IRAS
Astronomia podczerwona to żargonowa nazwa dziedziny nauki związanej z obserwacją i analizą fal elektromagnetycznych w zakresie 1 μm – 1 mm i o pochodzeniu pozaziemskim. Rok 1983 był przełomowy w rozwoju tej dziedziny — w Stanach Zjednoczonych wystrzelono lRASa (ang. Infrared Astronomical Satellite) — pierwsze satelitarne obserwatorium podczerwone. Jednak historia tego przedsięwzięcia zaczęła się znacznie wcześniej.
Promieniowanie podczerwone jest emitowane (i absorbowane) m.in. przez obiekty zimne, których temperatury są nie większe niż kilka tysięcy kelwinów. W kosmosie wiele ciał jest ogrzanych jedynie do kilkudziesięciu, a nawet kilku kelwinów (0 K = –273°C). Promieniowanie tych źródeł jest jednak bardzo skutecznie absorbowane przez atmosferę ziemską. Co więcej — nasza atmosfera (o temperaturze około 300 K) sama jest również silnym źródłem promieniowania podczerwonego, podobnie jak teleskopy, detektory itd. Jesteśmy jakby zanurzeni na dnie morza kwantów podczerwonych i nie jest to najlepsze miejsce do obserwowania tego, co dzieje się nad jego powierzchnią.
Naturalną więc tendencją jest dążenie do budowy jak najwyżej, jak największych i jak najbardziej ochłodzonych instrumentów do zbierania i rejestracji podczerwonych kwantów przychodzących z kosmosu. Dwa najnowocześniejsze teleskopy zbudowano dotychczas na szczycie wulkanu Mauna Kea na wyspie Hawaii, na wysokości 4100 m n.p.m. Oba mają średnicę ponad 3 m, wszystkie detektory są chłodzone do temperatury poniżej 70 K, a niektóre nawet do 4 K. Trzymetrowy amerykański teleskop IRTF przy jednogodzinnej ekspozycji może zarejestrować źródło podczerwone o długości fali 2,2 μm (trzy razy dłuższej niż długość fali czerwonej) i jasności odpowiadającej 19 wielkości gwiazdowej. Jednak fale jeszcze dłuższe są znacznie silniej absorbowane przez atmosferę ziemską. Ten sam teleskop w tych samych warunkach „nastawiony” na fale o długości 20 μm zarejestruje już tylko gwiazdy jaśniejsze niż 5m,6.
Tak silna absorpcja atmosferyczna spowodowała, że obserwatorzy starają się umieszczać teleskopy jeszcze wyżej — na samolotach i balonach. Największe reflektory podczerwone wyniesione dotychczas na wysokość kilkunastu, czy też kilkudziesięciu kilometrów miały średnice około 1 m. Jednak i one mają przynajmniej jedną poważną wadę — jest nią bardzo ograniczony czas pracy (oraz czasem kłopoty ze stabilizacją aparatury). Pozostają więc satelity. Pomysł zbudowania podczerwonego obserwatorium pracującego na orbicie powstał na początku lat siedemdziesiątych. W roku 1974 grupa astronomów holenderskich zaproponowała swojemu rządowi budowę takiego instrumentu. Po paru miesiącach dyskusji z NASA w 1975 r. powstała w Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda amerykańsko-holenderska grupa, która zaczęła pracować nad projektem IRASa. Wkrótce dołączyli Anglicy. Podział pracy był następujący: Holendrzy zgodzili się wybudować satelitę wraz z systemami łączności, orientacji i zasilania, Anglicy stworzyli stację naziemną (w Chilton, na południe od Oxfordu), a Amerykanie skoncentrowali się na budowie teleskopu, detektorów, systemu chłodzenia i przetwarzania danych, mieli ponadto dostarczyć rakietę nośną.
W 1977 r. projekt został oficjalnie zaaprobowany w budżecie, ale — przeciwnie niż w innych sytuacjach — zaczęły piętrzyć się trudności. Jednym z powodów były nieporozumienia między współpracującymi grupami, jednak znacznie poważniejszą przyczyną było to, że planowany instrument był prawdopodobnie bardziej skomplikowany niż jakikolwiek inny satelita: miał zostać ochłodzony do temperatury około 2 K i w tej temperaturze pracować na orbicie przez rok. Było to zadanie na poziomie największych osiągnięć techniki; aby doprowadzić do wystrzelenia satelity trzeba było rozwiązać wiele nie znanych dotychczas problemów.
Teleskop miał zostać wyniesiony na orbitę w 1981 r. W lecie 1980 r. przystąpiono do testów detektorów, które miały stanowić podstawową część instrumentu. Ochłodzono je do temperatury 2 K i okazało się, że 23 spośród 62… przepaliły się. Oznaczało to oczywiście znaczne opóźnienia. Zmieniono koncepcję działania detektorów, wybudowano nowe i w lutym 1982 r. teleskop został ochłodzony ponownie. Testy dały jeszcze gorsze wyniki niż poprzednio. A kolejne ogrzanie instrumentu do temperatury pokojowej i ponowne ochłodzenie mogło grozić awarią już nie tylko detektorom ale i innym częściom satelity. Zdecydowano się na wyciągnięcie detektorów z zamrożonego teleskopu, który miał pozostać w tak niskiej temperaturze przez najbliższe 4 miesiące — tyle trwała naprawa. W lipcu 1982 r. ochłodzono detektory i zamontowano w płaszczyźnie ogniskowej teleskopu. Przed startem wyznaczonym na listopad należało przeprowadzić jeszcze tylko testy na wytrzymałość na drgania. IRAS „oczywiście” nie przeszedł tych testów i znowu, trzeba było przesunąć start na styczeń 1983 r. Po kolejnych naprawach zbliżał się dzień wystrzelenia — 25 stycznia. Satelita umieszczony na szczycie rakiety Delta czekał na swój moment. Jednak do ostatniej chwili nikt nie był pewien, czy tym razem dojdzie do startu, 4 godziny przed startem wiatr był ciągle zbyt silny, 2 godziny później jego siła była ledwie akceptowalna. Jednak w końcu o godz. 6h17m22s,5 czasu lokalnego z bazy lotniczej Vandenberg (Kalifornia) IRAS został wyniesiony na orbitę — dokładnie o czasie (albo z dwuletnim opóźnieniem). I w tym momencie wszystkie poważne problemy znikły. Cały teleskop pracował jak zegarek szwajcarski przez prawie dokładnie 300 dni — do momentu wyczerpania się nadciekłego helu — substancji chłodzącej cały układ.
Satelita ważył nieco ponad tonę i został wyniesiony na biegunową orbitę (nachylenie 99°) o wysokości 900 km (okres obiegu 103 minuty). 72 kg (475 litrów) nadciekłego helu o tempefautrze 1,9 K chłodziło detektory i teleskop o średnicy 57 cm do temperatury około 2,5 K.
Teleskop mógł pracować na dwa sposoby: mógł powoli obracając się przeglądać całe niebo albo obserwować przez dłuższy czas jeden obszar. Głównym zadaniem był jednak pierwszy z wymienionych sposobów pracy w celu uzyskania obrazu całego nieba w podczerwieni, IRAS zużywał na tę pracę około 60% swojego czasu.
W płaszczyźnie ogniskowej znajdowało się 6 rodzajów detektorów. Cztery z nich czułe na różne długości fali (od 8,5 μm do 120 μm) pracowały w czasie, kiedy satelita dokonywał pasek-po-pasku rutynowego przeglądu nieba. W momencie, gdy natrafiał na silne źródło podczerwone, włączany był automatycznie spektrograf uzyskujący widmo w zakresie 8 – 23 μm. Ponadto w płaszczyźnie tej umieszczono fotometry przeznaczone do szczegółowych obserwacji wybranych części nieba.
System łączności został rozwiązany w ten sposób, że raz na 12 godzin, przelatując nad ośrodkiem w Chilton satelita w ciągu 7,5 minuty przekazywał wszystkie zebrane w ciągu ostatniej połowy doby informacje, transmitując je z oszałamiającą szybkością około 100 milionów bitów na minutę. W tym czasie satelita odbierał również rozkazy na następne 12 godzin.
Pierwszego lutego 1983 r., po tygodniu testów, stabilizowania instrumentu i innych pracach przygotowawczych osłony teleskopu zostały odrzucone i IRAS po raz pierwszy „spojrzał” na podczerwone niebo rozpoczynając powolne „przemiatanie” sfery niebieskiej.
Potężna lawina informacji niosła ze sobą tysiące odkryć. Aby wyobrazić sobie, jakim przełomem są obserwacje IRASa wystarczy wspomnieć, że dotychczas z Ziemi zaobserwowano około 20 tysięcy źródeł podczerwonych, a IRAS odkrywał ich ponad 1000 dziennie, w sumie pozwalając na stworzenie katalogu ponad 200 tysięcy źródeł podczerwonych, a liczba znanych planetoid została zwiększona z 3 tysięcy do około 15 tysięcy!
Każda detekcja była w trakcie pracy satelity wielokrotnie sprawdzana. Wiarygodność przyszłego katalogu będzie na tyle duża, że najwyżej 2 „odkrycia” na 1000 mogą okazać się fałszywe.
IRAS dostarczał już zakodowane informacje z tysiącami odkryć, a na Ziemi trwały ciągle ostatnie prace nad komputerowymi programami do rozszyfrowywania danych. Co bardziej ciekawscy członkowie grupy astronomów przeglądali nadchodzące dane przy użyciu prowizorycznych programów, ale ich niepewność nie pozwalała jeszcze na publikację. 25 kwietnia IRAS odkrył pierwszą kometę. Kilku astronomów współpracujących z grupą związaną z satelitą rozpoczęło obserwacje z Ziemi. 3 maja zupełnie niezależnie odkryli tę kometę dwaj inni obserwatorzy G. Araki i G. E. D. Alcock. Zgodnie z międzynarodowym zwyczajem otrzymała ona nazwę IRAS–Araki–Alcock (1983d). Po kilku dniach, 11 maja kometa ta przeszła bardzo blisko Ziemi, w odległości około 5 mln km.1
IRAS odkrył później jeszcze 5 komet, obserwował również inne, znane obiekty tego typu, m.in. oczywiście kometę Halleya; u znanej od wielu lat okresowej komety Tempel 2 charakteryzującej się brakiem warkocza IRAS odkrył właśnie istnienie warkocza pyłowego o długości 20 mln km, co spowodowało zachwianie się poglądu, że wśród komet można wyróżnić takie, które warkocza nie mają.
11 października za pomocą kamer IRASa odkryto nie znaną dotychczas planetoidę, nadano jej bieżącą nazwę 1983 TB. Już po kilku dniach obserwacji stwierdzono, że ten należący do grupy Apollo obiekt zbliża się do Słońca na niespotykanie małą wśród planetoid odległość (3 razy bliżej niż Merkury). Po następnych kilku dniach została zauważona następna znacznie ważniejsza jego cecha: otóż orbita planetoidy 1983 TB prawie pokrywa się z orbitami roju meteorów Geminidy zaobserwowanych w 1961 r. Dotychczas roje meteorów wiązano przede wszystkim z kometami — odkrycie to podważa zasadność ostrego rozgraniczenia między kometami a planetoidami.
Innym słabo znanym obiektem zaobserwowanym w Układzie Planetarnym przez IRASa jest pierścień pyłowy w okolicach pasa planetoid, w odległości od 2,3 do 3,3 jednostki astronomicznej od Słońca. Istnienie tego pasa tłumaczy się zderzaniem planetoid. Potwierdzeniem takiej hipotezy może być masa pyłu zawartego w owym pasie — jest równa masie typowej planetoidy o promieniu 1 km.
Dotychczas przedstawiałem przykłady obserwacji IRASa w okolicach Słońca — nie są to wcale najbardziej spektakularne odkrycia — a jedynie te stosunkowo najlepiej już zbadane. Do znacznie mniej zbadanych hipotez może należeć ta, że IRAS natrafił na „ślad” dziesiątej planety w naszym układzie — jest to jednak informacja na tyle niepewna, że trudno o niej pisać.
Podobnie IRAS dokonał sporego zamieszania w naszym rozumieniu świata gwiazd i materii między gwiazdowej. Przypadkowo (podczas kalibracji instrumentów) i zupełnie niespodziewanie odkryto „układ protoplanetarny” wokół jasnej gwiazdy — Wegi. Po sprawdzeniu danych dotyczących innych gwiazd (sprawdzono około 10 tysięcy obiektów) stwierdzono istnienie takich układów w kilkudziesięciu przypadkach m.in. wokół innej jasnej gwiazdy — Fomalhaut. Układy te to otoczki lub pierścienie pyłowe o masach i rozmiarach podobnych do naszego układu planetarnego. Ziarna pyłu składające się na owe struktury mają rozmiary tysiące razy większe niż rozmiary typowych ziaren pyłu obserwowanych w przestrzeni międzygwiazdowej. IRAS odkrył również, że pyłu międzygwiazdowego jest znacznie więcej niż dotychczas uważano, ma on niską temperaturę (poniżej 40 K) i wyraźnie kłaczkowatą strukturę, którą nazwano cirrusami.
Oprócz normalnych głównie zimnych gwiazd IRAS wykrył również wiele bardzo młodych, ledwo „narodzonych”, a nawet jeszcze nie „narodzonych” słońc. Dotychczas podejrzewano kilka mgławic, że w ich wnętrzach rodzą się gwiazdy, dotyczyło to jednak jedynie masywnych obiektów, a IRAS pozwolił na zbadanie chmur będących kolebkami gwiazd podobnych np. do Słońca. Obserwacje te przyczynią się do odtworzenia wczesnych etapów historii naszej gwiazdy. Typową przedstawicielką takich chmur jest najbliższa ze znanych, o nazwie Barnard 5 w gwiazdozbiorze Perseusza. Składa się ona z dwóch kondensacji, w jednej z nich (IRS1) rodzi się gwiazda o masie około jednej masy Słońca. Temperatura chmury wynosi kilkaset kelwinów, a jasność dziesięciokrotnie przewyższa jasność Słońca.
Wdzięcznymi obiektami dla obserwacji IRASa były również galaktyki. Odkryto m.in. istnienie pierścienia pyłowego wokół M 31 — Wielkiej Mgławicy Andromedy, zarejestrowano promieniowanie podczerwone od wielu galaktyk spiralnych i od jedynie nielicznych eliptycznych, co potwierdza ugruntowany już pogląd, że w podczerwieni świeci przede wszystkim pył, którego w galaktych eliptycznych praktycznie nie ma.
Większość tych nowych wyników przedstawiono na konferencji prasowej 9 listopada 1983 r., na której zapoznano świat z osiągnięciami IRASa. Niecałe dwa tygodnie później, 21 listopada wyczerpał się hel chłodzący detektory i teleskop, co spowodowało rychłe wyłączenie satelity. IRAS kończył wtedy po raz trzeci sukcesywny przegląd całego nieba.