Teleskop na skrzydłach

Specjaliści z NASA nie są raczej mistrzami ecodrivingu. Czy w przeciwnym razie wysłaliby w niebo potężnego boeinga 747 z olbrzymią dziurą w kadłubie? Jak to wpływa na własności aerodynamiczne? Spalanie? Osiągi? Prawdę mówiąc, inżynierowie mają to w nosie. Dla nich liczy się to, co przez taką dziurę można zobaczyć

Główną bolączką astronomów jest Ziemia. Powierzchnia naszej planety to dosyć kiepskie miejsce do prowadzenia obserwacji.

Światła miast, zanieczyszczenie powietrza, nawet ta irytująca ziemska atmosfera - wszystko to skłania specjalistów od gwiazd do wymyślania kolejnych sposobów umieszczania teleskopów jak najwyżej. Oczywiście idealnym miejscem byłby Kosmos, ale to drogie rozwiązanie.

Potrzebne są więc kompromisy - obserwatoria poza granicami wielkich miast odcinają się od problemu zaświetlenia nieba, a teleskopy umieszczone na szczytach gór przez większość czasu znajdują się ponad poziomem chmur. NASA poszła jednak o krok dalej. Umieściła teleskop na pokładzie samolotu. W ten sposób zrodziła się idea latającego obserwatorium. Zalety? Zminimalizowanie przeszkód wynikających z obserwacji spod ziemskiej atmosfery. I nie chodzi tu głównie o chmury, które zasłaniają na niebie obiekty astronomiczne. Obserwacjom prowadzonym w podczerwieni, a takie jest główne zadanie tego typu obserwatoriów, przeszkadza para wodna wchodząca w skład atmosfery naszej planety. Wyniesienie teleskopu wysoko ponad powierzchnię Ziemi rozwiązuje ten problem. Obserwatoria lotnicze mają mniejszą sprawność od teleskopów kosmicznych, ale są tańsze i dzięki temu, że patrzą w niebo z wysokości blisko 14 tysięcy metrów, obraz zniekształca im zaledwie 0,1 procent pary wodnej zawartej w atmosferze. W efekcie niespełna metrowy teleskop Spitzera znajdujący się na orbicie (apertura 0,85 metra) jest o wiele czulszy na podczerwień niż 10-metrowy naziemny teleskop Kecka.

Do tego duży boeing 747 jest w stanie zabrać na pokład więcej aparatury badawczej, niż można jednorazowo wynieść na orbitę wraz z teleskopem kosmicznym.

Uran na pokładzie

Pomysł na latające obserwatorium od dawna chodził po głowie inżynierom NASA. Pierwsze próby podejmowali już w latach 60. ubiegłego wieku. Zaczęło się od samolotu firmy Learjet wyposażonego w teleskop o średnicy 30 centymetrów. W 1966 roku naukowcy z Los Alamos w USA z pokładu samolotu Convair 990 Galileo obserwowali z kolei całkowite zaćmienie Słońca (convair rozbił się pięć lat później przy podchodzeniu do lądowania na skutek zderzenia z samolotem U.S. Navy). W 1970 roku NASA uruchomiła KAO (ang. Kuiper Airborne Observatory - lotnicze obserwatorium Kuiper). Miało umożliwiać oglądanie nieba w bliskiej podczerwieni. Na pokładzie wojskowego transportowca C-141 umieszczono teleskop o średnicy 91 centymetrów (36 cali), skonstruowany w systemie Cassegraina i czuły na światło w zakresie od 1 do 500 mikrometrów. Odniósł kilka sukcesów: w 1977 roku dostrzegł pierścienie Urana, w 1988 roku astronomowie z MIT wypatrzyli dzięki niemu atmosferę Plutona, przydał się też do przedstawienia bezpośrednich dowodów na obecność czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Jedną z ostatnich obserwacji obserwatorium KAO było zderzenie 21 fragmentów komety Shoemaker-Levy 9 z Jowiszem w 1994 roku. Rok później wysłużone i coraz droższe w eksploatacji latające obserwatorium przeszło na emeryturę. To nie był jednak koniec marzeń o teleskopach na skrzydłach. W 1997 roku NASA zakupiła boeinga 747 SP, by przez 10 lat poddawać go kolejnym przeróbkom. W końcu zmodyfikowany, obdarzony wdzięcznym imieniem SOFIA (ang. Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) samolot odbył swój dziewiczy lot.

Telepanie teleskopu

Taka maszyna to prawdziwe wyzwanie dla inżynierów. Bo jak na przykład poradzić sobie z ciągłymi drganiami wynikającymi z pracy czterech silników samolotu czy z turbulencjami? To utrudnia utrzymywanie 2,5-metrowego teleskopu w tej samej pozycji przez wiele minut potrzebnych do przeprowadzenia obserwacji. Inne problemy sprawiała czterometrowa dziura w kadłubie, przez którą łypało oko teleskopu. Powodowała ona napięcia w konstrukcji i turbulencje wpływające na zdolność tak wielkiej maszyny do lotu. Otwór musiał pozostawać otwarty, żeby teleskop cokolwiek widział - nie jest znany materiał, który w pełni przepuszcza podczerwień i mógłby stanowić poszycie samolotu w tym miejscu. Dodatkowo aparatura teleskopu najlepiej pracuje w niskich temperaturach, jakie panują na wysokości 14 tysięcy metrów, czego nie da się już powiedzieć o możliwościach astronomów.

Jak sobie poradzono? Do uzyskania stabilnego obrazu z teleskopu zastosowano system optyki adaptatywnej. Podobny działa w teleskopach naziemnych, w których reaguje na ruch powietrza w atmosferze. Tu miał niwelować drgania konstrukcji samolotu. Jak? Superszybkie kamery analizujące obraz poszczególnych części samolotu przesyłają dane do zestawu siłowników podtrzymujących teleskop. Każda informacja o wibracji wpływa na ustawienie teleskopu, tak by drgania były niwelowane. Dzięki temu nawet podczas długotrwałych ekspozycji astronomowie uzyskują nieporuszony obraz obserwowanego obiektu.

Oko na komety

Obserwacje z samolotu prowadzone są głównie nad Oceanem Spokojnym w pobliżu zachodniego wybrzeża USA. Tu, w bazie Palmdale Field na stałe stacjonuje SOFIA - boeing 747 należący do NASA. Jego mobilność sprawia, że teleskop może brać udział w obserwacjach z dowolnego punktu na Ziemi. Najlepiej sprawdza się więc przy zaćmieniach Słońca, zakryciach czy obserwacjach komet. SOFIA dostarcza astronomom informacji o formowaniu się i ewolucji obiektów tak małych jak asteroidy lub komety, ale i tak wielkich jak galaktyki czy ich całe gromady. Przy jej pomocy możemy obserwować dyski protoplanetarne otaczające młode gwiazdy, jak również obłoki gazów i pyłów wyrzucanych w przestrzeń kosmiczną przez umierającą gwiazdę.

Od czasu do czasu SOFIA spogląda też w okna naszych sąsiadów z Układu Słonecznego - obserwuje strukturę atmosfery Marsa oraz Wenus, analizuje księżyce i górne warstwy atmosfery gazowych gigantów takich jak Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Analizuje obiekty wchodzące w skład Pasa Kuipera.

Latające obserwatorium nie jest tanią inwestycją. Koszt blisko 20-letniej misji SOFIA wynosi 2,9 miliarda dolarów. W tym czasie teleskop ma przeprowadzić obserwacje w podczerwieni, tworząc wsparcie dla kosmicznego teleskopu Spitzera, a jednocześnie stanowiąc niezależne obserwatorium astronomiczne. Czy to się opłaci? Już KAO przyniosło wiele technologicznych rozwiązań stosowanych w dzisiejszych teleskopach kosmicznych. Jest więc szansa, że i SOFIA - oprócz wielu astronomicznych odkryć - dostarczy naukowcom nowych, "odlotowych" pomysłów.

Karol Wójcicki popularyzacją astronomii zajmuje się blisko 8 lat. Od ponad 3 lat związany jest z Centrum Nauki Kopernik gdzie obecnie można go spotkać pod kopułą planetarium Niebo Kopernika. Jego największą pasją są całkowite zaćmienia Słońca w pogoni za którymi przemierza tysiące kilometrów.