V minulém dílu našeho letního miniserálu o kosmických observatořích jsme si představili TOP 5 sond, které byly průkopníky své oblasti měření či pozorování. Dnes se zaměříme na sondy, které nebyly první, ani nejdůležitější v minulosti, současnosti či budoucnosti výzkumu. Přesto jde o sondy, které mají na svědomí důležité objevy a ve fyzikálním výzkumu vesmíru zanechaly nesmazatelnou stopu. V současné době se na ně ovšem bohužel dost často zcela neprávem zapomíná.

5) GALEX

V minulých článcích naší minisérie o fyzikálních observatořích jsme téměř zcela ignorovali ultrafialové záření. To asi nemusíme blíže představovat. Pokud jezdíte k moři nebo chodíte do hor, asi ho dobře znáte, neboť právě před ním chrání opalovací krémy. I ultrafialové záření je pro astronomy zajímavé, proto se mu dnes budeme věnovat hned ve dvou bodech.

První z nich je mise amerického programu Explorer, která měla za cíl studovat vývoj hvězd a galaxií. Tomu odpovídá i její název Galaxy Evolution Explorer (GALEX). Observatoř měla 2,5 metru na délku, jeden metr na šířku a hmotnost 280 kilogramů. O pozorování se staral 50 centimetrů velký Ritcheyho – Chrétienův dalekohled se zorným polem o průměru 1,2 stupně (více než Měsíc v úplňku). GALEX disponoval dvěma detektory, jeden snímal blízké ultrafialové záření o vlnových délkách 175 – 280 nanometrů, druhý vzdálené ultrafialové záření vlnových délek 135 – 174 nanometrů.

Do kosmického prostoru teleskop vynesla koncem dubna 2003 raketa Pegasus. Vzlet byl úspěšný a podařilo se i rozložit solární panely. Sondu se povedlo také navést na správnou oběžnou dráhu. Ta byla téměř kruhová s perigeem ve výšce 691 kilometrů, apogeem ve výšce 697 kilometrů a sklonem vůči rovníku 29 stupňů. Jeden oběh Země zabral observatoři 98 a půl minuty.

První pozorování provedl teleskop v květnu 2003 a bylo věnováno památce astronautů, kteří o tři měsíce dříve zahynuli na palubě raketoplánu Columbia. GALEX nasnímal oblast v souhvězdí Herkula, neboť právě ta byla přímo nad raketoplánem v okamžiku, kdy s ním řídící středisko ztratilo kontakt. Tím začala vědecká část mise, která měla původně trvat dva a půl roku. Nakonec teleskop fungoval více než deset let a přečkal i poruchu jednoho z detektorů a zásadní problémy s financováním. K deaktivaci observatoře došlo až na konci června 2013.

GALEX studoval hvězdy a galaxie staré až 10 miliard let. Provedl celooblohovou přehlídku, hloubkový průzkum vybraných objektů a taktéž detailně studoval 200 nám nejbližších galaxií. Navíc se povedlo uskutečnit tři spektroskopické průzkumy na vlnových délkách 135 – 280 nanometrů. Hlavní cíl představovalo nasnímání stovek tisíc galaxií a určení vzdálenosti pro každou z nich. Astronomové chtěli rovněž stanovit rychlost tvorby hvězd v jednotlivých galaxiích.

Kromě těchto základních cílů měl GALEX za úkol také připravit půdu pro budoucí pokročilejší ultrafialové mise, zkoumat raný vesmír a pomoci lépe pochopit temnou hmotu nebo černé díry. Toho se GALEX snažil dosáhnout ve spolupráci s mnoha dalšími kosmickými observatořemi, z nichž vyzdvihněme především velké teleskopy Hubble, Spitzer a Chandra. Celkově lze misi hodnotit jako velmi úspěšnou, víceméně splnila zadané cíle, překonala výrazně původně plánovanou dobu činnosti a umetla cestu pro další mise pracující v ultrafialové části spektra.

4) Ulysses

Slunce už v historii kosmonautiky zkoumalo mnoho sond, zatím žádná ale výrazně mimo rovinu rovníku. Jedinou výjimkou v tomto směru byla mise Ulysses, společný projekt kanadské, evropské a americké kosmické agentury. Název Ulysses je latinskou formou jména bájného řeckého hrdiny Odyssea. Zvolen byl kvůli nevyzkoušené, nepřímé a dlouhé trajektorii, již pro sondu vědci a inženýři zvolili. Tím se odkazuje na legendární Odysseovy cesty při návratu z Trojské války.

Původně měl Ulysses vynést raketoplán Challenger v květnu 1986, ale právě kvůli havárii tohoto konkrétního stroje v lednu téhož roku došlo ke zpoždění startu až na říjen 1990, kdy 370 kilogramů těžkou a 3,3 metrů dlouhou sondu dopravil do kosmického prostoru orbiter Discovery. Ulysses nesla 55 kilogramů užitečného zatížení a 33,5 kilogramu hydrazinu pro korekční manévry a stabilizaci polohy. Konstrukce sondy nebyla vůbec jednoduchá, musela současně odolávat teplu i chladu a kvůli zvolené dráze nemohla ani využívat solární panely. O dodávky energie a tepla se proto staral radioizotopový termoelektrický generátor.

Sonda nesla dvanáct vědeckých přístrojů. Tři antény určené pro měření plazmatu nebo rádiových vln plazmatem generovaných, detektor rentgenového záření pro měření slunečních erupcí a polárních září na Jupiteru, magnetometr vhodný k měření magnetického pole v heliosféře, dva experimenty pro zkoumání slunečního větru, dva přístroje určené k měření energetických částic v heliosféře, detektor pro výzkum meziplanetárního prachu a experimenty vhodné k měření kosmického záření.

Po startu došlo k zaparkování sondy s horním stupněm na nízké oběžné dráze kolem Země, zakrátko se ale sestava vydala vstříc Jupiteru. Tam observatoř dorazila v únoru 1992 a provedla gravitační manévr, který vedl k zásadní změně trajektorie. Uvedl sondu na heliocentrickou oběžnou dráhu se sklonem 80 stupňů vůči ekliptice. Tato oběžná dráha měla afélium 5,4 astronomické jednotky (AU) od Slunce, tedy o něco dále, než obíhá Jupiter (5,2 AU), zatímco perihelium leželo ve vzdálenosti 1,35 AU od Slunce, o něco dále, než obíhá naše Země. Jeden celý oběh trvá Ulysses zhruba šest let.

V letech 1994 a 1995 prozkoumala Ulysses oba póly Slunce. Krátce na to, v květnu 1996, proletěla ohonem komety C/1996 B2 Hyakutake. Zjistila přitom, že tento ohon dosahuje délky nejméně 3,8 AU. S další kometou, tentokrát C/1999 T1 McNaught-Hartley se sonda setkala v roce 2004. Zhruba v této době také došlo k návratu do afélia a dalšímu přiblížení k Jupiteru. Roku 2007 došlo k třetímu setkání s kometou, v tomto případě C/2006 P1 McNaught. V té době už probíhala prodloužená mise, což sondě v letech 2007 a 2008 umožnilo potřetí (1994 a 1995 poprvé, 2000 a 2001 podruhé) probádat oblast slunečních pólů.

V té době už ale sonda značně překonávala očekávanou životnost, proto se z RTG zdroje nedostávalo tolik potřebné energie. V době největšího přiblížení ke Slunci technici vypnuli ohřívače, aby ušetřili energii, ale i tak bylo jasné, že se mise chýlí ke konci. To brzy oznámily i NASA a ESA. K vypnutí sondy mělo nejprve dojít v červenci 2008, nakonec se ale termín posunul ještě téměř o rok, až na konec června 2009. 30. 6. byla sonda deaktivována.

Ulysses dodnes zůstává jedinou observatoří, která prozkoumala sluneční póly a zjistila, že magnetické pole jimi vyzařované je výrazně slabší oproti původním předpokladům. V průběhu své činnosti sonda také objevila, že magnetické pole interaguje se zbytkem Sluneční soustavy poněkud složitěji, než se dříve předpokládalo. Další důležitou detekcí je, že prach přicházející do našeho systému z mezihvězdného prostoru je třicetkrát hojnější, než jsme si mysleli. Kromě toho má sonda zásluhu třeba i v zachycení některých gama záblesků.

V tuto chvíli Ulysses stále zůstává na své heliocentrické dráze, kde by teoreticky měla setrvat neomezeně dlouho. Je nicméně možné, že jeden z budoucích blízkých průletů u Jupiteru, respektive některého z jeho měsíců, by mohl sondu navést na hyperbolickou dráhu, po níž by opustila Sluneční soustavu. Vzhledem ke jménu sondy by to bylo myslím celkem příhodné pokračování jejího letu.

3) RXTE

V rámci rozsáhlého amerického programu Explorer vznikla i rentgenová observatoř Rossi X-ray Timing Explorer, která se někdy nazývá i Explorer 69. Jméno Rossi nemá sonda ani po fotbalistu Paolu Rossim, ani po motocyklovém závodníkovi Valentinu Rossim, nýbrž podle slavného italsko – amerického fyzika Bruna Rossiho, jenž se proslavil jako průkopník výzkumu kosmického záření a také jako jeden z prvních, kdo navrhl vyslat do kosmického prostoru rentgenové teleskopy.

Observatoř RXTE se startovní hmotností 3200 kilogramů vynesla z Kennedyho vesmírného střediska raketa Delta II na konci prosince 1995. Vzlet byl úspěšný a družice se bezpečně dostala na cílovou oběžnou dráhu. Ta byla téměř přesně kruhová s výškou 409 km nad povrchem a sklonem vůči rovníku 28 a půl stupně. Oběžná doba činila zhruba 92 a půl minuty.

RXTE nesla na palubě tři vědecké přístroje. All-Sky Monitor sloužil k přehlídkám oblohy. V průběhu každého oběhu kolem Země dokázal nasnímat asi 80 % její plochy. Pracoval na energiích 2 – 12 keV a za jeho vývojem stáli odborníci z Massachusettského technologického institutu. High-Energy X-ray Timing Experiment studoval tvrdé rentgenové záření z galaktických a extragalaktických zdrojů. Jeho rozsah sahal od 15 do 250 keV a vyvinuli jej fyzikové z Kalifornské univerzity v San Diegu. Proportional Counter Array sloužil ke studiu časových a spektrálních efektů emisí rentgenového záření z Mléčné dráhy i extragalaktických objektů. Fungoval v rozmezí 2- 60 keV a vyvinut byl v Goddardově středisku.

Kromě toho sonda také disponovala několika novými technickými vychytávkami. Díky inovativní konstrukci byla velmi dobře ovladatelná a manévrovatelná. Rovněž se dala velmi přesně navést na zvolený cíl pozorování. Nesla i vylepšené otočné solární panely, úložiště s vyšší kapacitou dat (na tehdejší poměry solidní kapacita 1 GB) a dvě směrové antény pro komunikaci se zemí.

Observatoř správně fungovala o něco více než 16 roků, deaktivována byla teprve v lednu 2012. Koncem dubna 2018 potom došlo k jejímu zániku v atmosféře. V průběhu své činnosti objevila celou škálu zajímavých jevů a těles. Tak například se díky ní podařilo prokázat existenci Lenseova – Thirringova jevu známého taktéž jako strhávání prostoročasu. Ten předpovídá obecná relativita.

Jednoho z prvních kandidátů na středně hmotnou černou díru, M82 X-1, objevila právě sonda RXTE. Fyzikové ji později použili také ke změření hmotnosti nejmenší známé černé díry. Observatoř mimo jiné prokázala i to, že tajemná difúzní rentgenová záře na pozadí pochází v naší Galaxii z nesčetného množství dříve nepozorovaných bílých trpaslíků, ale i jiných hvězd. RXTE slavila velké úspěchy a je škoda, že se na ni neprávem občas zapomíná.

2) HEAO-3

Gama záření ze vzdálených zdrojů se nedá pozorovat jinak, než skrze kosmické observatoře. Proto už od 60. let vesmírné agentury vypouštěly do kosmického prostoru různé družice zaměřených právě na tuto oblast. V 70. a 80. letech vedla americká NASA i speciální program zaměřený na rentgenové a gama záření. Jmenoval se High Energy Astronomy Observatory Program (HEAO) a v jeho rámci se do kosmického prostoru podívala i velká gama družice HEAO-3.

Po odborné stránce projekt řídilo Marshallovo středisko NASA. Hlavním vědcem byl Thomas Parnell a vedoucím celé mise John Stone. 2 660 kilogramů těžkou družici vyrobila firma TRW Inc. Na palubě se nacházely tři vědecké přístroje. Dva experimenty byly zaměřeny na studium kosmického záření, jeden hlavní potom na gama záření.

Do kosmického prostoru vynesla HEAO-3 v září 1979 raketa Atlas Centaur startující z Kennedyho vesmírného střediska na Floridě. Ta fungovala bezchybně a umístila observatoř na správnou oběžnou dráhu, která měla perigeum ve výšce 486 kilometrů, apogeum ve výšce 505 kilometrů. Sklon vůči rovníku činil 43,6 stupně a jeden oběh trval družici 94 a půl minuty.

Vše naštěstí fungovalo podle plánu, proto mohla začít vědecká fáze mise. Odborníci určili sondě tři hlavní úkoly. Za prvé se měla měřit atomová jádra v kosmickém záření a to zejména ta supertěžká až do protonového čísla 120. U jader s atomovým číslem do dvaceti se navíc měly důkladně proměřit vlastnosti a složení. Za druhé sonda měla určit izotopové složení nejhojnějších složek kosmického záření. Zejména pak jader s atomovou hmotností 7 – 56. Za třetí byla snaha určit intenzitu, spektrum a vývoj v čase u zdrojů rentgenového a gama záření v energetickém rozmezí 0,06 – 10 MeV.

Gama záření zkoumal experiment navržený odborníky z Kalifornského technologického institutu (Caltech), konkrétně z Jet Propulsion Laboratory (JPL), kterou Caltech spravuje. Přístroj obsahoval čtyři germaniové spektrometry o celkovém objemu 100 cm³ schopné měřit gama záření od energie 0,045 MeV až po 10 MeV. Aby tyto spektrometry mohly správně fungovat, musely být chlazeny na kryogenní teploty. To vedlo k tomu, že se kvalita měření postupně horšila a nakonec na začátku června 1980 došlo k vyčerpání chladícího media. Experiment proto musel být ukončen.

Poté už fungovaly jen experimenty kosmického záření, ale ani ty si neužily pobyt ve stavu mikrogravitace příliš dlouho, neboť o další rok a půl později, v prosinci 1981, skončila mise HEAO-3 definitivně. Přestože observatoř nepracovala zrovna nejdelší dobu, splnila naštěstí většinu zadaných úkolů na výbornou.

Povedlo se provézt přehlídku celé oblohy a najít řadu emisí gama záření. Kromě toho se podařilo také změřit složení izotopů jader kosmického záření mezi berylliem a železem a zastoupení jader prvků až po cín. Pro nejhojnější prvky dokázala družice stanovit hmotnostní podíl v kosmickém záření s přesností 10 %. Došlo též na charakterizaci zdrojů kosmického záření, procesy nukleosyntézy těžších prvků a způsoby jejich šíření po okolním prostoru.

Čestné zmínky

I dnes bych si dovolil stručně vypíchnout několik misí, které se do finálního výběru nedostaly. Předně je to Einsteinova rentgenová observatoř, a z této oblasti můžeme zmínit také italskou družici BeppoSAX nebo japonsko-americkou Suzaku. Moc se dnes nemluví ani o sondách z programu Small Astronomy Satellite (SAS). V ultrafialové oblasti pozorovala malá družice z programu Explorer Cosmic Hot Interstellar Plasma Spectrometer.

Podíváme-li se na opačnou stranu elektromagnetického spektra, můžeme zmínit třeba japonskou infračervenou observatoř Akari nebo evropsko-americký teleskop Herschel. Vynechat nelze ani některé družice věnované výzkumu Slunce. Mám na mysli Solar Anomalous and Magnetospheric Particle Explorer (SAMPEX) z programu Explorer, popřípadě Solar Maximum Mission (SolarMax).

1) OAO-3

Na přelomu 60. a 70. let měla americká agentura NASA program Orbiting Astronomical Observatory (OAO). Ten řídila Nancy Grace Roman, žena po níž je pojmenován vesmírný teleskop, který NASA vypustí snad v roce 2027. V rámci programu proběhly čtyři mise, všechny měly za cíl provádět astronomická měření v ultrafialové oblasti. Nicméně jen dvě ze čtyř byly úspěšné.

První družice programu totiž byla v roce 1966 úspěšně vypuštěna, ale kvůli problémům s elektrickou energií skončila mise již po třech dnech. Další sonda vypuštěná v roce 1970 se nedostala ani na oběžnou dráhu. Nepodařilo se ji totiž uvolnit od horního stupně Centaur a vlivem nadměrné hmotnosti nemohlo dojít k dosažení orbitální rychlosti. Zařízení za téměř 100 milionů dolarů zničila podle vyšetřování součástka za 100 dolarů.

Mezitím ještě v prosinci 1968 proběhl start mise OAO-2, která nesla rovnou jedenáct ultrafialových teleskopů. S jejich pomocí učinila za pět let své činnosti mnoho významných astronomických objevů, z nichž vyčnívají především dva. Za prvé pozorování nov a zjištění, že v době, kdy optická jasnost nov klesá, ultrafialový jas se naopak zvyšuje. A za druhé objev, že komety jsou obklopeny halem vodíku o typickém rozměru několik set tisíc kilometrů.

Právě v době, kdy OAO-2 končila se chystala ke startu finální mise programu OAO-3 známá rovněž pod přezdívkou Copernicus, neboť v roce 1973 uplynulo 500 roků od narození tohoto význačného učence. Sondu vyvinula americká NASA ve spolupráci s britskou Vědeckou a inženýrskou výzkumnou radou. Ke startu došlo v srpnu 1972, tentokrát naštěstí skvěle fungovala nosná raketa Atlas Centaur i samotná družice, krátce po startu proto mohla observatoř začít se sběrem dat.

OAO-3 nesla jednak velký ultrafialový teleskop s průměrem 80 cm vyvinutý specialisty z Princetonské univerzity pod vedením Lymana Spitzera (po něm se jmenuje Spitzerův dalekohled) a také menší rentgenový teleskop zajištěný britskou stranou, konkrétně fyziky z University College London, největší londýnské vysoké školy.

OAO-3 nakonec fungovala nejdéle ze všech misí programu OAO, až do února 1981, tedy osm a půl roku. Za tu dobu provedla rozsáhlý výzkum nebeských zdrojů rentgenového záření a také změřila ultrafialové záření ze stovek hvězd a jiných objektů. Připsala si i několik důležitých objevů.

V té době už byly několik let známy pulsary, téměř všechny ale měly dobu rotace kolem jedné sekundy nebo i méně. OAO-3 ale objevila dlouhoperiodické pulsary s periodou několik minut. Typickým zástupcem této skupiny je X Persei. Potvrdila také domněnku astronomů, že se většina vodíku v mezihvězdných mračnech vyskytuje v molekulární podobě.

Deaktivace OAO-3 znamenala tečku za programem OAO. I přesto, že nakonec správně fungovala jen polovina misí, znamenal tento program velký úspěch. Šlo o první pozorování v ultrafialové oblasti v kosmickém prostoru, především ale mise OAO zvýšily mezi astronomickou komunitou povědomí o kosmických observatořích a výhodách pozorování z kosmického prostoru. V konečném důsledku tak vedly i k dnešním sondám a teleskopům.

Na úplný závěr ještě dodejme, že se s částí mise OAO-3 můžete setkat nedaleko od nás. Záložní kus jednoho malého zrcadla, který by byl v případě potřeby umístěn na této misi, nebyl nakonec využit, a proto jej dnes můžeme spatřit v londýnském Science Museum. Zde se nachází třeba i návratová kabina kosmické lodi Apollo z mise Apollo 10.

Závěr

Tímto dílem jsme ukončili část našeho miniseriálu věnovanou samotným sondám a observatořím. V příštím díle se zaměříme na významné fyziky, podle nichž se jmenují některé velmi význačné kosmické mise.

Použité a doporučené zdroje

• GALEX NASA: https://www.nasa.gov/mission_pages/galex/index.html
• GALEX JPL: https://www.jpl.nasa.gov/missions/galaxy-evolution-explorer-galex
• Ulysses ESA: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ulysses_overview
• Ulysses NASA: https://solarsystem.nasa.gov/missions/ulysses/in-depth/
• RXTE NASA: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/xte/xte_1st.html
• RXTE MIT: http://xte.mit.edu/

Zdroje obrázků

• https://pbs.twimg.com/media/EaFMKY3WkAIVXIR.jpg:large
• https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/original_images/missionswebgalex_72PZJCU.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6e/GALEX_Field_of_View.jpg
• https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width_feature/public/757492main_pia17247_full.jpeg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6c/STS-41_launch.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/The_Ulysses_spacecraft_undergoes_testing_at_the_vacuum_spin-balancing_facility_in_ESTEC.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2003/05/artist_s_impression_of_ulysses_released_from_the_space_shuttle_6_october_1990/9604143-3-eng-GB/Artist_s_impression_of_Ulysses_released_from_the_Space_Shuttle_6_October_1990_pillars.jpg
• https://sci.esa.int/sci-images/e1/Ulysses_3rd-orbit410.jpg
• http://www.pioneeringspace.sener/EPORTAL_IMGS/GENERAL/SENERV3/IMG-cw590c249867c01/sener-space-ulysses-2.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/XTE_launch.gif
• https://www.aldebaran.cz/sondy/sondy/95_Rxte/xte_schema.gif
• https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/xte/pca/doc/rmf/pca-arf-2011/pca_images/collimator_head_on.jpg
• https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width_feature/public/heao_photo_a_0.jpg
• https://cache.getarchive.net/Prod/thumb/cdn10/L3Bob3RvLzE5ODAvMDkvMjAvYW4taGVhby0zLXNwYWNlY3JhZnQtaXMtbGF1bmNoZWQtYWJvYXJkLWFuLWF0bGFzLWNlbnRhdXItNTMtbGF1bmNoLXZlaGljbGUtZGQ1ODNmLTEwMjQuanBn/320/514/jpg
• https://heasarc.gsfc.nasa.gov/Images/heao3/heao3_hrgrs.gif
• https://global.jaxa.jp/projects/sas/astro_f/images/astro_f_main_001.jpg
• https://static01.nyt.com/images/2018/12/31/obituaries/31roman-obit/31roman-obit-superJumbo-v2.jpg
• https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width/public/thumbnails/image/oao_2_ksc.jpg?itok=Mx0dMqpc
• https://nssdc.gsfc.nasa.gov/image/spacecraft/copernicus.gif
• https://www.centennialofflight.net/essay/Dictionary/OAO/DI193G2.jpg