Contexte: Observatoire spatial Kepler - fer, communication avec la Terre, logiciel et résultats

Fin octobre, le télescope Kepler, lancé par la NASA en mars 2009, a cessé de fonctionner. Le carburant s'est épuisé, l'appareil ne peut pas fonctionner sans lui - il n'y a aucune possibilité de positionnement dans l'espace, et cela est nécessaire pour observer l'espace. À propos des réalisations de Kepler, ils ont beaucoup parlé à Habré, donc je ferai de mon mieux pour ne pas me répéter (enfin, peut-être un peu). Au lieu de cela, je décrirai ce que l'observatoire spatial était en termes technologiques et quel type de logiciel l'équipe Kepler a utilisé - y compris pour le traitement des données entrantes.

Quel était ce télescope

Kepler est un télescope en orbite avec un photomètre ultra-sensible qui a recherché des exoplanètes. Dans le même temps, Kepler a pu observer environ 100 000 étoiles. La tâche du système était d'observer un certain groupe d'étoiles pendant longtemps. Pour atteindre l'objectif, les ingénieurs ont développé un mécanisme qui maintiendrait le télescope «visé» à un certain point.


Kepler a utilisé à peu près ces volants d'inertie.

Les éléments importants de ce mécanisme étaient les volants d'inertie, les volants d'inertie, qui ont aidé à positionner toute la structure. Ce sont les seules pièces mobiles. Il y avait aussi un peu de liquide - le carburant que les moteurs utilisaient pour changer la position du télescope dans l'espace.

Spécifications:

• diamètre 2,7 m, longueur - environ 4,7 m;
• masse - 1052,4 kg, dont 478 kg - un photomètre, vaisseau spatial - 562,7 kg, 11,7 kg - carburant hydrazine;
• panneaux solaires - superficie totale de 10,2 m2. La batterie se compose de 2860 cellules, ce qui vous permet de générer une puissance de 110 watts. Le stockage d'énergie a été réalisé à l'aide d'une batterie lithium-ion d'une capacité de 20 A * h;
• SSD - 16 Go, il contenait la quantité de données collectées sur 60 jours, les informations étaient transmises à la Terre une fois par mois.

Le photomètre se compose de 42 CCD offrant une résolution totale de 95 mégapixels. La conception prévoit quatre CCD supplémentaires dans les coins de la baie pour fournir un contrôle plus précis. La taille de chaque matrice est de 5 x 2,5 cm, la résolution est de 2200 x 1024 pixels.


Vue intérieure

Les données des matrices ont été prises toutes les 6 secondes, une fois la limite de saturation atteinte, après quoi elles ont été additionnées dans l'ordinateur de bord pendant une demi-minute pour chaque pixel. Kepler a effectué des observations dans la bande passante de 430 à 890 nm. Il pouvait «voir» les étoiles jusqu'à la 16e magnitude .

Le miroir principal d'un diamètre de 1,4 mètre a été fabriqué par Corning, celui qui développe des lunettes de protection pour les écrans des smartphones. Sa technologie a permis d'obtenir une réduction radicale de la masse du miroir. En conséquence, il ne représentait que 14% de la masse d'un miroir de même taille en matériaux traditionnels.

Pour différents éléments, les températures de fonctionnement étaient différentes. Ainsi, le correcteur Schmidt, qui était une lentille non sphérique devant le télescope, fonctionnait à une température d'environ -30 ° C. Le rétroviseur principal fonctionnait à -11 ° C. La matrice CCD était dans des conditions plus difficiles - elle devait fonctionner à une température de -85 C, ce qui était nécessaire pour réduire le bruit du détecteur. Le couvercle anti-poussière étant fermé pendant l'étalonnage, la température des composants était légèrement supérieure à ce minimum. La température dans l'espace est tout à fait suffisante pour qu'il ne soit pas nécessaire d'utiliser du gaz liquéfié pour refroidir l'appareil.

Qui contrôlait le Kepler et comment?

Le siège de l'appareil était situé sur le campus de recherche de l'Université du Colorado à Boulderd. L'équipe de gestion comprenait des spécialistes du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale conformément au contrat de Ball Aerospace & Technologies. Le laboratoire a élaboré des plans de travail, collecté des données primaires et les a diffusées.

Le budget du projet était initialement estimé à 600 millions de dollars, y compris la création, le lancement de l'appareil et son fonctionnement pendant 3,5 ans. En 2012, la NASA a annoncé que le projet serait financé jusqu'en 2016 avec un budget annuel de 20 millions de dollars.

Échange de données Kepler avec la Terre

L'échange de données avec le télescope se faisait par micro-ondes (spectre de fréquences de 7 à 11,2 GHz) deux fois par semaine. Les scientifiques ont transmis des commandes et reçu des données de l'appareil. Cependant, les données scientifiques ont été téléchargées une fois par mois, également via le canal micro-ondes, mais avec un spectre de 26,5–40 GHz. La largeur du canal de communication ne dépassait pas 550 kB / s.



L'antenne de l'appareil était fixée de manière rigide, donc pour la communication avec la Terre, il était nécessaire de changer la position dans l'espace de l'ensemble du télescope orbital. Une partie des données a été analysée par l'ordinateur de bord afin d'économiser sur le trafic en transmettant des informations compressées.

Les données de télémétrie recueillies au cours de la mission ont été redirigées vers le Centre de gestion des données du projet. Le centre est situé à l'Institut de recherche spatiale à l'aide d'un télescope spatial. Il s'agit d'un centre d'opérations scientifiques fondé par la NASA en 1981 pour gérer et mener des recherches à l'aide du télescope spatial Hubble.


Lors des sessions de communication, les opérations suivantes ont dû être effectuées pour télécharger les données scientifiques de Kepler:

• Obtenez des données de pixels pixellisées primaires à partir du DMC (Kepler Data Management Center, Kepler Data Management Center);
• Traitez les données primaires avec des algorithmes d'analyse spécialisés pour obtenir des pixels calibrés et des courbes de lumière pour chaque étoile;
• Effectuer une recherche de transit (changer la luminosité d'une étoile lorsqu'une planète traverse son disque) pour détecter les planètes (événements de franchissement de seuil ou expressions culturelles traditionnelles);
• Vérifiez les données de la planète candidate pour éliminer les faux positifs.

Quels étaient les buts et objectifs?

L'objectif scientifique de Kepler était d'étudier les systèmes stellaires situés dans le cadre de la "vision" du télescope. Les tâches suivantes ont été définies:

• Déterminer le nombre de planètes semblables à la Terre qui se trouvent dans une zone potentiellement habitable;
• Calculez la gamme de tailles et de formes des orbites de ces planètes;
• Estimer le nombre de planètes qui se trouvent dans des systèmes multi-étoiles;
• Déterminer la gamme des tailles d'orbite, la luminosité, le diamètre, la masse et la densité des planètes géantes à courte période;
• Détecter des objets supplémentaires dans chaque système planétaire trouvé;
• Étudier les propriétés des étoiles dans lesquelles les systèmes planétaires sont découverts.

Outils logiciels

Pour traiter les données que Kepler a envoyées sur Terre, ces outils logiciels ont été utilisés:

• Lightkurve - Lightkurve Python vous permet d'analyser efficacement les données de séries chronologiques des flux astronomiques, en particulier les pixels et les cubes de lumière obtenus par les missions Kepler, K2 et TESS de la NASA. Lien
• PyKE - Une boîte à outils en ligne de commande pour valider les données et extraire les courbes de lumière des étoiles. Lien
• K2fov - Un ensemble d'outils en ligne de commande pour vérifier les fichiers du «pixel cible» et mettre en évidence les cubes de lumière cachés. Lien
• K2ephem - Vérifie si le corps en mouvement du système solaire, un astéroïde ou une comète, peut entrer dans le "champ de vision" du système. Lien
• K2flix - Convertit les fichiers de pixels cibles en vidéos ou gifs animés pour une évaluation rapide et facile de ces pixels. Lien
• K2mosaic - Convertit les fichiers de pixels cibles en images à champ large. Lien
• Kadenza - Convertit les données primaires en FITS, pratique pour les astronomes. Lien

Des représentants de la communauté des développeurs ont mis certains outils à la disposition de tous. Il existe également des logiciels auxiliaires, disponibles sur la page « Autres logiciels ». Et sur le site Web de la NASA, vous pouvez trouver une liste complète des logiciels et des finalités pour lesquelles ils sont utilisés .

Résultats de travail - court

Pendant plusieurs années, le télescope a réussi à détecter 2245 exoplanètes et plus de 2000 exoplanètes potentielles - ces données sont vérifiées par des scientifiques.

En fait, le télescope a transmis tellement d'informations à la Terre qu'il faudra des années pour l'analyser et l'analyser en détail.

"Kepler" a considérablement élargi les idées sur les systèmes stellaires, leur évolution et leur diversité. En particulier, l'existence de planètes semblables à la Terre a été prouvée - les premiers astronomes ne pouvaient que faire des hypothèses sur les caractéristiques des planètes.

Et ensuite?

Le télescope Kepler a été remplacé par TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Le lancement a été effectué le 18 avril 2018 par la fusée SpaceX Falcon 9. TESS étudie les étoiles les plus brillantes à moins de 300 années-lumière de la Terre. L'objectif est la découverte d'exoplanètes pierreuses qui tombent dans la zone habitable. Au total, il est prévu d'examiner environ 500 000 étoiles de classes spectrales G, M, R de plus de 12 magnitudes. De plus, 1 000 naines rouges proches disséminées dans le ciel étoilé seront explorées.