Космические телескопы «Планетный Мониторинг» и «Звездный

Космические телескопы «Планетный Мониторинг»
и «Звездный Патруль» для исследования планет,
малых тел Солнечной системы и экзопланет
Space telescopes “Planetary Monitoring” and “Zvezdny (eng. Star)
Patrol” to study planets and small bodies in Solar system and for
exoplanets exploration
A. Tavrov, A. Kiselev, P. Frolov, I. Shashkova, O. Korablev
IKI -- Space Research Institute of Russian Academy of Science,
Profsoyznaya st. 84/32, Moscow , Russian Federation
S. Barabanov
INASAN -- Institute of Astronomy of Russian Academy of Science,
Pyatnitskaya st. 48, Moscow, Russian Federation
[email protected]
В докладе. Outline
• Космические телескопы для планетных и
экзопланетных исследований.
Orbital observatories for planetary science and exoplanets exploration
“Planetary Monitoring” (2018), “Stellar Patrol” (2024)
• Научные задачи. Science goals Научная аппаратура.
Science instruments
• Варианты размещения КНА «Планетный
мониторинг» на РС МКС и на АК. Telescope deployment 1, 2
• Телескоп «Звездный Патруль», Научные задачи,
Инструменты. Stellar Patrol telescope, Science & Instrumentation
• Исследование экзопланет. Звездный коронограф.
Exoplanets exploration. Stellar coronagraphy
Космические телескопы «Планетный Мониторинг»
и «Звездный Патруль» для исследования планет, малых тел
Солнечной системы и экзопланет
Orbital observatories for planetary science and exoplanets exploration. National projects
initiated in Russian Federation… Let’s consider to make them international
1. Телескоп «Планетный Мониторинг» на
РС МКС Planetary monitoring – orbital
observatory with 600 mm telescope on the ISS
PDR 2014-2016
Launch 2018
2. Телескоп «Звездный Патруль» Stellar Patrol – orbital
observatory with 1.5 .. 2 m. telescope
Construction 2016-2024
Launch 2024
Эксперимент «ПЛАНЕТНЫЙ МОНИТОРИНГ»
МОНИТОРИНГ ПЕРЕМЕННЫХ ЯВЛЕНИЙ НА
ПЛАНЕТАХ С БОРТА МЕЖДУНАРОДНОЙ
КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
Подготовка КЭ: 2014..2016 гг., проведение с 2018 г.
Эксперимент по наблюдению планет и малых
тел Солнечной системы
и технологической отработке наблюдения
экзопланет
1. Planetary monitoring – orbital observatory
with 600 mm telescope on the ISS
PDR 2014-2016
Launch 2018
Научные задачи КЭ Планетный мониторинг. Science goals
1. Научные задачи по исследованию Венеры
- распределение содержания водяного пара в полосах поглощения
0.94 и 1.38 мкм на уровне верхней границы облаков на дневной стороне Венеры;
-мониторинг движения облаков Венеры в УФ, видимом и ближнем ИК
диапазонах спектра;
-- исследование распределения УФ контраста и УФ поглотителей в
верхнем ярусе аэрозольной дымки Венеры в спектральном диапазоне
220-230 нм
В конце 2014 года завершился КЭ «Венера Экспресс».
2. Научные задачи по исследованию Марса
Несмотря на продолжающееся в течение почти два десятилетия непрерывное
посещение Марса космическими аппаратами, астрономические наблюдения
планеты позволяют обнаруживать переменные явления, недоступные
орбитальным аппаратам, подобные высотным облакам 2012 г. Глобальный
мониторинг атмосферных явлений на Марсе позволит сопоставить эти данные с
наблюдениями космических аппаратов.
- распределение содержания водяного пара в столбе
атмосферы Марса по полосе поглощения 1.38 мкм;
- распределение пылевого аэрозоля и ледяных облаков
в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектра;
- мониторинг свечения синглетного кислорода
в полосе 1.27 мкм на дневной стороне Марса;
- мониторинг содержания озона;
Научные задачи КЭ Планетный мониторинг. Science goals
3. Научные задачи по исследованию планет-гигантов
Постоянный мониторинг состояния облачного покрова и полос поглощения метана
в атмосферах Юпитера и Сатурна будет способствовать развитию моделей общей
циркуляции, позволит отслеживать изменения интенсивности конвекции в их
тропосферах, статистику конвективных штормов и вихрей:
- мониторинг синоптических явлений путем наблюдения
вариаций облачного покрова в широком диапазоне спектра;
- мониторинг грозовой активности и метеорных явлений в
атмосферах планет-гигантов.
4. Научные задачи по исследованию спутников планет-гигантов
Галилеевы спутники Юпитера и спутник Сатурна Титан являются традиционными
объектами астрономических наблюдений. Активная тектоника ИО,
предполагаемые криотектонические явления на Европе и чрезвычайно сложная
климатическая система Титана представляют значительный интерес для
мониторинга при помощи орбитальных обсерваторий, несмотря на ограниченные
возможности такого мониторинга в силу малых угловых размеров этих небесных
тел:
-мониторинг тектонических явлений и выбросов вещества на Ио;
- мониторинг измерений ледяного покрова и криотектонических явлений на Европе;
-мониторинг метеорных явлений в атмосфере Титана;
- мониторинг контрастов в верхнем слое дымки атмосферы Титана.
Научные задачи КЭ Планетный мониторинг. Science goals
5. Научные и технологические задачи по наблюдению экзопданет
Прогресс в развитии космической техники позволил не только вплотную подойти
к изучению состава, строения и эволюции отдельных планет Солнечной
системы, но и начать изучение внесолнечных планет
(экзопланет от англ. extra-solar planets):
- Точности кривых блеска при фотометрии известных транзитов экзопланет
внеатмосферным телескопом могут быть существенно уточнены и возможен
уточненный спектральный анализ.
- Технологическая отработка получения изображений экзопланет ближайших
звезд, оптически отфильтрованных от излучения родительской звезды будет
произведена звездным ахроматическим коронографом.
Transit
method
http://www.exoplanets.eu/
1909 exoplanets
Научная аппаратура. Science instruments
1. Планетный фотометр (ПФ) с предельно высокой разрешающей
способностью (0,2 угл. с) в спектральном диапазоне 0,4-0,9 мкм в
различных полосах пропускания, формируемых цветными (или
интерференционными) и поляризационными фильтрами.
2. Камера поля УФ и видимого диапазона (УФКП)
с набором светофильтров для спектроскопических исследований
в диапазоне 250-400 нм.
3. Изображающий инфракрасный спектрометр
высокого разрешения (ИКСВР) ближнего ИК
в спектральном диапазоне 0,9-1,5 мкм, R~1000.
4. Ахроматический коронограф (АК)
видимого диапазона 0,4-0,95 мкм предназначен для ослабления
фонового излучения звезды для исследования окрестности
звезды в дифракционно-ограниченном изображении с
пространственным разрешением 0,2 угл. с для
наблюдения экзопланет, звездных дисков,
тесных кратных звезд, и т. д..
5. Камера поля видимого диапазона (КП)
с увеличенным скорректированным полем зрения (более 10 угл.
мин) для поднаведения (повышения точности наведения)
телескопа вторичным зеркалом телескопа.
Вариант размещения КНА «Планетный мониторинг»
на РС МКС. Deployment 1.
Поле зрения
Двухосная
поворотная
платформа
Точность наведения
5..10 угл. мин
Платформа
поднаведения
вторичным зеркалом
(гексапод) 0.1 угл. с
Вариант размещения КНА «Планетный мониторинг»
на АК автономном космическом аппарате. Deployment 2
Точность наведения 5..10 угл. с ... легче достичь 0.1 угл. с
Текущее состояние
КЭ «Планетный мониторинг»
Космический телескоп « «Звездный Патруль»
для исследования экзопланет, планет, малых
тел Солнечной системы (НИР-НИОКР)
Stellar Patrol – extended
project of 1.5 m.
telescope -- an orbital
observatory
Preliminary parameters:
• mass 500 kg
• 1.5 meter primary mirror diameter telescope
• non-axial Ritchie Chrétien optical scheme or other
• wavelengths range: λ=0.25..3 µm
• field of view: ( telescope ~ 2 arc. min, planetary ~ 1 arc. min,
exoplanetary ~ 1 arc. sec
Космический телескоп для исследования экзопланет
и планет Солнечной системы
Orbital telescope with stellar coronagraph
•
•
•
•
Exoplanets imaging by nearest stars within a 5..10 pc. radius,
Low spectral resolution analysis of exoplanets (color analysis)
Exoplanet transit by the known RV-candidates
Solar system planetary monitoring
• Astrophysical targets
• Solar System Planetology
Habitable zone
The companion appears clearly
in the coronagraphic image
Возможные оптические схемы телескопа «Звездный Патруль»
Telescope 1.5 m diameter optical scheme
Spider & central obscuration
diffraction effects
Churilovsky-Tul’eva D=1500 mm, Focus= 18 m,
Box size=4000х2250 mm
Abberation FOV, arcmin
0
0,05
1,0
1,5
0,05/ 0,05
0,06
0,09
Научные инструменты для исследования экзопланет.
Science instruments for exoplanet imaging
1. Поляризационный
интерференционный коронограф
Polarization interfero-coronagraph
Spectral range
250-2500 nm
FOV, more then
5 arcsec
Resolution per a pixel
0,01 arcsec
Coronagraphic contrast
106
2. Коронограф с маской
Vortex mask coronagraph
Coronagraphic contrast
108
3. Изображающий спектрограф
Integral Field Spectrograph (IFS)
Spectral range
400-900 нм
Spectral resolution
R=20
FOV, more then
5 arcsec
4. Фурье спектрограф с переменным спектр.
разрешением Imaging Fourier Specrograph with
variable spectral resolution
5. Адаптивная оптика
Adaptive optics
6. УФ спектрограф UV spectrograph
Светлый
выход
Темный
выход
Планета
Звезда и
планета
Платформа
Platform candidate
NAVIGATOR
КА «Навигатор» Ok
http://www.oact.inaf.it/wso/
wic-jun06/28_06/NV-platform-rus.ppt#3
• масса научной аппаратуры
500...1500 kg
• guiding error
± 2 arcmin (rough) /
± 2.5 arcsec (stabilized)
Up to now (9 Apr 2015)
detected 1205 planetary systems /
1909 planets
Transit
method
http://exoplanet.eu/catalog.php
•
Radial velocity
451 planetary systems, 599 planets
•
Transits:
•
Microlensing:
•
Direct Imaging:
•
Timing: 13 planetary systems, 18 planets
Kepler
672 planetary systems, 1202 planets
32 planetary systems, 34 planets
49 planetary systems, 53 planets.
Transit probability for
Earth-like planet < 0.5 %
How to study non
transiting planets ???
Direct imaging
Radial
velocity
method
Ахроматический звездный коронограф
Stellar achromatic coronagraph: λ=0.6..3 μm
6
7
9
8
5
10
Schematics
4
некоронографический
"светлый" выход
Светлый выход
16
11
2
3
1а
Вход (фокус телескопа)
13
12
1
14 15
коронографический
"темный" выход
Темный выход
на ИКСВР
Polarization
analysis
Планета
CAD & lab. experiment
Звезда и планета
Проекты
НАСА
сегодня
TPF-C – coronagraph,
TPF-E –external occulter,
TPF-I – interferometer
Two projects in Federal Cosmos
Program regards exoplanets:
1.Planet Monitoring -- 0.6 m telescope on
the ISS
2.Stellar Patrol – 1.5 m telescope
PM
z
vs
РКК «ЭНЕРГИЯ»
ИМ. С.П. КОРОЛЁВА
ФГУП ЦНИИМАШ
How to observe an
exoplanet to be
separated from a
stellar radiation?
Star (background) 106-7
Planet (target)
IR
108-9
Visible
Sun
7.10 6
5.10 9
Earth
Who is driver ?
For an IR range,
A single telescope
for a visible light spectrum two or more telescopes
to be combined
in an interferometer
Coronagraph … from sun to stellar
Lyot coronagraph
Puppil
Focal mask
Phase mask
Clear
aperture
Apodization
Lyot filter
Пропускание
FQPM
Vortex mask
C Aime, et al. Apodized apertures for
solar coronagraphy // 2008 SPIE V
7014, P 701415
Principles of stellar coronagraphs
Extreme wavefront correction
OPD
Delay
lines
Optical axis
By resolution
Size of telescope
about 1 meter
Estimation for
coronagraphic contrast in
SUBARU HICAO
coronagraph by
atmospheric turbulance
compensation via AO
system
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
0
5
10
15
20
/D
25
30
35
40
"Planet monitoring" - a telescope with
a 60 cm primary mirror diameter
with a diffraction resolution better than the 0.25 ‘’
in the optical range of the visible and near-infrared
with photometric, spectral and polarimetric tools
and platform guidance on board of the ISS
outside sealed compartment.
Telescope will observe planets and small bodies
of the solar system and working out the process
of observation of exoplanets.
Characteristics of freelyer
Mass
~ 180 kg
Energy consumption
110 W
Overall dimensions (mm)
The width in the transport position
~ 710
The width in the working position
~ 1115
Transport height
1200
Working height
1750
Mission definition
Observation and monitoring of the solar system planets and
exoplanets.
Deliver to the ISS
Delivery is made by cargo container "Progress"
Operation with the spacecraft on the RS
ISS are produced by crew of station
Calibration and launch checkout.
Excretion apparatus on operational orbit
Excretion is performed by using cargo container "Progress" by
separating the unit from the cargo launch container.
Working orbit
~ 500 km
incl = 51,6 °
Instruments
Planetary photometer, IR spectrometer with high resolution,
achromatic coronagraph, spectropolirimeter, static Furiespectrometer or other determinate from tasks.
UBAT Field of View
(half coded)
Range of wavelength
From 0.001 sec till 60 sec
From 200 to 900 nm
Planetary monitoring telescope construction details:
mass 100 kg,
outer diameter 650 mm,
length 2200/1200 mm
Science
instruments
container
Pointing error compensation
by a low mass secondary
mirror tilt on hexapod driver
Platform pointing error ~ 10 arc. min
Richey Cretion telescope with aberration analysis
Wavefron quality ~λ/10
after tip/tilt compensation
to 8’
Mirrors of T600 telescope
Primary mirror
Secondary mirror
Precise wavefront
correction
0
Прецизионная
коррекция ВФ
о
Модуляция
фазы
90о
Изображение ВФ
на выходе
интерферометра
∆φ 2
Im
< ∆φDM
∆φ 2
Еcorrected
Еideal
Re
Рисуно
∆φ
1
1
Качество ВФ на
входе: σΔϕ0, λ
λ/100
λ/150
λ/200
λ/300
λ/400
λ/500
λ/600
Качество ВФ на
выходе: σΔϕ2, λ
gopt.
1,01
λ/1700
0,55
λ/2400
0,4
λ/3000
0,25
λ/4300
0,2
λ/5000
0,15
λ/6600
0,12
λ/8100
Eerror
σΔϕ2,
мрад. σA2, %
3,7
0,25
2,6
0,22
2,1
0,17
1,5
0,13
1,3
0,09
1,0
0,08
0,8
0,07
Рисун
ок 1
а)
∆φ 2
Im
< ∆φDM
∆φ 2
Еideal
Еcorrected
Re
Е2 exp(iφDM)
Е1
∆φDM
Е2
φDM
Motivation: Currently, the modern engineering level of a mankind
is developed enough to observe
an Earh-like planet orbiting around a nearby star