Družice Cheops. Credit: Airbus

Evropská družice pro výzkum exoplanet CHEOPS se připravuje ke svému startu. Dojít by k němu mělo v polovině prosince (aktuálně 17. prosince).

CHEOPS vynese na oběžnou dráhu ruská raketa Sojuz, která odstartuje z evropského kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně. Na vrcholu rakety bude i několik dalších družic a CubeSatů

Historie projektu

Příběh družice CHEOPS se začal psát už v roce 2008. Původně mělo jít o švýcarský projekt s jedním až dvěma dalšími partnery (nikoliv jako projekt ESA).

V březnu 2012 vydala Evropská kosmická agentur (ESA) výzvu k předkládání návrhů pro S-třídu vesmírných misí. Mělo se jednat o malé, levné projekty, které mohou být realizovány během čtyř let. Náklady na projekt pro ESA se měly pohybovat do 50 milionů euro. V říjnu stejného roku byla vybrána družice CHEOPS. V té době se očekávalo, že start proběhne v roce 2017, ale víme, jak to v kosmonautice chodí s termíny. Očekává se, že celkové reálné náklady mise a to včetně startu zřejmě dosáhnou 150 milionů euro.

Družice CHEOPS pod kapotou

Hlavní struktura družice má tvar šestihranu o velikosti 1,5 x 1,5 x 1,5 m. Celková hmotnost družice je 290 kg. CHEOPS je postaven na platformě AS-250, o které se často píše jako o platformě SEOSat. Pod touto zkratkou se ukrývá Satélite Español de Observación de la Tierra – Španělský satelit pro pozorování Země.  Do vesmíru by měl odstartovat v roce 2020 a vychází ze stejné platformy.

Schéma družice. Credit: Airbus
Schéma družice. Credit: Airbus

CHEOPS si z platformy bere všechny klíčové prvky (komunikace, orientace v prostoru apod.). Na palubě bude mít družice také pohonný modul – třicetilitrovou nádrž s hydrazinem a trysky. Palivo bude potřeba pouze pro první fázi mise. Poté už bude CHEOPS na stabilní dráze.

O výrobu elektrické energie se postará trojice solárních panelů o celkové ploše 2,5 m2, které generují 200 W, ale pro provoz družice bude postačující podstatně méně energie. Solární panely fungují také jako sluneční clona.

CHEOPS při přípravě na start. Credit: ESA – S. Corvaja

O stavbu CHEOPSu se postarala firma AIRBUS Defence & Space ve španělské Barajas. Na vývoji, stavbě a provozu družice se podílí polovina z členských států Evropské kosmické agentury: Rakousko, Belgie, Francie, Německo, Maďarsko, Itálie, Portugalsko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie). Vedoucí organizací je Univerzita v Bernu

Primární mise potrvá 3,5 roku, ale doufá se, že CHEOPS vydrží pracovat alespoň 5 let.

Dalekohled

CHEOPS bychom s trochou nadsázky mohli přezdívat malým bráškou Hubblova dalekohledu. Oba kosmické dalekohledy sice odlišuje spousta věcí, ale minimálně jedna je spojuje. V obou případech využili vědci dalekohledu Ritchey Chrétien. Jde v základu o typ Cassegrain, avšak obě zrcadla mají tvar rotačního hyperboloidu. To odstraňuje velkou část optických vad původní soustavy Cassegrain.

Dalekohled je také jediným vědeckým přístrojem na palubě družice. Jeho hmotnost je asi 60 kg.

Vědecký přístroj družice CHEOPS. Zdroj: Université de Geneve, David Ehrenreich

Hlavní zrcadlo družice CHEOPS je samozřejmě mnohem menší než v případě Hubblova dalekohledu. Jeho průměr je pouze 320 mm.

Světlo vzdálené hvězdy se dostane do tubusu dalekohledu, odrazí se od primárního zrcadla směrem k sekundárnímu zrcadlu o průměru 68 mm, které je asi 30 cm od toho primárního. Pak už poputuje dírou v hlavním zrcadle do detektoru e2V CCD47-20.

CHEOPS bude pracovat s vlnovými délkami od 0,35 po 1,1 mikrometru, což znamená, že potřebuje nízké teploty. Využito bude pasivní chlazení (kosmickým prostorem) na teplotu 233 Kelvinů.

Rande s terminátorem

CHEOPS bude obíhat ve výšce 700 km nad Zemí po heliosynchronní dráze s dobou oběhu 101 minut. Pohybovat se bude vždy poblíž terminátoru, což je rozhraní mezi osvětlenou a neosvětlenou částí tělesa. Většinou se to používá v souvislosti s Měsícem, ale terminátor najdeme samozřejmě také u Země – viz video níže.

Speciální oběžná dráha kombinuje výšku a sklon vůči rovníku (98 stupňů) takovým způsobem, že družice přelétá nad určitým místem na Zemi vždy ve stejný čas. Pro nás je ale důležitější, že se CHEOPS bude pohybovat nad terminátorem zády ke Slunci. Zvolená dráha pomůže snížit teplotní výkyvy. Současně by měla být pozorovatelná velká část oblohy.

Pozorování občas přeruší

CHEOPS oběhne Zemi za 100 minut, ale pozorování nebude moci probíhat po celou dobu oběhu. K přerušení dojde například až na 20 % času kvůli Jihoatlantické anomálii vnitřního radiačního pásu Země (co to je viz na vesmir.cz). Občas se může cíl také skrýt za Zemí.

CHEOPS se bude řídit ze Španělska

Pro řízení mise budou klíčová dvě místa. Řídicí středisko (Mission Operations Centre, MOC) se nachází ve španělském Torrejón de Ardoz a velmi pěkně zapadá do požadavků nízkonákladové mise: za prvé by mělo platit, že co nejvíce vytvořené infrastruktury bude znovupoužitelné pro další projekty a za druhé je cílem klást důraz na automatizaci, aby se ušetřilo na pracovních místech.

Z MOC v Torrejónu bude obsluhovaná třeba také zmíněná družice SEOSat. Jedná se o nízkou budovu (foto), vedle které stojí další klíčový prvek mise – pozemní stanice alias radioteleskop pro komunikaci s družicí (foto). Kromě radioteleskopu na dohled od MOC bude využit ještě jeden ve Villafranca del Castillo nedaleko Madridu.

Každý den by měla družice nad stanicemi provést 5 až 7 přeletů o délce 7 až 10 minut. K přeletům by mělo dojít brzy ráno (kolem 7.) a večer (kolem 20. hodiny). Všechny přelety budou použity pro stahování dat a telemetrie. Jeden přelet týdně bude použit pro komunikaci opačným směrem – družice dostane nové příkazy.

V prvních kritických dnech mise pomůže s komunikací také pozemní stanice ESA ve švédské Kiruně.

MOC se postará o veškeré řízení družice. Vědu bude mít pod palcem Vědecké operační středisko (Science Operations Centre, SOC) na Univerzitě v Ženevě. Zrcadlo pro archivaci dat bude v Římě.

Z vědeckého hlediska šéfují misi Kate Isaak (projektová vědkyně) a Willy Benz (Univerzita Bern, hlavní vědec konsorcia). V týmu najdeme také letošního laureáta Nobelovy ceny za fyziku Didiera Queloze, který je předsedou vědeckého týmu.

Kvalita před kvantitou

CHEOPS je občas mylně označován jako lovec exoplanet. Není to úplně přesné. Jeho úkoly jsou jiné ve srovnání s TESS a Keplerem. Mohli bychom je shrnout do slov: kvalita místo kvantity.

Podobně jako Kepler a TESS, také CHEOPS využije tranzitní metody. Bude velmi přesně měřit jasnost hvězdy. V okamžiku, kdy bude před hvězdou přecházet planeta, dojde k nepatrnému poklesu její jasnosti.

Kosmický dalekohled Kepler byl statistik. Měl najít co nejvíce kandidátů a exoplanet, abychom se dozvěděli, jak moc jsou exoplanety časté, jaké typy exoplanet jsou nejběžnější apod. Většina jeho objevů jsou planety u poměrně vzdálených hvězd. Nejsou moc vhodné pro další výzkum. Částečně to změnila až mise K2.

TESS jde opačnou cestou. Hledá exoplanety u blízkých a jasných hvězd, které mohou být dále zkoumány například Kosmickým dalekohledem Jamese Webba.

CHEOPS nebude exoplanety hledat. Jak je už obsaženo v jeho celém názvu (CHaracterising ExOPlanets Satellite), cílem družice bude charakterizace exoplanet a to už těch objevených.

Jen jeden cíl v hledáčku

CHEOPS se zaměří vždy na jednu konkrétní hvězdu, u které již byla exoplaneta objevena. Kvůli tomu bude mít také poměrně malé zorné pole o velikosti jen 19 x 19 obloukových minut (některé starší oficiální zdroje uvádí 17 x 17, ale to asi není podstatné), nebo také asi 0,36 čtverečních stupňů. To je pro představu méně, než je úhlová velikost Měsíce v úplňku. Na „exoplanetární dalekohled“ je to nezvykle málo. Lovci exoplanet mají zorná pole naopak velmi velká, aby mohli sledovat desítky tisíc hvězd současně, protože pravděpodobnost tranzitu není zrovna velká. CHEOPS se ale zaměří jen na jednu hvězdu, takže malé zorné pole nevadí. Je spíše výhodou.

Zdroj cílových hvězd (planet) pro CHEOPS bychom mohli rozdělit do tří hlavních skupin.

  • Měření radiálních rychlostí: CHEOPS bude pozorovat exoplanety, které byly dříve objevené měřením radiálních rychlostí spektrografy HAPRS, HAPRS-N, HIRES a další.
  • Objevy pozemskými projekty: CHEOPS bude pozorovat tranzitující planety, které objevily pozemští lovci exoplanet. Velmi úzká spolupráce je s projektem NGTS.
  • Ostatní: CHEOPS by se mohl zaměřit také na exoplanety, které našla TESS nebo na objevy Keplera z mise K2.

Projekt NGTS

CHEOPS má velmi blízko k lovci tranzitujících exoplanet NGTS. Když se CHEOPS plánoval, očekávalo se, že do data startu (v roce 2017) objeví NGTS na 50 cílů s poloměrem menší než 6 Zemí.

NGTS (Next-Generation Transit Survey, Nová generace přehlídky tranzitů) tvoří dvanáct dalekohledů o průměru 20 cm, které postavila rakouská firma Astro Systeme Austria. CCD kamery jsou pak z dílny Andor Technology. Soustava se nachází na observatoři Cerro Paranal v Chile.

V roce 2017 projekt rozhodně 50 objevů na svém kontě neměl. V říjnu toho roku byl oznámen teprve první objev. Celkem zatím našel jen asi šest exoplanet, i když některé objevy nemusely být zveřejněny.

10 % přesnost

CHEOPS bude pozorovat tranzity již známých exoplanet s přesnými nebo přibližnými efemeridami, což znamená, že CHEOPS se v konkrétní dobu podívá na konkrétní hvězdu, protože už bude vědět, že dojde k tranzitu planety.

CHEOPS se zaměří zejména na planety s oběžnou dobou do 50 dnů. Jasnost cílové hvězdy bude měřena s kadencí 60 sekund.

CHEOPS má být schopen detektovat tranzit planety o velikosti Země u hvězdy podobné Slunci a jasnosti 6 až 9 mag a planety o velikosti Neptunu u oranžového trpaslíka o jasnosti větší než 12 mag.

CHEOPS bude díky tomu efektivnější. Může se přímo zaměřit na průzkum konkrétních planet a pozorovat požadovaný počet jejích tranzitů. U každé planety bude pozorováno více tranzitů, aby byly výsledky co nejpřesnější. Hlavním cílem je stanovit poloměr planety s přesností až 10 %.

Cíle družice CHEOPS

  • Určit vztah hmotnost – poloměr pro planety s nízkou hmotností: cílem CHEOPSu bude na základě pozorování tranzitů změřit velikost vybraných planet. Pokud zjistíme (z měření radiálních rychlostí) také hmotnost, můžeme dopočítat hustotu planety a tedy odhadnout její složení.
  • Identifikovat planety s významní atmosférami: CHEOPS bude schopen pozorovat různé exoplanet s významnými a bez významných atmosfér. Na základě pozorování velkého vzorku planet s různými hmotnostmi a vzdálenostmi od mateřské hvězdy bude CHEOPS schopen konstituovat kritickou hmotnost jádra planety, nebo ztrátu původní atmosféry z vodíku a hélia v závislosti na vzdálenosti od hvězdy a možných parametrech hvězdy (např. hmotnost a metalicita).
  • Studovat energetický tok v atmosférách obřích planet: světlo, které k nám „od hvězdy“ přichází, nepochází jen přímo od hvězdy, ale jde také o světlo odrážené planetou. Pokud je planeta velká a horká, nemusí být jeho podíl zcela zanedbatelný. Jak planeta obíhá okolo hvězdy, tak se množství odraženého světla mění. V době tranzitu pozorujeme noční stranu planety (analogie novu) a pokles jasnosti hvězdy způsobený tranzitem. Po tranzitu se postupně objevuje osvětlená část planety (analogie první čtvrti) a poté planeta za hvězdou zmizí, takže odražené světlo k nám vůbec nepřichází. Z pozorování těchto změn můžete sestavit fázovou křivku, která vědcům pomáhá pochopit energetický tok v atmosféře planety.
Fáze planety, credit: NASA/JPL-Caltech/L. Kreidberg
  • Určit cíle pro budoucí spektroskopická zařízení: CHEOPS vybere zajímavé planety, jejichž atmosféru může v budoucnu pozorovat například JWST. Je potřeba si uvědomit, že průzkum atmosfér transmisní spektroskopií je velmi nákladná záležitost. Je potřeba využít drahý kosmický dalekohled (dříve Spitzer, v blízké budoucnosti JWST) a pozorovat u menších planet větší množství tranzitů a tedy nutnost většího objemu pozorovacího času (tranzit běžně trvá hodiny). CHEOPS proto vybere ty nejlepší cíle, aby jeho dražší kolega nepozoroval zbytečně.
  • Změřit poloměry velkého vzorku planet (řádově desítky) o velikosti od 1,5 po 6 Zemí.
  • Může přinést nový pohled na strukturu horkých neptunů.
  • Objevy nových planet: cílem CHEOPSu není objevování nových planet. Data z Keplera však ukazují, že asi třetina horkých neptunů není v systému sama, ale okolo hvězdy obíhá další menší planeta, kterou pozemské projekty jako NGTS nemohly najít. CHEOPS to však dokáže. Nemusí jít ale nutně o objev prostřednictvím pozorování tranzitu. Pravděpodobnější je spíše objev planety prostřednictvím změn v časech tranzitů (TTV). Pokud okolo hvězdy bude obíhat další planeta (a to třeba i netranzitující), bude svou gravitací ovlivňovat oběh planety, kterou bude velmi přesně pozorovat CHEOPS. K tranzitům pozorované planety nebude docházet pravidelně. CHEOPS by mohl dokonce najít exoměsíce. Princip je stejný – gravitace exoměsíce ovlivní pohyb planety, což se projeví v časech tranzitů. CHEOPS by teoreticky mohl najít měsíc o velikosti Země obíhající planetu o velikosti minimálně Neptunu. Podrobněji jsme o tématu psali v roce 2015.

Další úkoly

Přibližně 20 % pozorovacího času bude k dispozici vědecké komunitě pro další účely.

Vědci také věří, že data z CHEOPSu bude možné použít pro astroseismologii. Prostřednictvím nepatrných změn jasnosti hvězdy mohou být studovány hvězdné oscilace, což astronomům pomáhá odhadnout řadu parametrů. Jde o stáří hvězd, jejich poloměr, hmotnost a hustotu.

První ze tří

Na práci družice CHEOPS naváží další mise Evropské kosmické agentury. V roce 2026 má odstartovat PLATO, který se zaměří na hledání exoplanet o velikosti Země. O dva roky později by mohl odstartovat ARIEL, který bude zkoumat atmosféry exoplanet.

Zdroje: