad on interneti või kosmiliste infosidekanalite kaudu uurijatele kättesaadavad ülemaailmselt. IP-kiirguse registreerimiseks ja analüüsimiseks on Herschelil koguni kolm erinevat seadet, mis on spetsialiseerunud tööle erinevates lainepikkuste piirkondades ja täiendavad üksteist.
Üheks raskemaks tehniliseks probleemiks, mis tuleb lahendada pikalainelist IP-kiirgust registreerivate ja mõõtvate seadmete puhul, on vajadus jahutada need ülimadalate absoluutse nulli (–273,15 oC) lähedaste temperatuurideni (PACS ja SPIRE puhul vaid 0,3 K), sest muidu summutab nende riistade endi poolt väljastatav IP-soojuskiirgus kosmosest tuleva kiirguse. (Piltlikult sarnaneb see võimatusega vaadelda tavateleskoobiga taevatähti päevavalgel.) Ainus moodus infrapunateleskoobi puhul seisneb selle mõõteriistade paigutamises vaakumiga krüostaati, mida jahutatakse ülivoolava vedela heeliumiga, mis keeb aeglaselt temperatuuril 1,65 K (–271,5 oC). Gaasiline heelium liigub edasi torustikus kolmekihilises soojuskaitses ümber seadmete detektorite ja väljub seejärel pidevalt vähehaaval kosmosesse. Seetõttu sõltub Herscheli tööiga kaasavõetud heeliumi hulgast, mis oli stardil 2367 liitrit ning seda peaks jätkuma kolmeks tööaastaks.

Käies kindlalt oma rada
Kosmoseteleskoobi, eriti infrapunase puhul on suur tähtsus ka selle trajektooril ja orbiidil. Tavaline maalähedane orbiit ei sobi, sest sel juhul segab mõõtmisi Maa enda IP-kiirgus. Lisaks on raske saavutada mõõteriistade jaoks stabiilset soojusrežiimi, kuna teleskoop liigub pidevalt Maa varjust Päikese kätte. Herscheli puhul kasutatakse sellist teravmeelset lahendust, et viiakse ta Lissajous’-orbiidile ümber teise nn Lagrange’i punkti L2. Nimelt näitasid kuulsa matemaatiku Lagrange’i arvutused, et süsteemis Päike–Maa on viis punkti, milles nende gravitatsioonjõud tasakaalustavad seal paikneva objekti tsentrifugaaljõu ja see objekt võib seal Maa ja Päikese suhtes paigal püsida. Lagrange’i punktidest L2 asub Päikese ja Maa ühendusjoonel 1,5 miljoni km kaugusel Maast Päikesele vastassuunas. Mitmete asjaolude tõttu ei asu Herschel täpselt punktis L2, vaid tiirutab selle ümber orbiidil raadiusega 800 000 km. Maa IP-kiirgus sinna praktiliselt ei ulatu, aga päikesekiirguse varjab spetsiaalne 98% peegeldusvõimega kaitsekilp, mille alumisele osale on kinnitatud päikespaneelid teleskoobi tööks vajaliku energia tootmiseks. Positsioneerimisseadmed hoolitsevad selle eest, et paneelid ja päikesevari oleksid kogu aeg suunatud Päikese poole ning stabiilne töörežiim tagatud.
Herschel töötab autonoomselt ja saadab iga päev kolme tunni vältel vaatlusandmeid maapealsesse sidekeskusesse New Norcias Austraalias, operatiivjuhtimise keskus asub Darmstadtis Saksamaal ning teaduskeskus Villafrancas Hispaanias. Herscheli tööajast on suurem osa väljaüüritav kõigile astronoomidele.
Herscheli töö on osutunud erakordselt viljakaks. Näiteks on ta kogunud andmeid vee ja teiste elu tekkimiseks vajalike keemiliste ühendite leviku kohta Universumis, avastanud seal intensiivse tähetekkega piirkondi, aga ka suuri tühemikke. Möödunud aasta juulis avaldas ajakirja Astronomy and Astrophysics erinumber 152 artiklit üksnes esimese aasta uurimistulemuste kohta. Prantsusmaa aeronautika ja astronautika assotsiatsioon omistas väljapaistvate saavutuste eest Herschelile koos tema kaksikvenna Planckiga suure auhinna – Grand Prix.
Herscheli edukas uurimisretk jätkub.

Sarnased artiklid