Εκτοξεύτηκαν οι δύο δορυφόροι Planck και Herschel. από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος

Άρθρο, 14 Μαΐου 2009

Η ESA δρομολόγησε σήμερα Πέμπτη και ώρα 16:12 για το διάστημα δύο διαστημικά παρατηρητήρια, από την διαστημική βάση της στη Γαλλική Γουιάνα. Το ένα είναι το παρατηρητήριο μικροκυματικής ακτινοβολίας Planck και το άλλο το παρατηρητήριο υπερύθρων ακτίνων Herschel. Και τα δύο θα εκτοξευτούν ταυτόχρονα στο διάστημα με τον πύραυλο Ariane V στη θέση L2 ανάμεσα στη Γη και στον Ήλιο. Το Planck θα μελετήσει λεπτομερώς την κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων και το Herschel θα κατασκοπεύσει το ψυχρό αέριο και τα νέφη της σκόνης που είναι τα φυτώρια για νέα άστρα και γαλαξίες.

Η Μεγάλη Έκρηξη: Το σύμπαν ξεκινάει την παρουσία του, μια απείρως πυκνή και θερμή σούπα από υποατομικά σωματίδια και ακτινοβολία. Σε ένα κλάσμα του νανοδευτερολέπτου, διπλασιάζει το μέγεθός του ξανά και ξανά, με μια διαστολή πολύ πιο γρήγορη από την ταχύτητα του φωτός, μια περίοδος γνωστή ως πληθωρισμός. Αυτή η απείρως φανταστική διαστολή μπόρεσε να ομαλοποιήσει το σύμπαν, αλλά και προκάλεσε διακυμάνσεις στον χωρόχρονο, τα γνωστά κύματα της βαρύτητας, τα οποία 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα θα πρέπει να έχουν αφήσει τα ίχνη τους στο χρονικό της Μεγάλης Έκρηξης, το Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB). Οι 400 ερευνητές της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA) που δούλεψαν για τον δορυφόρο Planck, ελπίζουν να εντοπίσουν εκείνα τα ίχνη, στα λεπτά μοτίβα της πόλωσης των μικροκυμάτων.

Η αποστολή Planck έχει σκοπό να συλλέξει και να αναλύσει την ακτινοβολία του Κοσμικού Υπόβαθρου Μικροκυμάτων (CMB), χρησιμοποιώντας ευαίσθητους ραδιοφωνικούς δέκτες, που θα λειτουργούν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Οι δέκτες αυτοί θα καθορίσουν την ισοδύναμη θερμοκρασία του μέλανος σώματος   της ακτινοβολία υποβάθρου, ενώ θα είναι ικανοί να διακρίνουν διακυμάνσεις θερμοκρασίας στον ουρανό, περίπου, ένα microkelvin. Οι μετρήσεις αυτές θα χρησιμοποιηθούν για να παράγουν τους καλύτερους χάρτες της ανισοτροπίας της CMB (τις διαφορές της θερμοκρασίας και πόλωσης της ακτινοβολίας) που έγιναν ποτέ μέχρι τώρα.

Το νέο τηλεσκόπιο Planck έχει ύψος 4,2 μέτρα και το μέγιστο του πλάτος είναι 4,2 μέτρα, με μάζα 1,9 τόνους. Το κύριο κάτοπτρο του είναι 1,9 Χ 1,5 μέτρα ενώ το δεύτερο κάτοπτρο 1,1 × 1,0 m εστιάζει το φως που συλλέγεται σε δύο επιστημονικά όργανα: το LFI (Low Frequency Instrument), δηλαδή μια σειρά από ραδιοφωνικούς δέκτες και το HFI (High Frequency Instrument), μια άλλη σειρά από ανιχνευτές με χρήση μικροκυμάτων.

Τελικά το παρατηρητήριο Planck θα φτιάξει έναν χάρτη του ουρανού στην Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου (CMB) σε γωνιακή ανάλυση μεγαλύτερη από 10 λεπτά του τόξου και με μια θερμοκρασιακή ανάλυση της τάξης του 1 μέρους προς 10⁶. Η ταυτόχρονη χαρτογράφησης του ουρανού σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων θα επιτρέψει τον διαχωρισμό της Γαλαξιακής και εξωγαλαξιακής ακτινοβολίας από την αρχέγονη κοσμική ακτινοβολία.

Η μικροκυματική ακτινοβολία CMB δεν προέρχεται από ένα αντικείμενο, αλλά από το σύνολο του Σύμπαντος. Είναι στην πραγματικότητα το πρώτο φως που υπήρχε ελεύθερα στο Σύμπαν. Για το λόγο αυτό προέρχεται από το σύνολο του ουρανού. Παρακολουθώντας το 'πρώτο φως' σήμερα, όπως η CMB, είναι σαν να βλέπουμε το Σύμπαν όπως ήταν 380 000 χρόνια μετά το Big Bang. Όταν ελευθερώθηκε το 'πρώτο φως' της CMB το Σύμπαν ήταν πολύ μικρότερο από ό,τι είναι τώρα. Κατά συνέπεια, τα κύματα του πρωταρχικού φωτός ήταν πολύ πιο συμπιεσμένα, δηλαδή, η συχνότητά τους ήταν πολύ υψηλή και το μήκος κύματος πολύ πιο μικρό. Το Σύμπαν από τότε έχει επεκταθεί κατά πολύ, και μαζί του τα κύματα αυτής της πρωταρχικής ακτινοβολίας 'τεντώθηκαν' ή η συχνότητα της CMB είναι τώρα πολύ χαμηλότερη από ό,τι στο παρελθόν. Γι αυτό και τώρα ανήκουν στο φάσμα των μικροκυμάτων.

Το Planck λοιπόν έχει σχεδιαστεί για να "δούμε" αυτά τα μικροκύματα και, στην πράξη, θα ανιχνεύονται μετρώντας την θερμοκρασία τους. Αυτή η θερμοκρασία είναι ήδη γνωστό πως είναι περίπου 2.7 Kelvin ή περίπου -270° C, κοντά στο απόλυτο μηδέν. Στις προηγούμενες αποστολές έχει μετρηθεί σε όλο τον ουρανό ως 2.726 K με ακρίβεια τρία δεκαδικά ψηφία. Αυτός ο βαθμός ακρίβειας στη μέτρηση μπορεί να μας φαίνεται αρκετά καλός, αλλά είναι απαραίτητες πολύ πιο ακριβείς μετρήσεις. Οι επιστήμονες γνωρίζουν, από τις προηγούμενες παρατηρήσεις τους, ότι εμφανίζονται στον ουρανό 'μπαλώματα', με αλλού λίγο ψυχρότερες και αλλού λίγο θερμότερες περιοχές (διαφέρουν κατά ένα παράγοντα ένα μέρος προς 100.000). Και πάλι, αυτό μπορεί να μας φαίνεται σαν μια πολύ μικρή διαφορά, αλλά αυτές οι διαφορές στη θερμοκρασία δεν είναι τίποτα λιγότερο από τα αποτυπώματα που έμειναν στην CMB από τους πρώιμους "σπόρους" των σημερινών τεράστιων συγκεντρώσεων της ύλης - δηλαδή τα σμήνη των γαλαξιών και τους γαλαξίες.

Πιο αναλυτικά οι διαφορές αυτές στην θερμοκρασία οφείλονται στην απειροελάχιστη διαφορά πυκνότητας των πρωταρχικών συστατικών του σύμπαντος, κυρίως του υδρογόνου, που είχαν διαχυθεί σε όλο το Σύμπαν όταν απελευθερώθηκε η ακτινοβολία. Γι αυτό και η διαφορά της θερμοκρασίας αντικατοπτρίζει τα ίχνη των περιοχών όπου στη συνέχεια δημιουργήθηκαν οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών.

Ο ουράνιος χάρτης του παλαιότερου φωτός στο Σύμπαν σύμφωνα με την προηγούμενη αποστολή WMAP. Τα χρώματα δείχνουν "τη θερμότερη περιοχή" (κόκκινο) και την "πιο ψυχρή" (μπλε σημεία). Η ωοειδής μορφή είναι μια προβολή για να παρουσιάσει ολόκληρο τον Ουρανό. Οι λευκές ράβδοι παρουσιάζουν την κατεύθυνση της πόλωσης του παλαιότερου φωτός. που δίνει τις ενδείξεις για τα γεγονότα που συνέβησαν στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό του ενός δευτερολέπτου του σύμπαντος. Η μικροκυματική ακτινοβολία που συνελήφθη σε αυτή την εικόνα οφείλεται στην ακτινοβολία που γεννήθηκε 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ενώ οι χρωματικές διαφορετικές μορφές είναι οι μικροσκοπικές διαφορές της θερμοκρασίας μέσα σε αυτό το εξαιρετικά ομοιόμορφα διασκορπισμένο φως μικροκυμάτων, που λούζουν το Σύμπαν.

Οι πληροφορίες που πρέπει να συγκεντρώσει το παρατηρητήριο Planck έγκειται στα μοτίβα που σχηματίζονται από αυτές τις ελαφρώς θερμότερες και ψυχρότερες περιοχές, που ονομάζονται "ανισοτροπίες' ή 'ανομοιογένειες'. Κατά συνέπεια, οι ανιχνευτές του Planck θα πρέπει να είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι, ενώ θα πρέπει να εργάζονται σε θερμοκρασίες πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν, διαφορετικά η δική τους εκπομπή θερμότητας θα αλλοίωναν τις μετρήσεις.

Τα ερωτήματα στα οποία θα αναζητήσει απαντήσεις το Planck περιλαμβάνουν:

• Τις ακριβείς τιμές πολλών κοσμολογικών θεμελιωδών παραμέτρων, όπως η σταθερά του Hubble, η πυκνότητα ύλης στο σύμπαν κλπ

• Την σαφή απάντηση στο αν το Σύμπαν έχει περάσει στις απαρχές της ιστορίας του μια πληθωριστική φάση

• Ποια είναι η φύση της σκοτεινής ύλης που μπορεί να αντιστοιχεί σε πάνω από το 90% του συνολικού ποσού της ύλης στο Σύμπαν, αλλά δεν είχε ποτέ ανιχνευθεί άμεσα;

• Το Σύμπαν θα συνεχίσει την διαστολή του για πάντα, ή θα καταρρεύσει σε μια 'Μεγάλη Σύνθλιψη';

• Ποιά είναι η ηλικία του Σύμπαντος;

• Ποια είναι η φύση της σκοτεινής ενέργειας, μιας υποθετικής μορφής ενέργειας που μπορεί να ευθύνεται για την διαστολή του σύμπαντος με επιταχυνόμενο ρυθμό;

Ο πύραυλος Ariane-5 εκτός του Planck θα κουβαλάει και το Herschel. Σε 25 λεπτά περίπου από την στιγμή της εκτόξευσης θα αφήσει στο σημείο L2 πρώτα το παρατηρητήριο υπερύθρων Herschel και στη συνέχεια το παρατηρητήριο μικροκυμάτων Planck.

Μετά τον διαχωρισμό τους τα δύο διαστημικά σκάφη θα κάνουν λίγους μήνες για να τεθούν στην ακριβή επιχειρησιακή τους τροχιά. Η επιχειρησιακή τροχιά του Planck βρίσκεται 1,5 εκατ. χιλιόμετρα μακριά από τη Γη σε μια αντδιαμετρικά αντίθετη κατεύθυνση από τον Ήλιο, στο δεύτερο σημείο Lagrange στο σύστημα του Ήλιου-Γης  (L2). Το διαστημόπλοιο θα κινείται σε μια τροχιά Lissajous γύρω από το σημείο L2 με μέσο πλάτος περίπου 400.000 km.

Η αποστολή Planck έχει ονομαστική επιχειρησιακή ζωή περίπου δεκαπέντε μηνών από το τέλος της βαθμονόμησης και της επαλήθευσης των επιδόσεων του.

Ο πρώτος προκάτοχος του Planck ήταν το Cosmic Background Explorer (COBE) που ξεκίνησε στις 18 Νοεμβρίου 1989. Το COBE βρήκε ότι η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB) παρουσίαζε μια ανισοτροπία της τάξεως 1 μέρος προς 10⁵ και έδειξε ότι το φάσμα της CMB αντιστοιχούσε σε ένα μέλαν σώμα με θερμοκρασία 2,725 K ± 2 mK.

Το δεύτερο αντίστοιχο διαστημόπλοιο ήταν το WMAP που ξεκίνησε στις 30 Ιουνίου του 2001 και έχει πραγματοποιήσει τέτοιες μετρήσεις της CMB, που επέτρεψαν την δημιουργία ενός χάρτη της ανισοτροπίας της μικροκυματικής αρχέγονης ακτινοβολίας με πολύ μεγαλύτερη χωρική και θερμοκρασιακή ανάλυση, ενώ  και η βελτίωση της ακρίβειας σε σχέση με το COBE ήταν τρομερή.