Отмененная космическая обсерватория SIM: Поиск планет и карта Млечного Пути

Введение

Отмененный космический телескоп NASA

Миссия космической интерферометрии, или SIM, также известная как SIM Lite (ранее известная как SIM PlanetQuest), была запланированным космическим телескопом, предложенным Национальным управлением аэронавтики и космоса США (NASA) совместно с подрядчиком Northrop Grumman. Одной из главных целей миссии была охота за планетами размером с Землю, обращающимися в обитаемые зоны вокруг близлежащих звезд, отличных от Солнца. Запуск SIM несколько раз откладывался и в конечном итоге был отменен в 2010 году. Помимо обнаружения экзопланет, SIM помог бы астрономам составить карту галактики Млечный Путь. Другие важные задачи включали сбор данных для точного определения звездных масс для конкретных типов звезд, помощь в определении пространственного распределения темной материи в Млечном Пути и в локальной группе галактик, а также использование эффекта гравитационного микролинзирования для измерения массы звезд. Для достижения этих и других научных целей космический аппарат должен был использовать оптическую интерферометрию. Первоначальные контракты на SIM Lite были заключены в 1998 году на общую сумму 200 миллионов долларов США. Работа над проектом SIM потребовала от ученых и инженеров прохождения восьми ключевых технологических этапов, и к ноябрю 2006 года все восемь были завершены. Первоначально SIM Lite планировалось запустить в 2005 году на борту ракеты-носителя Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV). В результате продолжающихся сокращений бюджета дату запуска переносили как минимум пять раз. NASA установила предварительную дату запуска на 2015 год. По состоянию на февраль 2007 года многие инженеры, работавшие над программой SIM, перешли в другие области и проекты, и NASA поручило проекту направить ресурсы на снижение инженерных рисков. Однако предварительный бюджет NASA на 2008 год не предусматривал финансирования для SIM. В 2007 году Конгресс восстановил финансирование на 2008 финансовый год в рамках всеобъемлющего законопроекта об ассигнованиях, который впоследствии был подписан президентом. В то же время Конгресс поручил NASA перевести миссию на стадию разработки. В 2009 году проект продолжил работу по снижению рисков, ожидая результатов и рекомендаций десятилетнего обзора астрономии и астрофизики Astro2010, проведенного Национальной академией наук, которые должны были определить будущее проекта. В 2010 году был опубликован отчет Astro2010 Decadal Report, в котором не рекомендовалось NASA продолжать разработку астрометрической обсерватории SIM Lite. Это побудило директора NASA по астрономии и физике Джона Морса 24 сентября 2010 года направить письмо менеджеру проекта SIM Lite, информируя его о том, что NASA прекращает спонсирование миссии SIM Lite и поручает проекту немедленно или как можно скорее прекратить работы на фазе B. Соответственно, все работы в рамках SIM Lite были завершены к концу 2010 года.

The Space Interferometry Mission, or SIM, also known as SIM Lite (formerly known as SIM PlanetQuest), was a planned space telescope proposed by the U. S. National Aeronautics and Space Administration (NASA), in conjunction with contractor Northrop Grumman. One of the main goals of the mission was the hunt for Earth sized planets orbiting in the habitable zones of nearby stars other than the Sun. SIM was postponed several times and finally cancelled in 2010. In addition to detecting extrasolar planets, SIM would have helped astronomers construct a map of the Milky Way galaxy. Other important tasks would have included collecting data to help pinpoint stellar masses for specific types of stars, assisting in the determination of the spatial distribution of dark matter in the Milky Way and in the local group of galaxies and using the gravitational microlensing effect to measure the mass of stars. The spacecraft would have used optical interferometry to accomplish these and other scientific goals. The initial contracts for SIM Lite were awarded in 1998, totaling US$200 million. Work on the SIM project required scientists and engineers to move through eight specific new technology milestones, and by November 2006, all eight had been completed. SIM Lite was originally proposed for a 2005 launch, aboard an Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV). As a result of continued budget cuts, the launch date was pushed back at least five times. NASA had set a preliminary launch date for 2015. As of February 2007, many of the engineers working on the SIM program had moved on to other areas and projects, and NASA directed the project to allocate its resources toward engineering risk reduction. However, the preliminary budget for NASA for 2008 included zero dollars for SIM. In 2007, the Congress restored funding for fiscal year 2008 as part of an omnibus appropriations bill which the President later signed. At the same time the Congress directed NASA to move the mission forward to the development phase. In 2009 the project continued its risk reduction work while waiting for the findings and recommendations of the Astronomy and Astrophysics Decadal Survey, Astro2010, performed by the National Academy of Sciences, which would determine the project's future. In 2010, the Astro2010 Decadal Report was released and did not recommend that NASA continue the development of the SIM Lite Astrometric Observatory. This prompted NASA Astronomy and Physics Director, Jon Morse, to issue a letter on 24 September 2010 to the SIM Lite project manager, informing him that NASA was discontinuing its sponsorship of the SIM Lite mission and directing the project to discontinue Phase B activities immediately or as soon as practical. Accordingly, all SIM Lite activities were closed down by the end of calendar year 2010.

Миссия

SIM Lite работал бы на гелиоцентрической орбите, отстающей от Земли, удаляясь от неё со скоростью 0,1 а.е. в год и в конечном итоге достигая расстояния 82 миллиона км от Земли. На это потребовалось бы примерно 5 с половиной лет. Солнце непрерывно освещало бы космический аппарат, позволяя избежать оккультаций целевых звёзд и затмений Солнца, которые возникали бы на околоземной орбите. Если бы SIM был запущен, он провёл бы научные исследования в течение пяти лет.

Звездная масса

Еще одним ключевым аспектом миссии SIM Lite было определение верхних и нижних пределов масс звезд. Сегодня ученые понимают, что существуют пределы того, насколько малой или большой может быть звезда. Объекты, которые слишком малы, не обладают достаточным внутренним давлением для запуска термоядерного синтеза, который заставляет звезду светить. Эти объекты известны как коричневые карлики и представляют собой нижнюю границу звездной шкалы масс. Звезды, которые слишком велики, становятся нестабильными и взрываются как сверхновые. Частью миссии SIM было получение точных измерений для двух крайних значений звездной массы и эволюции. Телескоп не сможет измерить массу каждой звезды в Галактике, поскольку их количество превышает 200 миллиардов, но вместо этого он проведет своего рода "перепись населения". В настоящее время астрономы знают относительно немного о форме и размерах нашей Галактики по сравнению с другими галактиками; наблюдать за всей Млечным Путем изнутри сложно. Хорошая аналогия – попытка наблюдать за марширующим оркестром, будучи его участником. Измерения звезд Млечного Пути, выполненные SIM Lite, должны были предоставить данные для понимания четырех основных направлений: фундаментальные галактические параметры, предел Оорта, потенциал массы диска и масса Галактики на больших расстояниях от центра. Первое направление, фундаментальные галактические параметры, было направлено на ответы на ключевые вопросы о размере, форме и скорости вращения Млечного Пути. Команда надеялась более точно определить расстояние от Солнца до центра Галактики. Второе направление, предел Оорта, предполагало определение массы галактического диска. Третий проект был посвящен потенциалу массы диска. Эта работа была разработана для измерения расстояний до звезд диска, а также их собственных движений. Результаты третьего направления исследования должны были быть объединены с результатами части исследования фундаментальных галактических параметров для определения положения и скорости Солнечной системы в Галактике. Последнее направление было посвящено распределению темной материи в Млечном Пути. Данные SIM должны были быть использованы для создания трехмерной модели распределения массы в Галактике в радиусе 270 килопарсек (kps). Астрономы должны были затем использовать два различных теста для определения галактического потенциала на больших расстояниях от центра.

Another key aspect of SIM Lite's mission was determining the upper and lower limits of star's masses. Today, scientists understand that there are limits to how small or large a star can be. Objects that are too small lack the internal pressure to initiate thermonuclear fusion, which is what causes a star to shine. These objects are known as brown dwarfs and represent the lower end of the stellar mass scale. Stars that are too large become unstable and explode in a supernova. Part of the SIM's mission was to provide pinpoint measurements for the two extremes in stellar mass and evolution. The telescope will not be able to measure the mass of every star in the Galaxy, since there are over 200 billion, but instead, it will take a "population census." Currently, astronomers know little about the shape and size of our galaxy relative to what they know about other galaxies; it is difficult to observe the entire Milky Way from the inside. A good analogy is trying to observe a marching band as a member of the band. SIM Lite measurements of Milky Way stars were to yield data to understand four topics: fundamental galactic parameters, the Oort Limit, disk mass potential, and mass of the Galaxy to large radii. The first, fundamental galactic parameters, was aimed at answering key questions about the size, shape and the rotation rate of the Milky Way. The team hoped to more accurately determine the distance from the Sun to the Galactic Center. The second topic, the Oort Limit, would have attempted to determine the mass of the galactic disk. The third project topic was disk mass potential. This topic was designed to make measurements of the distances to disk stars as well as their proper motions. The results of the third topic of study were to be combined with the results of the fundamental galactic parameters portion of the study to determine the Solar System's position and velocity in the galaxy. The final topic dealt with dark matter distribution in the Milky Way. SIM data was to be used to create a three dimensional model of mass distribution in the Galaxy, out to a radius of 270 kiloparsecs (kps). Astronomers were to then use two different tests to determine the galactic potential at large radii.

Темная материя

Темная материя — это материя во Вселенной, которую невозможно увидеть. Благодаря гравитационному воздействию, которое она оказывает на звезды и галактики, ученые знают, что примерно 80% материи во Вселенной — темная материя. В 1998 году TRW Inc. была выбрана подрядчиком для проекта SIM Lite; в 2002 году Northrop Grumman приобрела часть TRW и взяла на себя контракт. Также был выбран Lockheed Martin Missiles and Space, расположенный в Саннивейле, Калифорния. На момент объявления NASA о запуске, он был запланирован на 2005 год, и миссия являлась частью программы Origins — серии миссий, предназначенных для ответа на вопросы, такие как происхождение жизни на Земле. В конце ноября 2000 года NASA объявила о выборе научной команды проекта. В группу вошли известные ученые в области исследований экзопланет. К моменту этого объявления NASA запуск был запланирован на 2009 год, и миссия по-прежнему входила в программу Origins. Фаза технологической разработки миссии была завершена в ноябре 2006 года с объявлением о достижении восьми технологических вех, установленных NASA. Одной из новых технологий, разработанных для миссии, были высокотехнологичные "линейки", способные производить измерения с точностью до доли ширины атома водорода. Кроме того, линейки были разработаны для работы в сети. Команда миссии также создала "амортизаторы" для уменьшения влияния малейших вибраций космического аппарата, которые могли бы помешать точным измерениям. Еще одна веха заключалась в объединении новых "линеек" и "амортизаторов" для доказательства того, что космический аппарат Space Interferometry Mission способен обнаруживать незначительные колебания звезд, вызванные планетами размером с Землю. Пятая технологическая веха требовала демонстрации работоспособности микроарксекундного метрологического стенда с производительностью 3200 пикометров в широком поле зрения. Широкоугольные измерения должны были использоваться для определения фиксированных положений звезд при каждом измерении. Этот уровень производительности продемонстрировал способность SIM Lite вычислять астрометрическую сетку. Другим ключевым достижением, известным как узкоугольная астрометрия без сетки (GNAA), стала возможность применить возможности измерений, разработанные в рамках широкоугольной вехи, и перейти к узкоугольным измерениям. Стремясь обеспечить точность 1 микросекунды дуги на ранних этапах работы SIM, эта технология позволяет измерять положения звезд без предварительной установки сетки опорных звезд; вместо этого она создает систему отсчета, используя несколько опорных звезд и целевую звезду, наблюдаемую с разных точек, а положения звезд рассчитываются на основе измерений задержки, полученных в ходе отдельных наблюдений. Узкоугольное поле зрения должно было использоваться SIM для обнаружения землеподобных планет; команда применяла одни и те же критерии как к узкоугольным, так и к широкоугольным измерениям. Последним требованием перед началом работы над системой управления полетом было убедиться, что все системы, разработанные для миссии, работают согласованно; эта заключительная технологическая цель NASA была завершена последней, поскольку она зависела от других.

Dark matter is the matter in the universe that cannot be seen. Because of the gravitational effect it exerts on stars and galaxies, scientists know that approximately 80% of the matter in the universe is dark matter. In 1998, TRW Inc. was selected as the contractor for the SIM Lite project; Northrop Grumman acquired part of TRW in 2002 and took over the contract. Also selected was Lockheed Martin Missiles and Space located in Sunnyvale, California. At the time of the NASA announcement, launch was scheduled for 2005 and the mission was part of the Origins Program, a series of missions designed to answer questions such as the origin of life Earth. In late November 2000, NASA announced that the project's scientific team was selected. The group included notable names from the world of extrasolar planet research. At the time of this NASA announcement launch was scheduled for 2009 and the mission was still part of the Origins Program. The technological development phase of the mission was completed in November 2006 with the announcement that the eight, mission technology milestones set by NASA were reached. One of the new technologies developed for the mission were high tech "rulers", capable of making measurements in increments a fraction of the width of a hydrogen atom. In addition, the rulers were developed to work as a network. The mission team also created "shock absorbers" to alleviate the effects of tiny vibrations in the spacecraft which would impede accurate measurements. Another of the milestones involved combining the new "rulers" and "shock absorbers" to prove that the Space Interferometry Mission craft could detect the tiny wobbles in stars caused by Earth sized planets. The fifth of the technology milestones required the demonstration of the Microarcsecond Metrology Testbed at a performance of 3,200 picometers over its wide angle field of view. The wide angle measurements were to be used to determine the fixed positions of stars each time they were measured. This level of performance demonstrated SIM Lite's ability to calculate the astrometric grid. Another key development, known as gridless narrow angle astrometry (GNAA), was the ability to apply the measurement capability worked out in the wide angle milestone and take it a step further, into narrow angle measurements. Aiming to give an accuracy of 1 micro arcsecond to the early stages of the SIM, the technique allows star positions to be measured without first setting up a grid of reference stars; instead, it sets up a reference frame using several reference stars and a target star observed from different locations, and star positions are calculated using delay measurements from separate observations. The narrow angle field was to be used by SIM to detect terrestrial planets; the team applied the same criteria to both the narrow and wide angle measurements. The final requirement before beginning work on flight controls was to make sure that all of the systems developed for the mission worked cohesively; this final NASA technology goal was completed last as it was dependent upon the others.

Статус после 2006 года

В период с конца апреля по июнь 2006 года проект завершил три инженерных этапа, а с 2 по 8 ноября 2006 года SIM завершил "Обзор внутреннего дизайна космического аппарата". "Фаза B" Лаборатории реактивного движения называется "Фазой предварительного проектирования". В ходе этой фазы предлагались бы эксперименты, которые подвергались бы экспертной оценке и в конечном итоге отбирались Управлением космических наук НАСА. Выбор экспериментов основывался на научной ценности, стоимости, организации, инженерных разработках и безопасности. Дата запуска миссии SIM Lite была перенесена как минимум пять раз. В период с 2004 по 2006 год подрядчик Northrop Grumman, компания, проектирующая и разрабатывающая SIM, указывала на своем веб-сайте дату запуска 2011 года. По состоянию на июнь 2008 года НАСА отложило дату запуска "на неопределенный срок". Программа, помимо миссии космической интерферометрии, включает в себя интерферометр Кека и интерферометр Большого бинокулярного телескопа. Когда миссия была первоначально одобрена в 1996 году, ей был установлен лимит в 700 миллионов долларов США (в ценах 1996 года), который включал в себя стоимость запуска и пять лет эксплуатации. Бюджет НАСА содержал планы по трем проектам на 2007 финансовый год. Из этих трех миссий SIM Lite была отложена еще больше, а бюджет интерферометра Кека был сокращен. Задержки носят бюджетный характер. В 2006 году миссия получила 117 миллионов долларов США, что на 8,1 миллиона долларов больше, чем в предыдущем году, но в 2007 году сокращение составило 47,9 миллиона долларов для программы SIM. В 2008 году 128,7 миллиона долларов из 223,9 миллиона долларов, которые, по оценкам, будут сокращены из бюджета программы поиска экзопланет, были выделены из миссии SIM Lite. После дополнительного сокращения на 51,9 миллиона долларов в 2009 финансовом году программа была сокращена до 6 миллионов долларов в 2010 финансовом году с существенным переносом средств с предыдущего года в ожидании результатов десятилетнего обзора астрономии и астрофизики, Astro2010. К февралю 2007 года многие сокращения бюджета, намеченные в бюджете на 2007 финансовый год, уже ощущались в рамках проекта. Инженерам, работавшим над SIM, пришлось искать другие направления работы.

Between the end of April and June 2006 the project completed three engineering milestones and from 2–8 November 2006 SIM completed a "Spacecraft Internal Design Review." Jet Propulsion Laboratory's "Phase B" is called the "Preliminary Design" phase. During this phase, experiments would have been proposed, peer reviewed, and eventually selected by NASA's Office of Space Science. Experiment selections are based on scientific value, cost, management, engineering, and safety.]] The launch date for the SIM Lite mission was pushed back at least five times. Between 2004 and 2006, contractor Northrop Grumman, the company designing and developing SIM, listed a launch date of 2011 on their website. As of June 2008, NASA has postponed the launch date "indefinitely". The program, in addition to the Space Interferometry Mission, includes the Keck Interferometer and the Large Binocular Telescope Interferometer. When originally approved in 1996, the mission was given a $700 million cap (in 1996 dollars) which included launch costs and five years of operation. NASA's budget outlined plans for the three projects for fiscal year (FY) 2007. Of the three missions, SIM Lite was delayed further and the Keck Interferometer saw budget cuts. The delays are budgetary in nature. In 2006, the mission received $117 million, an increase of $8.1 million over the previous year, but 2007 cuts amounted to $47.9 million less for the SIM program. In 2008, $128.7 million of the $223.9 million estimated to be cut from the Exoplanet Program budget would come from the SIM Lite mission. After an additional $51.9 million decrease in FY 2009, the program was reduced to $6 million in FY 2010 supplemented by substantial carryover from the previous year while awaiting the results of the Astronomy and Astrophysics Decadal Survey, Astro2010. By February 2007 many of the budget cuts outlined in the FY 2007 budget were already being felt within the project. Engineers who worked on SIM were forced to find other areas to work in.

Оптическая интерферометрия

Интерферометрия — это метод, впервые разработанный Альбертом А. Микельсоном в XIX веке. Оптическая интерферометрия, достигшая зрелости за последние два десятилетия, объединяет свет нескольких телескопов, позволяя проводить точные измерения, сопоставимые с теми, которые можно было бы получить с помощью одного, значительно большего телескопа. Телескоп SIM Lite функционирует на основе оптической интерферометрии. SIM должен был состоять из одного научного интерферометра (коллекторы 50 см, расстояние между ними 6 м [базовая линия]), вспомогательного интерферометра (коллекторы 30 см, базовая линия 4,2 м) и вспомогательного телескопа (апертура 30 см). Сложный вспомогательный телескоп стабилизирует наведение прибора в третьем измерении. Оперативная предельная звездная величина космического аппарата должна была составить 20 при точности 20 миллионных долей дуговой секунды (μas), а астрометрическая точность поиска планет — 1,12 μas для отдельных измерений. Точность его глобальной астрометрической сетки, охватывающей всё небо, должна была составить 4 μas.