Hintergrund: Kepler Space Observatory - Eisen, Kommunikation mit der Erde, Software und Ergebnisse

Ende Oktober stellte das Kepler-Teleskop, das die NASA im März 2009 auf den Markt brachte, den Betrieb ein. Der Kraftstoff ist aufgebraucht, das Gerät kann ohne ihn nicht arbeiten - es gibt keine Möglichkeit, sich im Raum zu positionieren, und dies ist für die Beobachtung des Weltraums erforderlich. Über Keplers Erfolge haben sie in Habré viel geredet , daher werde ich mich sehr bemühen, mich nicht zu wiederholen (na ja, vielleicht ein wenig). Stattdessen werde ich beschreiben, was das Weltraumobservatorium in technologischer Hinsicht war und welche Art von Software das Kepler-Team verwendete - auch für die Verarbeitung eingehender Daten.

Was war das für ein Teleskop?

Kepler ist ein umlaufendes Teleskop mit einem hochempfindlichen Photometer, das nach Exoplaneten suchte. Gleichzeitig konnte Kepler etwa 100.000 Sterne beobachten. Die Aufgabe des Systems war es, eine bestimmte Gruppe von Sternen für eine lange Zeit zu beobachten. Um das Ziel zu erreichen, entwickelten die Ingenieure einen Mechanismus, mit dem das Teleskop auf einen bestimmten Punkt „gerichtet“ bleibt.


Kepler verwendete ungefähr diese Schwungräder.

Wichtige Elemente dieses Mechanismus waren Schwungräder, Schwungräder, die zur Positionierung der gesamten Struktur beitrugen. Dies waren die einzigen beweglichen Teile. Es gab auch ein wenig Flüssigkeit - den Kraftstoff, mit dem die Motoren die Position des Teleskops im Weltraum veränderten.

Technische Eigenschaften:

• Durchmesser 2,7 m, Länge - ca. 4,7 m;
• Masse - 1052,4 kg, davon 478 kg - ein Photometer, Raumfahrzeug - 562,7 kg, 11,7 kg - Hydrazinkraftstoff;
• Sonnenkollektoren - Gesamtfläche von 10,2 m2. Der Akku besteht aus 2860 Zellen, mit denen Sie eine Leistung von 110 Watt erzeugen können. Die Energiespeicherung wurde unter Verwendung einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von 20 A * h durchgeführt;
• SSD - 16 GB, es enthielt die Datenmenge, die über 60 Tage gesammelt wurde, Informationen wurden einmal im Monat zur Erde übertragen.

Das Photometer besteht aus 42 CCDs mit einer Gesamtauflösung von 95 Megapixeln. Das Design sieht vier zusätzliche CCDs in den Ecken des Arrays vor, um eine genauere Steuerung zu ermöglichen. Die Größe jeder Matrix beträgt 5 x 2,5 cm, die Auflösung 2200 x 1024 Pixel.


Innenansicht

Die Daten von den Matrizen wurden alle 6 Sekunden nach Erreichen der Sättigungsgrenze aufgenommen, wonach sie für jedes Pixel eine halbe Minute lang im Bordcomputer summiert wurden. Kepler führte Beobachtungen im Durchlassbereich von 430–890 nm durch. Er konnte Sterne bis zur 16. Größe „sehen“.

Der Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 1,4 Metern wurde von Corning hergestellt, der eine Schutzbrille für Smartphonebildschirme entwickelt. Seine Technologie hat es ermöglicht, die Masse des Spiegels radikal zu reduzieren. Infolgedessen betrug sie nur 14% der Masse eines gleich großen Spiegels aus traditionellen Materialien.

Für verschiedene Elemente waren die Betriebstemperaturen unterschiedlich. Der Schmidt-Korrektor, der eine nicht sphärische Linse vor dem Teleskop war, arbeitete also bei einer Temperatur von etwa -30 ° C. Der Hauptrückspiegel arbeitete bei -11 ° C. Die CCD-Matrix befand sich unter schwierigeren Bedingungen - sie musste bei einer Temperatur von -85 ° C arbeiten, was zur Reduzierung des Detektorrauschens erforderlich war. Bei geschlossener Staubabdeckung während der Kalibrierung lag die Temperatur der Komponenten leicht über diesem Minimum. Die Temperatur im Weltraum ist völlig ausreichend, so dass kein Flüssiggas zum Kühlen des Geräts verwendet werden muss.

Wer hat den Kepler kontrolliert und wie?

Der Hauptsitz des Apparats befand sich auf dem Forschungscampus der University of Colorado Boulderd. Das Management-Team bestand aus Spezialisten des Labors für Atmosphären- und Weltraumphysik gemäß dem Vertrag von Ball Aerospace & Technologies. Das Labor erstellte Arbeitspläne, sammelte Primärdaten und verteilte diese.

Das Projektbudget wurde ursprünglich auf 600 Millionen US-Dollar geschätzt, einschließlich der Erstellung, Einführung des Geräts und seines Betriebs für 3,5 Jahre. 2012 gab die NASA bekannt, dass das Projekt bis 2016 mit einem Jahresbudget von 20 Millionen US-Dollar finanziert wird.

Kepler Datenaustausch mit der Erde

Der Datenaustausch mit dem Teleskop erfolgte zweimal pro Woche über eine Mikrowelle (Frequenzspektrum von 7 bis 11,2 GHz). Wissenschaftler sendeten Befehle und empfingen Daten vom Gerät. Wissenschaftliche Daten wurden jedoch einmal im Monat ebenfalls über den Mikrowellenkanal heruntergeladen, jedoch mit einem Spektrum von 26,5–40 GHz. Die Breite des Kommunikationskanals überschritt 550 kB / s nicht.



Die Antenne der Vorrichtung war starr befestigt, so dass zur Kommunikation mit der Erde die Position des gesamten Orbitalteleskops im Raum geändert werden musste. Ein Teil der Daten wurde vom Bordcomputer analysiert, um durch die Übertragung komprimierter Informationen Verkehr zu sparen.

Während der Mission gesammelte Telemetriedaten wurden an das Project Data Management Center weitergeleitet. Das Zentrum befindet sich am Weltraumforschungsinstitut mit einem Weltraumteleskop. Es ist ein wissenschaftliches Operationszentrum, das 1981 von der NASA gegründet wurde, um Forschung mit dem Hubble-Weltraumteleskop zu verwalten und durchzuführen.


Während der Kommunikationssitzungen mussten die folgenden Vorgänge ausgeführt werden, um wissenschaftliche Daten von Kepler herunterzuladen:

• Erhalten Sie primäre pixelierte Pixeldaten von der DMC (Kepler Data Management Center, Kepler Data Management Center).
• Verarbeiten Sie Primärdaten mit speziellen Analysealgorithmen, um kalibrierte Pixel und Lichtkurven für jeden Stern zu erhalten.
• Führen Sie eine Transitsuche durch (Ändern der Helligkeit eines Sterns, wenn ein Planet seine Scheibe passiert), um Planeten zu erkennen (Ereignisse von Schwellenwertüberschreitungen oder TCEs).
• Überprüfen Sie die Planetendaten der Kandidaten, um Fehlalarme zu vermeiden.

Was waren die Ziele und Vorgaben?

Das wissenschaftliche Ziel von Kepler war es, Sternensysteme zu untersuchen, die sich im Rahmen der "Vision" des Teleskops befinden. Folgende Aufgaben wurden gestellt:

• Bestimmen Sie die Anzahl der erdähnlichen Planeten, die sich in einer potenziell bewohnbaren Zone befinden.
• Berechnen Sie den Größen- und Formbereich der Umlaufbahnen dieser Planeten.
• Schätzen Sie die Anzahl der Planeten in Mehrsternsystemen.
• Bestimmen Sie den Bereich der Umlaufbahngrößen, Helligkeit, Durchmesser, Masse und Dichte von kurzperiodischen Riesenplaneten.
• Erkennen Sie zusätzliche Objekte in jedem gefundenen Planetensystem.
• Untersuchung der Eigenschaften von Sternen, in denen Planetensysteme entdeckt werden.

Software-Tools

Um die Daten zu verarbeiten, die Kepler an die Erde gesendet hat, wurden folgende Softwaretools verwendet:

• Lightkurve - Mit Lightkurve Python können Sie Zeitreihendaten astronomischer Flüsse, insbesondere Pixel und Lichtwürfel, die von NASA Kepler-, K2- und TESS-Missionen erhalten wurden, effektiv analysieren. Link
• PyKE - Ein Befehlszeilen-Toolkit zum Validieren von Daten und Extrahieren von Sternenlichtkurven. Link
• K2fov - Eine Reihe von Befehlszeilenwerkzeugen zum Überprüfen von Dateien des „ Zielpixels “ und zum Hervorheben versteckter Lichtwürfel. Link
• K2ephem - Überprüft, ob der sich bewegende Körper des Sonnensystems, ein Asteroid oder ein Komet, in das "Sichtfeld" des Systems gelangen kann. Link
• K2flix - Konvertiert Zielpixeldateien in Video- oder animierte Gifs, um solche Pixel schnell und einfach auswerten zu können. Link
• K2mosaic - Konvertiert Zielpixeldateien in Weitfeldbilder. Link
• Kadenza - Konvertiert Primärdaten in FITS, was für Astronomen praktisch ist. Link

Vertreter der Entwicklergemeinschaft haben einige Tools für alle verfügbar gemacht. Es gibt auch Hilfssoftware, die auf der Seite „ Andere Software “ verfügbar ist. Auf der NASA-Website finden Sie eine vollständige Liste der Software und der Zwecke, für die sie dient .

Arbeitsergebnisse - kurz

Über mehrere Jahre gelang es dem Teleskop, 2245 Exoplaneten und mehr als 2000 potenzielle Exoplaneten zu erkennen - diese Daten wurden von Wissenschaftlern verifiziert.

Tatsächlich hat das Teleskop so viele Informationen an die Erde übertragen, dass es Jahre dauern wird, sie zu analysieren und im Detail zu analysieren.

"Kepler" erweiterte die Vorstellungen über Sternensysteme, ihre Entwicklung und Vielfalt erheblich. Insbesondere wurde die Existenz erdähnlicher Planeten nachgewiesen - frühere Astronomen konnten nur Annahmen über die Eigenschaften der Planeten treffen.

Was weiter?

Das Kepler-Teleskop wurde durch TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ersetzt. Der Start erfolgte am 18. April 2018 mit der Rakete SpaceX Falcon 9. TESS untersucht die hellsten Sterne nicht weiter als 300 Lichtjahre von der Erde entfernt. Das Ziel ist die Entdeckung steiniger Exoplaneten, die in die bewohnbare Zone fallen. Insgesamt ist geplant, etwa 500.000 Sterne der Spektralklassen G, M, R zu untersuchen, die heller als 12 Größen sind. Zusätzlich werden 1.000 nahe gelegene rote Zwerge, die über den Sternenhimmel verstreut sind, erkundet.