TechtudSzerző: magyarnemzet 1 órával ezelőtt 7 percnyi olvasás
A forradalmi csillagászati műszer fejlesztésében egy neves magyar tudós is részt vett.
A NASA egykori csillagászati vezetője, dr. Nancy Grace Roman nevét viseli az amerikai űrkutatási hivatal legújabb „csodafegyvere” , mégpedig nem véletlenül. Az ő öt évtizedig tartó igazgatósága alatt született meg ugyanis az univerzum kutatásában rendkívül fontos mérföldkőnek bizonyult Hubble űrtávcső terve, ami az igazgatónő kitartó és fáradhatatlan munkája nélkül aligha valósulhatott volna meg. Nancy Grace Romant ezért is szokták a „Hubble anyjaként” emlegetni.
A Hubble, és a 2021 decemberében felbocsátott James Webb űrtávcső valódi forradalmat írt az űrkutatásban és a világegyetem megismerésében. Ehhez csatlakozik most a Roman űrteleszkóp, amitől újabb, az univerzumra vonatkozó ismereteinket alapvetően átíró megfigyelési eredményeket várnak a szakemberek.
De miben is különbözik a Roman űrtávcső a két nagynevű elődjétől?
A Roman főtükrének átmérője, ami 2,4 méter, pontosan megegyezik a Hubble űrtávcső tükörátmérőjével, de ezzel nagyjából véget is ér a hasonlóság a két műszer között.
A Roman ugyanis két olyan speciális műszeregységgel rendelkezik, ami miatt egyrészt százszor nagyobb a látómezeje mint a Hubble űrteleszkópé, másrészt pedig az égbolt felmérési képessége ezerszer gyorsabb a híres elődjénél.
Ez utóbbi praktikusan azt jelenti, hogy a Roman űrtávcső egyetlen esztendő alatt annyi adatot képes feldolgozni, mint ami a Hubble számára kétezer évig tartana. Az új űrtávcső jelentőségéről Detre Örs Hunort, a James Webb és a Roman kifejlesztésében is részt vett magyar űrkutató-fizikust kérdezzük.
Amióta technikailag lehetővé vált, hogy nagy teljesítményű teleszkópokat, illetve komplett műszeregyütteseket juttassunk fel a világűrbe, az űrtávcsövek segítségével olyan forradalmi jelentőségű felfedezések egész sora történt az elmúlt három évtizedben, amiről korábban még csak nem is álmodozhattak a csillagászok. Túlzás nélkül állítható, hogy a Hubble űrtávcső, illetve az öt éve pályára állított James Webb űrobszervatórium valódi forradalmat indított el a csillagászati megfigyelések történetében. Ha egyetlen dologgal kellene lényegre törően elmagyarázni, hogy miben lesz más a Roman, mint a Hubble vagy a James Webb űrteleszkóp, mit emelne ki?
A Roman legnagyobb újdonsága a hatalmas látómező: a Hubble-hoz hasonló részletességgel, de egyszerre mintegy százszor nagyobb égterületet képes megfigyelni. Olyan lesz, mintha egy szűk látcső helyett most végre panorámaképet kapnánk az univerzumról.
A Roman fő műszere a Nagy Látómezejű Műszer, angolul a Wide Field Instrument (WFI). Ezzel nemcsak egyes objektumokat vizsgálhatunk rendkívüli részletességgel, hanem galaxisok millióit térképezhetjük fel, és ritka, ma még ismeretlen jelenségeket is felfedezhetünk.
A vele gyűjtött hatalmas adatmennyiség segíthet megfejteni a modern csillagászat egyik legnagyobb rejtélyét: az általunk ismert, atomokból felépülő anyag a világegyetem mindössze 5 százalékát alkotja, míg 27 százaléka láthatatlan sötét anyag, 68 százaléka pedig az univerzum gyorsuló tágulását okozó, ma még ismeretlen sötét energia.
Az új űrtávcső adta lehetőségek hozzásegíthetik a tudományt e régi és izgalmas probléma jobb megértéséhez is.
Azt már régóta sejtettük, hogy nem csak a Naprendszerben lehetnek bolygók, hanem a távoli csillagrendszerekben is, de ez az elméleti feltevés csak az 1990-es évek közepén vált tudományos bizonyossággá, az első exobolygók felfedezésével. Az exobolygók száma az egyre fejlettebb észlelési technikáknak köszönhetően rohamosan gyarapszik. Ezért sem véletlen, hogy új űrteleszkóp egyik kimelten fontos kutatási területe éppen az exobolygók vizsgálata lesz. Hogyan segíti majd a Roman űrteleszkóp a csillagászokat az exobolygók kutatásában, és miben tud többet a jelenlegi eszközöknél?
A Roman fő műszere mellett helyet kapott egy második műszer is, a Coronagraph Instrument (CGI), magyarul a koronagráf műszer,
amelynek fejlesztésén nekem is volt szerencsém dolgozni.
Ez szintén világelső technológia: elsőként valósít meg az űrben, látható fényben aktív optikával működő koronagráfiát.
Ennek az a lényege, hogy a csillag vakító fényét kitakarva, deformálható tükrökkel korrigálja a legkisebb optikai hibákat is, így közvetlenül láthatóvá és vizsgálhatóvá válhatnak a csillag körül keringő, nála akár milliárdszor halványabb exobolygók. A CGI elsősorban technológiai demonstráció, amely megnyithatja az utat a Földhöz hasonló exobolygók későbbi közvetlen megfigyelése, légkörük elemzése és végső soron az élet jeleinek keresése előtt.
A Roman ilyen exobolygók további ezreit fedezheti fel, ami közelebb vihet bennünket annak megértéséhez,
hogy hol és milyen körülmények között alakulhat ki élet az univerzumban.
A példátlan adatmennyiségben pedig olyan ritka, akár ma még ismeretlen jelenségekre bukkanhatunk, amelyeket eddig azért nem láttunk, mert nem tudtunk egyszerre ekkora égterületet ilyen részletességgel megfigyelni.
Ön nemzetközileg elismert szakértője a csillagászati műszerfejlesztésnek, hiszen a James Webb űrtávcső egyik fontos műszeregységének, az infravörös érzékelőnek, a MIRI -nek Ön volt az egyik vezető fejlesztője, legutóbb pedig a NASA Roman űrteleszkópjának a megépítésében is fontos szerepet vállalt. Egész pontosan milyen feladatokon dolgozott a fejlesztés során, és mi jelentette a legnagyobb műszaki kihívást?
Számomra ez különösen személyes történet, hiszen a legelső prototípusok néhány alkatrésze még az otthoni 3D nyomtatómon készült. Ugyanis 2008 és 2023 között a heidelbergi Max Planck Csillagászati Intézet műszeres kutatójaként a James Webb űrtávcső mellett a Roman Coronagraph Instrument, röviden CGI, fejlesztésében is részt vehettem.
Intézetünk tervezte és építette meg a koronagráf precíziós űrmechanikáit, én pedig már a legelső koncepciók kidolgozásától a prototípusok megépítéséig és teszteléséig bekapcsolódtam a munkába.
Ezek a mechanikai szerkezetek mozgatják és rendkívüli pontossággal pozicionálják a műszer cserélhető optikai elemeit. Segítségükkel állítható be, hogy a távcső milyen megfigyelési módban és mely hullámhossztartományban gyűjtsön adatokat.
A mozgó alkatrészek az űrműszerek legérzékenyebb pontjai közé tartoznak. Számos kritikus elektronikai, szenzor, illetve motoregységből, sőt ezek kábeleiből is kettőt építenek be, így ha az egyik meghibásodik, a tartalék átveheti a szerepét. Azonban egy precíziós mechanika elemeit, mint például egy központi csapágyat legtöbbször nem lehet megkettőzni.
Ha egy mozgó elem beszorul vagy nem éri el pontosan a kijelölt helyzetét, az egész műszer használhatatlanná válhat,
szélsőséges esetben ez pedig akár a teljes küldetés sikerét is veszélyeztetheti.
Éppen ezért ezeknek a precíziós, optikai szerkezeteknek a rakétaindítás rendkívüli rázkódása után, a világűr vákuumában és javítási lehetőség nélkül is éveken át hibátlanul kell működniük. Emiatt az űrmechanikák fejlesztése egy misszió műszakilag legnehezebb és legnagyobb felelősséggel járó feladatai közé tartozik.
A fejlesztés során több, egymástól alapjaiban eltérő műszaki koncepcióra épülő prototípust terveztünk és gyártattunk. Az egyik kísérleti megoldásban például a hagyományos elektromotorok helyett a DSLR-fényképezőgépek objektívjeinek fókuszmechanikájából ismert gyors és precíz piezoelektromos hajtást is kipróbáltuk.
A NASA-szerződés elnyeréséhez vezető teljes prototípus-fejlesztésre mindössze 6000 eurónk volt.
Ebből kellett néhány száz euróból megépítenünk a Roman koronagráfjának első mechanikai koncepcióit és mérőberendezéseit, sőt végül még egy második, továbbfejlesztett prototípusra is futotta.
Ezek után az én feladatom lett az űrmechanika minősítéséhez szükséges teljes földi tesztlaboratórium megtervezése és felépítése, valamint az űreszközök tekintetében is kiemelkedően nagy kihívást jelentő műszaki követelmények teljesülését ellenőrző vizsgálatok kidolgozása.
Ezek a tesztek a fejlesztés során folyamatos visszajelzést adtak saját mérnökeinknek, végül pedig a megrendelő NASA számára igazolták, hogy a rendszer valóban teljesíti az előírt követelményeket.
Egy ilyen fejlesztés korai szakaszát számos technikai tyúk-tojás probléma nehezíti. Amikor mi már a működő mechanikai prototípusainkat teszteltük, még nem létezett az az elektronika, amely később a világűrben vezérli majd őket. Ennek elkészítése egy másik fejlesztőcsoport feladata volt, ám a NASA ekkor még az erre vonatkozó szerződést sem kötötte meg.
Ezért örömmel vállaltam el a későbbi űrelektronika működését modellező első prototípus vezérlőelektronika kifejlesztését is. Így a hasonlatnál maradva nemcsak a tojásunk, hanem a tyúkunk is meglett: a működő mechanika mellett már annak vezérlése is rendelkezésünkre állt.
Az elektronika-mechanika pároson végzett mérések a NASA számára is fontos információkat adtak arról, miként lehet a mechanikát az űrben a lehető legnagyobb biztonsággal, ugyanakkor a lehető legpontosabban működtetni.
A feladat nehézségét jól érzékelteti, hogy a gyors mozgatás mellett 50 nanométeres pozicionálási pontosságot kellett elérnünk, ami az emberi hajszál vastagságának körülbelül ezredrésze.
Emellett a mechanika síkja a mozgatások során is csak rendkívül kis mértékben billenhetett el.
Ha a róla visszaverődő lézersugarat egy kilométeres távolságra vetítenénk, a fénypont legfeljebb 0,1 milliméterrel, vagyis nagyjából egy emberi hajszál vastagságával mozdulhatna el. Már egy ekkora eltérés megbízható földi kimérése is komoly mérnöki feladat volt, nemhogy egy olyan mechanika megtervezése és megépítése, amely ezt a pontosságot minden egyes mozgásnál teljesíti.
A működő prototípus mérésekkel igazolt teljesítménye teremtette meg a bizalmat egy későbbi, több millió dolláros NASA-szerződéshez. Ez volt az első alkalom a németországi Max Planck Társaság történetében, hogy egyik intézete, a heidelbergi Max Planck Csillagászati Intézet közvetlenül nyert el NASA-szerződést.
Mint csillagász, személy szerint hol, milyen kutatási területen várja a legnagyobb eredményeket a Roman űrteleszkóptól? Számol-e olyan felfedezéssel, ami igazán meglepné?
Egyértelműen a modern csillagászat legnagyobb rejtélyéhez, a sötét anyag és a sötét energia természetének megértéséhez kapcsolódó eredményeket várom a leginkább.
Jelenlegi kozmológiai modellünk ugyanis nem ad választ arra, valójában mi alkotja a világegyetem mintegy 95 százalékát. Itt tehát nem pusztán tudásunk apró finomhangolásáról van szó: e kérdés megválaszolása valódi tudományos áttörést jelentene.
Nagyon izgalmas lesz az exobolygók új sokaságának feltérképezése is.
A Roman megmutatja, milyen bolygórendszerek népesítik be a galaxisunkat, az utánkövetésre alkalmas célpontokat pedig a James Webb infravörös tartományban, a Hubble pedig főként a látható és ultraibolya fényben vizsgálhatja tovább. A Roman tehát megmutatja, hol érdemes keresnünk, a másik két távcső pedig részletesebben is feltárhatja, hogy mit találtunk.
Az augusztus 30-án felbocsátott Nancy Grace űrteleszkóp:
Napi