V době, kdy se v březnu 2009 vydal do vesmíru dalekohled Kepler, jsme znali necelých 400 exoplanet. Dnes jich známe více než 3700. Kepler sám objevil v rámci své hlavní mise 2300 exoplanet, v rámci mise K2 dalších 307. K tomuto počtu ještě můžeme přičíst kandidáty, kterých je 2200 a 500.

Kepler byl především statistik. Měl nám odpovědět, jak časté jsou exoplanety, jaké typy exoplanet se ve vesmíru vyskytují, jak je to s počtem exoplanet u různých typů hvězd.

Keplerova statistická přehlídka samozřejmě nebyla dokonalá. Na svět exoplanet se díval klíčovou dírkou. Tranzitní metoda je citlivá zejména na planety s krátkou oběžnou dobou. Má to dva důvody. Ten první je teoretický. S rostoucí vzdáleností od hvězdy klesá pravděpodobnost, že bude planeta před hvězdou přecházet. Tato pravděpodobnost také závisí na velikosti hvězdy. Zkusme se podívat na Sluneční soustavu. V případě Merkuru je pravděpodobnost tranzitu 1,19 %, u Země je to 0,47 % a v případě Jupiteru 0,089 %.

Pro planetu u červeného trpaslíka o velikosti 0,3 Slunce a vzdálenosti 0,1 AU je tato pravděpodobnost 1,4 %. Jinými slovy: TESS objeví planetu u každé 88 hvězdy (s danými parametry).

Objevit planety na vzdálených drahách je ale složité i z praktického hlediska. K objevu potřebujete tři tranzity, což v případě Jupiteru znamená nejméně 24 let pozorování.

Planetou z největší velkou poloosou (nebo jednou z největších), kterou Kepler objevil, je Kepler-167 e. Okolo své hvězdy se pohybuje ve vzdálenosti 1,89 AU s oběžnou dobou necelých 3 let.

Kepler odvedl kus práce. Ukázal nám, že nejběžnějším typem exoplanet jsou super-země a mini-neptuni. Možná trochu překvapivě objevil velké množství multiplanetárních systému s více než jednou planetou. Odhalil také cirkumbinární exoplanety, které obíhají okolo dvou hvězd současně.

Kepler versus TESS

Bohužel zorné pole Keplera bylo zvolené tak, aby splnil své cíle a pozoroval jednu oblast nepřetržitě po dobu několika let. V tomto zorném poli se ale nenachází prakticky žádné blízké hvězdy. Typicky objev Keplera je tisíce světelných let od nás.

Hlavní cíl TESS: blízké a jasné hvězdy

Vzdálené exoplanety se nehodí k dalšímu průzkumu. Na rozdíl od Keplera se TESS zaměří na blízké a jasné hvězdy.

Spitzer, Hubble a zejména dalekohled Jamese Webba se mohou zaměřit na průzkum atmosfér exoplanet. Nemusí přitom zůstat jen u horkých jupiterů. JWST se určitě podívá i na planety, které mají blíže k terestrickým světům. Jedním z dnešních silných nástrojů je transmisní spektroskopie. Světlo hvězdy projde atmosférou a ta v něm zanechá svůj otisk, který je pozorovatelný ve spektru hvězdy.

Jak vypadá typický vhodný cíl pro průzkum atmosféry Kosmickým dalekohledem Jamese Webba? Musí se jednat o tranzitující exoplanet, která obíhá okolo jasné, blízké a klidné hvězdy – ideálně červeného trpaslíka. Pokud chcete proměřit atmosféru menší planety, potřebujete pozorovat větší množství tranzitů. Je proto vhodné, aby se mateřská oblast nacházela v tzv. Continuous Viewing Zone (CVZ). Jedná se část oblohy, kterou může JWST pozorovat po celý rok. CVZ se nachází v oblasti, kterou bude TESS pozorovat téměř jeden rok vkuse. TESS tak doslova naservíruje některé cíle pro JWST.

Vhodné cíle pro JWST dávají vědci dohromady už dnes. Přestože je Kepler dominantním lovcem exoplanet a objevil jich tisíce, v jednom ze seznamů potenciálních cílů pro JWST není žádný z jeho objevů z primární mise! Mateřské hvězdy jsou prostě moc daleko a méně jasné. Dostaly se tam až objevy z mise K2, kterou Kepler zahájil kvůli poruše druhého gyroskopu. I to ukazuje na důležitost a cíle družice TESS.

Nejde ale jen o průzkum atmosfér. Blízké a jasné hvězdy jsou mnohem dostupnější pro měření radiálních rychlostí. Kromě toho u blízkých hvězd známe také přesněji jejich vzdálenost díky paralaxe (GAIA apod.).

TRAPPIST-1: Na výzkumu atmosfér tří obyvatelných exoplanet se JWST zapotí

Z viditelné až do infračervené oblasti

Nejlépe se hledají exoplanety u červených trpaslíků. Tyto hvězdy jsou menší než Slunce, takže planeta o velikosti Země způsobí hlubší tranzit. Kromě toho jsou také chladnější, takže se obyvatelná oblast nachází blíže k nim. Typická potenciálně obyvatelná planeta má oběžnou dobu v řádu pár desítek dní. Červení trpaslíci mají nižší jasnost a lépe se pozorují v infračervené části spektra. TESS proto bude operovat ve vlnových délkách 600 až 1000 nanometrů. Kepler má pracovní působiště posunuté vice do viditelné části spektra (400 až 900 nanometrů).

Zdroje:

• The Transiting Exoplanet Survey Satellite
• THE TRANSITING EXOPLANET SURVEY SATELLITE: SIMULATIONS OF PLANET DETECTIONS AND ASTROPHYSICAL FALSE POSITIVES
• Predicted Number, Multiplicity, and Orbital Dynamics of TESS M Dwarf Exoplanets
• heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/tess/
• svs.gsfc.nasa.gov/12782
• spaceflight101.com
• NASA
• tess.gsfc.nasa.gov

Jeden sektor bude TESS pozorovat vždy po dobu dvou oběhů okolo Země, což znamená přibližně 27,4 dní. Poté se pootočí a pustí se do pozorování dalšího sektoru. Celá severní obloha je rozdělena do 13 sektorů, jižní je na tom stejně.

Primární mise družice je naplánována na 2 roky. Jeden rok stráví TESS průzkumem severní oblohy, poté se pustí do té jižní.

Když se podíváme na celou oblohu, tak zjistíme, že jednotlivé části oblohy na tom nejsou stejně. Některé sektory se překrývají, ale existují také části oblohy, které TESS neuvidí nikdy. Jednotlivé části oblohy budou kamery pozorovat různě dlouho, jak ukazuje obrázek výše.

Jak dlouho pozoruje TESS různé části oblohy

Naprosto exkluzivní oblast je na obrázku černě vytečkována (Continuous Viewing Zone, CVZ). Tuto část oblohy bude TESS pozorovat po dobu průzkumu všech 13 sektorů. Připravovaný Dalekohled Jamese Webba (JWST) může v této oblasti pozorovat kdykoliv během roku. Jedním z hlavních úkolů TESS je najít exoplanety, které JWST prozkoumá. O tom si ale povíme až později.

Jeden snímek každé dvě minuty

TESS bude měřit jasnost asi 200 000 předem vybraných hvězd (tzv. poštovních známek) a to s kadencí 2 minuty. Pod pojmem kadence se myslí interval mezi dvěma snímky. Délka expozice bude 2 sekundy.

Každých 30 minut pořídí TESS navíc kompletní snímek celého sektoru (Full Frame Images, FFI).

V rámci jednoho sektoru bude měřena jasnost 10 000 poštovních známek a pořízeno více než 600 FFI.

Kepler ukázal, že i 30 minutová kadence stačí k objevování exoplanet. Kromě 200 000 vybraných hvězd tak může TESS prostřednictvím FFI hledat tranzitující exoplanety také u dalších méně jasných hvězd.

Celkem vyprodukují kamery TESS každou sekundu 68 MB dat!

Pozorování jednotlivých sektorů 

Sektory TESS

Zdroje:

• The Transiting Exoplanet Survey Satellite
• THE TRANSITING EXOPLANET SURVEY SATELLITE: SIMULATIONS OF PLANET DETECTIONS AND ASTROPHYSICAL FALSE POSITIVES
• Predicted Number, Multiplicity, and Orbital Dynamics of TESS M Dwarf Exoplanets
• heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/tess/
• svs.gsfc.nasa.gov/12782
• spaceflight101.com
• NASA
• tess.gsfc.nasa.gov

TESS je založena na osvědčené platformě LEOStar-2/750, která se používá už od roku 2001. Družicová konstrukce (struktura) TESS se skládá ze šestiúhelníkového tělesa, které působí jako primární nosný prvek a zajišťuje montážní struktury pro různé vnitřní a vnější komponenty. Struktura poskytuje veškerou potřebnou podporu pro vědecké přístroje:

Tepelná ochrana: v případě TESS je zcela pasivní, založena jen na izolacích a nátěrech. Dráha družice je zvolena tak, aby nebylo potřeba žádné aktivní regulace teploty. Na palubě jsou ohřívače elektroniky, ale ty budou aktivovány jen v případě nouze. Teplo z elektroniky je odváděno do radiátorů.

Komunikace: na palubě je anténa s průměrem 70 cm pracující v pásmu Ka. Data budou přenášená na Zemi vždy při nejbližším přiblížení k Zemi v průběhu asi 4 hodin a to při rychlosti 125 Mbit/s. Kromě toho má TESS ještě menší pár S-band antén pro samotnou komunikaci s družicí a příjem telemetrie a to i v době, kdy bude sonda dál od Země.

Zdroj energie: dvojice solárních panelů o rozměrech 0,89 x 1,1 m dodá 415 W energie, což plně pokryje požadavky družice (cca 290 W).

Stabilizace v kosmickém prostoru: zajišťují ji 4 gyroskopy.

Orientace v prostoru: ve vesmíru není nahoře ani dole. Družice se tradičně orientují podle hvězd, k čemuž slouží sledovače hvězd. TESS bude hvězdy přímo pozorovat, takže se pro orientaci primárně využijí samotné vědecké kamery a asi 200 zvolených „navigačních“ hvězd, které jsou sledovány každé 2 sekundy. Informace putuje z jednotky DHU (o které bude ještě řeč později) do MAU (Master Avionics Unit) a odtud už rovnou na gyroskopy.

Pro období, kdy nebudou probíhat vědecká pozorování, má TESS na palubě i klasické sledovače hvězd. Do orientace v prostoru můžeme zařadit i senzory solárního vektoru, které jsou umístěny na sluneční cloně (té velké okolo všech kamer). Úkolem senzorů je správná orientace solárních panelů v okamžiku, kdy se TESS přepne do bezpečnostního módu (v případě poruchy apod.).

Motory: na palubě je celkem pět motorů, které využívají jednu palivovou nádrž s 45 kg paliva (hydrazinu). Čtyři menší motory mají tah 5 Newtonů, jeden hlavní motor má tah 22 Newtonů. Množství paliva by v případě TESS rozhodně nemělo být ohraničujícím prvkem pro délku mise.

Hlavní zbraň: čtyři kamery

Vědeckým zařízením je čtveřice identických kamer. Každá kamera se skládá ze sestavy objektivu se sedmi optickými prvky a sestavy detektoru se čtyřmi CCD a příslušnou elektronikou.

Sada objektivů obsahuje sedm čoček namontovaných do dvou oddělených hliníkových sudů, které jsou připevněny dohromady. Průměr vstupní pupily je 10,5 cm.

Každé pole CCD obsahuje čtyři CCD čipy CCID-80, které vyvinili v laboratoři MIT Lincoln. Čipy jsou od sebe vzdálené 2 mm a vytváří účinný detektor s rozlišením 4096 x 4096 pixelů, který pracuje při teplotě -75 ° C.

Elektronika přenáší digitalizované snímky do Jednotky pro zpracování dat (Data Handling Unit, DHU).

DHU poskytuje hardware, software a firmware pro řízení kamery, zpracování dat na palubě, ukládání dat, elektroniku družice a pozemní komunikaci.

DHU provádí zpracování získaných dat v reálném čase a přeměňuje surové obrazy CCD na datové produkty, které jsou následně odeslány na Zemi.

Každá kamera zabere zorné pole o rozměrech 24 x 24 stupňů. To je sice pěkné číslo, ale pro většinu lidí asi nepředstavitelné. Můžeme si ho názorně ukázat. Natáhněte ruku, a co nejvíce rozevřete prsty. Úsek od palce po malíček představuje asi 20 stupňů. Pokud použijete obě ruce, můžete si na obloze „vykreslit“ čtverec o rozměrech zhruba 20 x 20 stupňů, což téměř odpovídá zornému poli jedné kamery.

Všechny 4 kamery budou pozorovat oblast o celkových rozměrech 24 x 96 stupňů. Této oblasti se říká sektor. Pro představu: do jednoho sektoru by se vlezl Měsíc v úplňku téměř 10 000krát!

Všechny čtyři kamery jsou přišroubovány ke speciální desce. Jedná se o pevnou strukturu s nízkou teplotní roztažností, takže kamery zůstanou po celou dobu dobře fixovány.

Zdroje:

• The Transiting Exoplanet Survey Satellite
• THE TRANSITING EXOPLANET SURVEY SATELLITE: SIMULATIONS OF PLANET DETECTIONS AND ASTROPHYSICAL FALSE POSITIVES
• Predicted Number, Multiplicity, and Orbital Dynamics of TESS M Dwarf Exoplanets
• heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/tess/
• svs.gsfc.nasa.gov/12782
• spaceflight101.com
• NASA
• tess.gsfc.nasa.gov

TESS vynesla 18. dubna 2018 raketa Falcon 9 od společnosti SpaceX. Šlo o první vědeckou družici NASA, kterou SpaceX dopravila do vesmíru. K podpisu smlouvy došlo v prosinci 2014. Tehdy se uvádělo, že start vyjde na 87 milionů dolarů. V ceně je nejen samotné vypuštění, ale také integrace do rakety apod.

Po svém startu provedla TESS několik úprav dráhy. Ve čtvrtek 17. května v 8:34 našeho času prolétla TESS okolo Měsíce ve vzdálenosti 8 253 km. Průlet opět významně upravil dráhu družice. Vědecká pozorování začala 25. července.

Oběžná dráha

Dráha TESS se označuje se jako vysoká oběžná dráha Země (HEO) a byla zvolena z mnoha důvodů:

• TESS může na této dráze nerušeně pozorovat vybrané sektory na obloze.
• Vyhne se Van Allenovým radiačním pásům.
• Na své dráze se přiblíží k Zemi dostatečně na to, aby mohlo dojít k vysokorychlostnímu přenosu dat. Na druhou stranu uplyne mezi přenosy dat (kdy bude pozorování omezeno) dostatečně dlouhá doba, během které se může TESS nerušeně věnovat svým úkolům.
• TESS nečekají velké teplotní výkyvy.
• TESS se musí v dalších desítkách let vyhnout geostacionární dráze Země.

Konečná dráha se pohybuje přibližně v rozmezí 17 až 59 poloměrů Země a dosahuje rezonance 2:1 s Měsícem. Za dobu, kdy Měsíc oběhne okolo Země jednou, to TESS zvládne dvakrát.

TESS podléhá Kozaiově mechanismu, který velmi dobře známe také ze světa exoplanet. Jedná se o situaci, kdy máme binární systém –například hvězda a exoplaneta a dráha exoplanety je ovlivňována třetím tělesem (například další hvězdou). V případě TESS je dráha ovlivňována zejména Měsícem.

Délka jednoho oběhu okolo Země se pohybuje od 12,9 po 14,5 dní, což znamená proměnlivou délku pozorování jednotlivých sektorů od 25,7 až po 29 dní.

Zvolená oběžná dráha je velmi zajímavá a exkluzivní. Nikdy v historii kosmonautiky se žádná jiná družice nepohybovala po podobné dráze. Nejblíže je k tomu asi dráha družice Interstellar Boundary Explorer (IBEX), která odstartovala v roce 2008 a zkoumala vztahy mezi Sluneční soustavou a mezihvězdným prostorem. IBEX obíhal v rezonanci 3:1 s Měsícem.

Parametry konečné oběžné dráhy

• Perigeum: 17 poloměrů Země (108 000 km)
• Apogeum: 59 poloměrů Země (376 300 km)
• Oběžná doba: 13,7 dní

Je potřeba říci, že TESS bude čelit určitým „gravitačním poruchám“, které jsou ale v rámci trvání mise (i případného prodloužení) zanedbatelné. Nebude kvůli nim potřeba korigovat dráhu s využitím motorů.

Motory ale bude muset TESS občas zapnout z jiných důvodů. Zatímco v případě Keplera hraje tlak slunečního záření veskrze pozitivní roli a stabilizuje dalekohled v kosmickém prostoru, u TESS bude trochu překážet. Během průletu perigeem použije TESS občas své trysky ke zbavení se momentu hybnosti vytvořeného tlakem slunečního záření.

V perigeu se práce vždy přeruší

V době průletu perigeem (17 poloměrů Země) jsou vědecké operace přerušeny na maximálně 16 hodin. Je to z toho důvodu, aby se anténa družice nasměrovala k Zemi a došlo k přenosu dat. Samotný přenos zabere maximálně 4 hodiny. Data bude přijímat síť DSN s radioteleskopy v USA, Španělsku a Austrálii. DSN zajišťuje komunikaci se sondami ale třeba také s Keplerem.

Perigea a apogea TESS

Zdroje:

• The Transiting Exoplanet Survey Satellite
• THE TRANSITING EXOPLANET SURVEY SATELLITE: SIMULATIONS OF PLANET DETECTIONS AND ASTROPHYSICAL FALSE POSITIVES
• Predicted Number, Multiplicity, and Orbital Dynamics of TESS M Dwarf Exoplanets
• heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/tess/
• svs.gsfc.nasa.gov/12782
• spaceflight101.com
• NASA
• tess.gsfc.nasa.gov

Kořeny TESS sahají až do roku 2005. Mise družice byla definitivně schválena na druhý pokus v dubnu 2013 a je realizována v rámci programu Explorers a to ve třídě středně velkých misí. V rámci stejné třídy tohoto programu vznikla například infračervená družice WISE.

Na misi TESS se podílí řada institucí. Jmenujme alespoň ty klíčové:

• Vedoucím projektu je MIT (Massachusetts Institute of Technology), odkud pochází také jeho šéf George Ricker. Laboratoř MIT Lincoln je zodpovědná za značnou část optické soustavy včetně kamer, objektivů apod.
• Goddardovo středisko vesmírných letů poskytuje projektové řízení nebo systémové inženýrství.
• Orbital ATK postavila a provozuje samotnou družici. Mise je řízená z Operačního střediska firmy Orbital ATK. TESS je nepochybně v dobrých rukou. Orbital ATK stojí mimo jiné za bezpilotní kosmickou lodí Cygnus, sondou Dawn nebo motory SRB raketoplánu.
• Surové (RAW) snímky budou archivovány v MAST (Mikulski Archive for Space Telescopes), který sídlí v Institutu pro kosmický dalekohled.

Řízení mise 

Řídicí centrum mise (Mission Operations Center, MOC) se nachází ve městě Dulles ve státě Virginia a provozuje ho Orbital ATK. Je srdcem operací TESS.

Science Operations Center (SOC) má dvě části. Payload Operations Center (POC) se nachází na MIT a Science Processing and Operations Center (SPOC) v Ames Research Center.

SOC je srdcem vědeckých operací a zpracovávání dat z TESS. Data se z radioteleskopů DSN přijaty v POC, kde bude provedeno jejich počáteční zpracování. Poté jsou odeslána do SPOC, kde jsou kalibrována a jsou z nich zpracovány světelné křivky pro hledání exoplanet. Následně jsou výsledky zaslány do TESS Science Office (TSO) a archívu MAST.

Zdroje:

• The Transiting Exoplanet Survey Satellite
• THE TRANSITING EXOPLANET SURVEY SATELLITE: SIMULATIONS OF PLANET DETECTIONS AND ASTROPHYSICAL FALSE POSITIVES
• Predicted Number, Multiplicity, and Orbital Dynamics of TESS M Dwarf Exoplanets
• heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/tess/
• svs.gsfc.nasa.gov/12782
• spaceflight101.com
• NASA
• tess.gsfc.nasa.gov