Okolice punktu libracyjnego L2. Dlaczego tam wysyłamy teleskopy orbitalne?

Astronomowie decydując się na budowę teleskopu naziemnego czy też kosmicznego chcą mieć gwarancję, że wydane fundusze będą jak najlepiej spożytkowane na realizację ich projektu. W końcu . Dlatego oprócz wyboru optymalnej konstrukcji teleskopu, optyki, instrumentów, dla planowanych obserwacji, szukają miejsc, w których obserwacje nie będą zakłócane przez niekorzystne czynniki.

Atmosfera Ziemi, przyczyna większości kłopotów

Najbardziej kłopotliwym czynnikiem dla astronomii realizowanej z powierzchni Ziemi, szczególnie z wykorzystaniem teleskopów optycznych, jest atmosfera. Kwestię umieszczenia teleskopu z dala od świateł i innych zanieczyszczeń cywilizacji pomijamy, bo to rzecz oczywista.

Atmosfera przeszkadza na dwa sposoby. Po pierwsze nie dopuszcza wszystkich długości fal promieniowania elektromagnetycznego. Dla ludzi to dobrze, że nie są wystawieni na promieniowanie rentgenowskie, gamma i większość ultrafioletu. Jednak astronomom obserwacje w takich zakresach promieniowania są bardzo potrzebne, ale możliwe są one tylko z orbity. Atmosfera i zawarta w niej para wodna oraz dwutlenek węgla blokują też sporą część promieniowania podczerwonego. To jeden z argumentów za powstaniem teleskopów takich jak Webb.

Schemat pokazuje, które długości fal promieniowania elektromagnetycznego docierają do Ziemi, a które są blokowane na różnych wysokościach przez atmosferę. Jak widać z powierzchni Ziemi w praktyce sens mają tylko obserwacje optyczne i w bardzo bliskiej podczerwieni. Do tego dochodzą obserwacje radioteleskopami

Drugą przeszkodą są niekorzystne warunki pogodowe (chmury, zbyt wysoka wilgotność, silny wiatr). Zmniejszają one nie tylko liczbę dni przez które można korzystać efektywnie z teleskopów, ale też pogarszają jakość pomiarów jeśli już są wykonywane. Również zakłócenia atmosferyczne, które objawiają się drganiami i rozmyciem obrazu (określane zjawiskiem seeingu) są niemile widziane.

SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), czyli obserwatorium podczerwieni, które obserwuje z pokładu zmodyfikowanego Jumbo Jeta. Na pokładzie znajduje się 2,5 metrowy teleskop. Jest to przedsięwzięcie NASA i niemieckiego instytutu DLR

Co prawda dziś z pomocą optyki aktywnej i adaptatywnej możemy korygować ich wpływ, ale i tak najlepiej gdy miejsce obserwacji minimalizuje potrzebę takich korekt. Dlatego większość obserwatoriów optycznych budowana jest wysoko w górach. Inną opcją są obserwatoria na pokładzie samolotów, które wznoszą się wysoko ponad niskie warstwy atmosfery, najbardziej kłopotliwe.

Chile, czyli jedno z wymarzonych przez astronoma miejsc do obserwacji optycznych

Na Ziemi jest kilka miejsc, które są szczególnie lubiane przez astronomów. Jednym z nich jest Chile, którego północna część charakteryzuje się stabilną i sprzyjającą obserwacjom pogodą (jest tam bardzo sucho, a seeing osiąga rekordowo niskie wartości) przez sporą część roku, a na dodatek dużych miast tam praktycznie nie ma, są za to wysokie góry i niezliczona ilość atrakcyjnych lokacji na szczytach. Owszem nawet przy tak sprzyjających warunkach zanim powstanie obserwatorium często przez wiele lat prowadzone są pomiary, by wybrać najlepsze z najlepszych miejsc w danej okolicy na posadowienie teleskopu.

Okolice obserwatorium ESO na Cerro Paranal. Teleskopy widoczne w oddali na dwóch najwyższych szczytach po lewej stronie zdjęcia (fot: ESO/S.Brunier)

Chile ma jeszcze jedną zaletę. Na jego szerokościach geograficznych, bardzo dobrze widoczny jest dysk galaktyczny wraz z jej centrum. Tego nie można powiedzieć o obserwatoriach umieszczonych na przykład w Europie, gdzie w praktyce lokalizowanie dużych i kosztownych w budowie teleskopów jest dziś już nieopłacalne. A ponieważ spora część projektów badawczych wiąże się z odkrywaniem tajemnic Galaktyki, to mamy tu podwójną korzyść.

Choć ładna pogoda to wyznacznik aury na terenie Chile to nie brakuje tam dni, na przykład z pokrywą śnieżną (fot: ESO/S. Guisard)

Teleskopy umieszczane w kosmosie? Co zyskujemy, z czym wciąż musimy się mierzyć?

Wiemy już dlaczego Chile cieszy się taką renomą wśród astronomów, wznieśmy się zatem w kosmos i sprawdźmy jakie miejsce zasługuje na miano kosmicznego Chile.

Konstrukcje teleskopów na Ziemi mogą być bardziej rozbudowane, cięższe. Ogólnie inżynierowie mają tu mniej ograniczeń niż w przypadku teleskopów kosmicznych (fot: ESO/G. Hüdepohl)

W kosmosie podstawowe problemy związane z niesprzyjająca pogodą i atmosferycznymi turbulencjami nie istnieją. Wciąż jednak jest Słońce, które może przeszkadzać w obserwacjach, Ziemia i Księżyc, które w przypadku orbitującego w pobliżu naszej planety teleskopu mogą regularnie przesłaniać pole widzenia i zakłócać obserwacje na inne sposoby co wymusza specjalne konstrukcje.

Oczywiście to problemy znacznie mniejszego kalibru niż zła pogoda, ale najlepiej wybrać miejsce gdzie ich wpływ będzie minimalny, przy jednoczesnym zachowaniu wygody komunikacji z Ziemią. Można by przecież umieścić obserwatorium daleko, daleko poza Układem Słonecznym. Jednak, pomijając kwestię dotarcia tam z teleskopem, kontrolowanie takiego obserwatorium kosmicznego ocierałoby się o absurd.

Z pomocą w wyborze optymalnej lokalizacji w kosmosie przychodzi natura, czyli punkty Lagrange'a

Przy wyborze wygodnego miejsca do obserwacji w przestrzeni kosmicznej z pomocą przychodzi nam natura i rozwiązaniem ograniczonego problemu trzech ciał, wśród których mamy Ziemię, Słońce, czyli dwie duże masy, i nasze kosmiczne obserwatorium, czyli niewielką masę.

W tym rozwiązaniu można wyróżnić tak zwane punkty Lagrange’a (od nazwiska matematyka, który wyliczył ich położenie jeszcze w XVIII wieku). Ich położenie względem Ziemi i Słońca ilustruje poniższa grafika. Obiekt umieszczony w punktach Lagrange’a ma tendencje do pozostawania w tym miejscu, a jeśli dany punkt jest niestabilny to można tę pozycję zachować przy minimalnym nakładzie paliwa lub zastosowaniu odpowiedniej trajektorii wokół tego punktu.

Położenie wszystkich punktów Lagrange'a względem Ziemi i Słońca. Skala odległości jest tu przesadzona, w praktyce punkt L1 i L2 znajdują się bardzo blisko Ziemi w porównaniu z odległością punktu L4 i L5, które znajdują się na wierzchołku trójkąta równobocznego o boku równym odległości Ziemia - Słońce, czyli 100 razy większej niż odległość Ziemia - L2

Wśród tych punktów szczególną uwagę astronomów zwracają punkty L1 i L2. Nie są one stabilne jak punkty L4 i L5, ale mają one zalety, które czynią je atrakcyjniejszymi dla obserwacji. Punkt L1 pomiędzy Ziemią i Słońcem jest dobrym miejscem do umieszczenia obserwatorium, którego celem obserwacji jest Słońce. Oznacza to stabilne położenie względem naszej gwiazdy, ale jednocześnie dość daleko od niej, bo w odległości 1,5 miliona kilometrów od Ziemi. Nie dla każdego projektu jest to korzystne położenie, czego dowodem są misje Parker Solar Probe i Solar Orbiter.

Powyższa lista zalet czyni punkt L2 miejscem wyjątkowo atrakcyjnym dla kosmicznych obserwatoriów i uzasadnia nazwanie jego okolic takim kosmicznym Chile. Umieszczano tam już wcześniej teleskopy, a obecnie większość nowych obserwatoriów kosmicznych będzie tam zlokalizowana. Najnowszym rezydentem okolic punktu L2 jest teleskop Webb.

Okolice punktu Lagrange L2 najlepiej sprawdzają się w roli kosmicznego Chile. To tam planowane jest umieszczenie większości nowych teleskopów kosmicznych w najbliższej przyszłości

Warto zwrócić tu uwagę na fakt, że punkty Lagrange’a można wyróżnić także w dowolnym układzie dwóch ciał, na przykład w przypadku Ziemi i Księżyca. Wokół punktu L2 dla takiego układu porusza się od 2018 roku chiński satelita przekaźnikowy Qeqiao, który zapewnia komunikację z Ziemią łazika Yutu-2 na niewidocznej z Ziemi stronie Księżyca.

Jednak z perspektywy obserwatoriów kosmicznych najistotniejszy jest układ Ziemia, Słońce i satelita, dlatego zwykle mówiąc o punktach Lagrange’a mamy na myśli te występujące w rozwiązaniu dla takiego układu.

Jak te wszystkie obserwatoria się tam pomieszczą?

Ostatnie pytanie na jakie warto sobie odpowiedzieć, to to jak te wszystkie kosmiczne obserwatoria są w stanie zmieścić się w tym punkcie? Otóż w praktyce celem jest nie sam punkt L2, a jego okolice. Ze względu na wspomnianą niestabilność, korzystniejsze jest nawet umieszczenie takiego kosmicznego teleskopu na orbicie (w praktyce jest to pseudo-orbita) wokół tego punktu. Taką orbitę ilustruje poniższa animacja, na której Webb obiega w tym samym czasie co Ziemia Słońce, jednocześnie krążąc z okresem około pół roku wokół punktu L2.

Obejrzyj w

Może to być tak zwana orbita Lissajous, która przy sprzyjających okolicznościach zapewni stabilne (bliskie punktu L2) położenie bez stosowania dodatkowych korekt. Może to być tez tak zwana orbita halo (wariant orbity Lissajous), która wymaga wykorzystania silników korekcyjnych, ale przy jednocześnie minimalnym zużyciu zasobów paliwa. Jak już pewnie słyszeliście Webb ma zapas paliwa na nawet 20 lat pracy na orbicie halo wokół punktu L2, a przecież nie jest to kosmiczna cysterna.

Ponieważ orbity wokół punktu L2 mogą nieznacznie się różnić, na razie poszczególne satelity można wprowadzać na nie tak, by nie stanowiły dla siebie zagrożenia. I cały problem wyjaśniony.

Teleskop ESA Planck, do obserwacji anizotropii mikrofalowego promieniowania tła, pracował na orbicie Lissajous wokół punktu L2 w latach 2009-2013. Potem został przeniesiony na inną orbitę, gdzie nie stanowi zagrożenia dla obecnych misji

Gdy satelita zakończy swoją pracę w okolicy punktu L2, może być przeniesiony na inną orbitę wokółsłoneczną o charakterze kosmicznego cmentarzyska satelitów, gdzie pozbawiony paliwa i energii będzie przebywał jeszcze długo nie zagrażając innym misjom obserwacyjnym.

A czy w kosmos trafiają radioteleskopy lub teleskopy inne niż optyczne? 

Odpowiedź na powyższe pytanie jest twierdząca, bo przestrzeń kosmiczna to jedyne miejsce skąd można obserwować Wszechświat w wysokich energiach. Nawet w przypadku tego typu obserwatoriów mówimy o teleskopach, choć znacznie innej konstrukcji niż te optyczne. Dla przykładu teleskopy przeznaczone do obserwacji w promieniowaniu rentgenowskim muszą mieć specyficzny kształt powierzchni skupiającej promieniowanie, zanim trafi ono do detektora.

Wynika to z faktu, że promieniowanie rentgenowskie jest bardzo energetyczne, przenika przez większość przedmiotów i żeby je skupić nie wystarczy zwykłe zwierciadło. Musi to być powierzchnia na którą promieniowanie pada pod bardzo dużym kątem, niemal ślizgając się po niej. Dlatego też taki teleskop jak Chandra, który umieszczono na silnie eliptycznej orbicie wokółziemskiej, wygląda jak bardzo długi walec.

Teleskop rentgenowski Chandra (fot: NASA/CXC & J.Vaughan)

Dotychczas prawie wszystkie teleskopy rentgenowskie i dla promieniowania gamma (jeszcze bardziej energetycznego) umieszczane były na orbitach wokół Ziemi lub wokół słonecznych, ale nie w punkcie L2. Pierwszym tego typu teleskopem, który znajduje się w punkcie Lagrange'a L2 jest rosyjsko-niemieckie obserwatorium Spektr-RG, które w kosmos wyniesiono w 2019 roku.

Z kolei kwestia radioteleskopów jest bardziej skomplikowana. Atmosfera jest znacznie bardziej pobłażliwa dla obserwacji radiowych, poza tym radioteleskopy są znacznie większymi konstrukcjami niż inne teleskopy ze względu na bardzo długie fale, które należy rejestrować. Niemniej kosmos to także wygodne miejsce, bo separujemy się tam od zakłóceń radiowych z Ziemi. Jednak umieszczanie w punkcie L2 takich obserwatoriów jest mniej korzystne.

Znacznie ciekawszą lokalizacją jest niewidoczna z Ziemi strona Księżyca, do której nie docierają wspomniane zakłócenia. Radioteleskopy w kosmosie mogą też mieć sens jako element siatki takich urządzeń, która dzięki interferometrii o bardzo dużej bazie (odległości pomiędzy kolejnymi radioteleskopami) jest w stanie osiągnąć znacznie większą rozdzielczość niż jakakolwiek tego typu konstrukcja na Ziemi.