Print Print Sänd länk Bookmark and Share

ESA skjuter upp satelliter som undersöker universums utveckling

27.04.2009


Finsk teknik används för att studera universums uppkomst

Europeiska rymdorganisationen ESA skjuter i maj upp två forskningssatelliter som innehåller en betydande insats från finska företag och forskare. Avsikten med Planck- och Herschel-satelliterna är att studera universums uppbyggnad samt stjärnornas och galaxernas ursprung.

De två satelliterna, Planck och Herschel, innehåller avancerade forskningsinstrument och tekniska lösningar som tillverkats i Finland. Satelliterna skjuts upp i en gemensam bärraket från rymdbasen Kourou i Franska Guyana.

”Planck är ett av de största rymdprojekten för Finland, och det har krävt högsta kunskapsstandard av företagen och forskningsteamen”, berättar teknologidirektör Kimmo Kanto vid Tekes.

Planck lyssnar in på den kosmiska bakgrundsstrålningen från världsalltets begynnelse

Planck-satelliten studerar den kosmiska bakgrundsstrålningen som visar hur det för 14 miljarder år sedan började bildas galaxer, stjärnor och planeter i universum. Satelliten studerar också andra källor till radiostrålning, såsom galaxer och de områden där stjärnorna i Vintergatan föddes.

Rymdforskare vid observatoriet och Institutionen för fysik vid Helsingfors universitet, Tekniska högskolans Metsähovi radioforskningsstation samt Tuorla observatorium i anslutning till Åbo universitet kommer att tillgodogöra sig data från Plank-satelliten. Forskarnas insatser har behövts vid både planeringen av Planck-satelliten och genomförandet av det vetenskapliga programmet som anknyter till satelliten.

Världens känsligaste radioteknik från Finland

Planck innehåller världens känsligaste radioteknik, och dess radiomottagare på 70 gigahertz har ritats och byggts i Finland. Arbetet leddes av VTT:s och Tekniska högskolans gemensamma institut MilliLab. Konstruktionsarbetet utfördes av DA Design Oy.

”Eftersom arbetet var ytterst krävande, kunde vi samtidigt bygga upp värdefull kompetens som kan utnyttjas senare i andra tillämpningar", säger VTT:s teknologidirektör Jussi Tuovinen som har svarat för instrumenteringen för Planck-projektets finska del. Den teknik som tagits fram kan användas t.ex. vid säkerhetskontroller eller för att upptäcka fordon i tjock dimma. Dessutom lämpar den sig för noggranna molnradarapparater och framtidens kommunikationslösningar.

Herschels huvudspegel slipades i Pikis

Herschel är ett rymdobservatorium för det infraröda området. Det hjälper forskarna att undersöka bland annat hur stjärnorna blir till. Finska Opteon Oy har slipat satellitens huvudspegel som är världens största och tekniskt mest avancerade rymdspegel som har tillverkats av kiselkarbid.

Space Systems Finland har tagit fram programvara för Herschel och Planck som ska styra satelliternas funktioner och bland annat åtgärda fel och sköta temperaturregleringen. Patria utformade och tillverkade Herschel-satellitens kryostat vars uppgift är att hålla observationsinstrumentens temperatur så nära den absoluta nollpunkten som möjligt.

Den finska andelen av utvecklingen och tekniken för de vetenskapliga instrumenten för Planck uppgår till omkring 14,5 miljoner euro. I Finland sköts samordningen och finansieringen av ESA-projekten av Tekes. Finlands Akademi har finansierat de finländska forskarnas vetenskapliga forskning i anknytning till Herschel och Planck med över 2,5 miljoner euro.

Mer information:

Metsähovi radioforskningsstation/Tekniska högskolan: Anne Lähteenmäki (aktiva galaxer, kvasarer), tfn (09) 4283 2047

Institutionen för fysik/Helsingfors universitet: Hannu Kurki-Suonio (universums struktur och begynnelse), tfn (09)191 50752

Helsingfors universitets observatorium: Mika Juvela (stjärnbildningsområden, kalla molnkärnor), tfn (09) 191 22909 & Jukka Nevalainen (galaxhopar och SZ-effekten), tfn (09) 191 22801

Tuorla Observatorium/Åbo universitet: Pekka Heinämäki (galaxhopar och mörk materia), tfn (02) 333 8983

VTT/MilliLab: Jussi Tuovinen, tfn 020-722 6508

Opteon: Tapio Korhonen, tfn 040-551 6268

Space Systems Finland: Mika Jahkola, tfn 040-623 734

DA Design Oy: Nicholas Hughes, tfn 0400 912645

Tekes: Kimmo Kanto, tfn 010 60 55852

Finlands Akademi: Pentti Pulkkinen, tfn (09) 7748 8342

Finländska instrument i Planck- och Herschel-satelliterna:

MilliLab & DA-Design: Känslig lågfrekvens radiomottagare

Den ytterst känsliga 70 gigahetz radiomottagaren som ingår i Europeiska rymdorganisationen ESA:s rymdsond Planck utvecklades och byggdes i Finland. Mottagaren kommer att användas för mätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen som härstammar från universums tidigaste barndom. Arbetet leddes av VTT:s och Tekniska högskolans gemensamma institut MilliLab. Mottagaren byggdes och testades av det finländska företaget DA-Design Oy.

Den teknik som tagits fram under projektet kan också användas vid säkerhetskontroller eller för att upptäcka fordon i tjock dimma. Dessutom lämpar den sig för noggranna molnradarapparater och framtidens kommunikationslösningar. Planck har ett 1,5 meter stort radioteleskop och två instrument för detektering av lägre respektive högre frekvenser. De mest krävande delarna av lågfrekvensmottagaren planerades och byggdes av finländare, som tog fram flera nya tekniska lösningar.

I princip fungerar mottagaren på samma sätt som en kristallradio, förklarar VTT:s teknologidirektör Jussi Tuovinen. ”Den kosmiska bakgrundsstrålningen har emellertid en miljon gånger högre frekvens än en sedvanlig radiosändning. Därför har man en parabolantenn, m.a.o. ett radioteleskop, i stället för en trådantenn, och dioder och förstärkare i stället för en kristall för att förstärka signalen 500 000 gånger.

http://virtual.vtt.fi/virtual/millilab/pages/Planck_MilliLab.htm

www.da-design.fi

Space Systems Finland Oy: programvara för styrning av satelliten

Space Systems Finland har utvecklat programvaran för centraldatorerna i Herschel- och Planck-satelliterna som sköter styrningen och kontrollen av de flesta av satellitens funktioner, till exempel detektering och reparering av fel, temperaturregleringen och resurskontrollen. Programvaran spelar en viktig roll för att de två satelliterna ska lyckas i sina uppdrag.

Satelliterna ligger i en bana 1,5 miljoner kilometer från jorden och deras synlighet från markstationen är endast två timmar om dagen. Detta ytterst smala ”servicefönster” är en stor riskfaktor med tanke på programmeringen. Ytterligare utmaningar för utvecklingen av programvaran utgjorde de stränga kriterierna för funktionssäkerhet och realtid. Grundliga tester utfördes för att säkerställa att programvaran uppfyllde de fastställda kvalitetskraven. För programvaran byggdes en automatiserad testmiljö i vilken tester kunde köras oavbrutet oavsett tidpunkten. Testningen slukade största delen av resurserna för programutvecklingen, vilket är typiskt för utarbetande av kritiska system.

Herschel och Planck-projektet inleddes vid Space Systems Finland år 2003 och slutfördes sommaren 2008. Space Systems Finland är en finländsk programvaruleverantör som specialiserar sig på utarbetande, testning och kvalitetskontroll av kritiska applikationer. Företaget grundades år 1989 och sysselsätter 34 personer.

www.ssf.fi

Opteon Oy: Polering av Herschels spegel

Herschel-satelliten har världens största rymdspegel av kiselkarbid. Den har en ytterst lätt kontruktion: spegelytan är endast 2,5 mm tjock och hela spegeln väger 250 kg. Kiselkarbid är mycket hårt och kan bearbetas endast med diamant. Det tog åtta månader att slipa och polera spegeln. I april 2005 var spegeln klar och uppfyllde i mätningarna alla de krav som ställts på den. Enligt expertomdömen är spegeln ”utan tvivel den mest krävande rymdspegeln som någonsin tillverkats”.

Herschel-rymdobservatoriet var ursprungligen ett samprojekt med ESA och NASA, där NASA skulle leverera huvudspegeln för teleskopet. Testspegeln som tillverkats med kolfiberteknik uppfyllde inte kraven, och NASA drog sig ur projektet. I Europa utvecklade man samtidigt speglar av kiselkarbid (SiC). I ESA:s kartläggning av europeiska företag var det endast Opteon Oy som hade den teknik som behövdes för poleringen av sådana speglar. År 1998 fick företaget i uppdrag att polera satellitens 1,35 meter stora testspegel av kiselkarbid. Spegeln uppfyllde kriterierna och man beslutade att speglarna för Herschel skulle tillverkas av kiselkarbid.

Opteon fick också uppdraget att polera Herschels huvudspegel som mäter 3,5 meter i diameter. För arbetet byggdes nya lokaler med en ny slipmaskin. Den paraboliska spegeln har ytterst kort brännvidd och avviker exceptionellt mycket från sfärformen, varför man var tvungen att ta fram nya metoder och apparater för mätning av spegelns form.

www.opteon.fi

Patria: Cryostat Control Unit

Patria utarbetade och byggde kryostatkontrollenheten (Cryostat Control Unit, CCU) för Herschel-satelliten. CCU håller infrarödteleskopets temperatur så nära den absoluta nollpunkten som möjligt, för att satellitens egen värmestrålning inte ska störa de ytterst noggranna mätningarna. Projektet tjänar som ett gott exempel på den traditionella värdekedjan vid satellitbyggande, där mångsidig industriverksamhet gagnar den grundläggande forskningen och vetenskapen – och omvänt. Forskningssamfundet skulle inte ha kunnat utnyttja rönen från satellitforskningen utan industrins medverkan vid satellitbygget, men å andra sidan skulle satelliten aldrig ha byggts om det inte funnits vetenskaplig användning för den.

www.patria.fi

Rymdforskningen gagnas av forskningssatelliterna Planck och Herschel

Europeiska rymdorganisationen ESA:s Planck-satellit ska utföra den hittills mest detaljerade kartläggningen av den kosmiska bakgrundsstrålningen. Denna utgörs av mikrovågor som färdats från de längst bort belägna delarna av universum. Avståndet är så långt, att strålarna har färdats nästan lika länge som universum funnits till, i 14 miljarder år. Därför visar strålningen hurdant världsalltet var i sin barndom, när det var endast omkring 400 000 år gammalt.

I det unga universum var materian mycket jämt fördelad, med en variation i densiteten på endast omkring en tiotusendel. Syftet med Planck-satelliten är att ytterst noggrant mäta beskaffenheten av dessa avvikelser så att vi ska kunna resonera oss fram till vilken fysisk process som satte igång dem.

Genom tyngdkraftens inverkan utvecklades de ursprungliga oregelbundenheterna i densiteten, ”galaxfröna”, under flera miljarder år till att bli det universum vi ser idag, där materian har anhopats till galaxer, stjärnor och planeter. En av de grundläggande frågeställningarna för kosmologin – studiet av universums uppkomst och utveckling – är vad som satte igång avvikelserna.

Forskarna vid Institutionen för fysik vid Helsingfors universitet och vid Forskningsinstitutet för fysik, HIP, spelar en viktig roll i Planck-projektet, bland annat när de utarbetar kartor av de olika våglängderna genom att sammanställa satellitens observationer av strålningen. Kartorna utarbetas med dataprogrammet Madam som forskarna utarbetat enkom för Planck-satelliten. De studerar de ursprungliga densitetsavvikelserna för att se bland annat om variationen är likadan hos alla partiklar eller om det fanns skillnader i hur olika partiklar beter sig. 

All kosmisk mikrovågsstrålning härstammar inte från universums barndom, utan också många objekt som ligger framför bakgrundsstrålningen emitterar radiovågor. För att kunna skilja åt den kosmiska strålningen och andra objekt, mäter Planck radiostrålningen på nio olika våglängder. Därför kommer den att observera många närmare belägna källor av radiostrålning, såsom galaxhopar och aktiva galaxer samt stjärnbildningsområden i Vintergatan. Man kommer att kunna inhämta en hel del ny information på höga radiofrekvenser som inte tidigare har använts för kartläggning av himlen.

Tuorla observatorium (Institutionen för fysik och astronomi vid Åbo universitet) och Helsingfors universitets observatorium kommer att med hjälp av Planck-satelliten kunna studera galaxhopar, som är enorma system av upp till hundratals galaxer. Dessa överträffas av superhoparna, som är ansamlingar av galaxhopar och hör till de största strukturerna i universum. Endast 5 procent av universum utgörs av normal, synlig materia och endast hälften av denna materia har hittills kunnat detekteras, resten är ”försvunnen”. Forskarna har lagt fram en hypotes om att en betydande del av den försvunna materian kunde finnas i gasform i superhoparna. När den kosmiska bakgrundsstrålningens mikrovågor färdas genom en galaxhop får den energi av partiklarna i den heta gasen i galaxhopen. Planck detekterar avvikelserna i bakgrundsstrålningen som dels vittnar om gasens sammansättning och distribution, dels hjälper till att upptäcka tidigare okända galaxhopar. Tuorla-observatoriets forskning av superhopar inom ramen för Planck-projektet drivs i nära samarbete med kosmologiteamet vid observatoriet i Tartu.

Forskarna vid Metsähovi radioforskningsstation (Tekniska högskolan) använder observationer från Planck-satelliten till att lösa mysteriet med fjärran belägna aktiva galaxkärnor, eller kvasarer. Mitt i kvasaren finns ett supermassivt svart hål som tillsammans med plasmaströmningar, som nästan rör sig med ljusets hastighet, ger upphov till jättelika strålningsutbrott. Planck-satelliten kan göra unika observationer på höga radiofrekvenser av hur strålningsutbrotten föds och utvecklas. Observationerna ger en antydan om hur det ofantliga svarta hålet kan producera så otroligt mycket energi att kvasarernas strålning syns klart och tydligt på flera miljarder ljusårs avstånd. Vid Metsähovi har man utarbetat programvaran Quick Detection System för satelliten. Med applikationerna kan forskarna vid Metsähovi som första världen utnyttja observationerna från Planck-satelliten.

Forskarna vid Helsingfors universitets observatorium kommer att utnyttja observationerna från Planck-satelliten för att studera uppkomstmekanismen hos stjärnorna i Vintergatan. Stjärnorna bildas i interstellära gasmoln genom att tyngdkraften får molnens kärnor att kollapsa. Det har emellertid visat sig vara mycket svårt att studera de första faserna av processen, eftersom molnkärnorna till en början är mycket kalla, endast ett tiotal grader över absoluta nollpunkten. Planck kommer att revolutionera forskningen av stjärnornas födelse, genom man att utgående från dess observationer för första gången kan sammanställa en täckande förteckning av de kalla molnkärnorna i Vintergatan. Ytterligare observationer som Herschel-satelliten producerar gör det dessutom möjligt att fastställa uppbyggnaden av molnkärnorna. Observationerna i kombination med datormodellering hjälper oss att förstå hur molnens kärnor uppkommer och utvecklas och hur stjärnorna bildas.

Helsingfors universitets observatorium

http://www.astro.helsinki.fi

http://wiki.helsinki.fi/display/PlanckHerschel

Institutionen för fysik vid Helsingfors universitet

http://www.physics.helsinki.fi/

http://www.helsinki.fi/~tfo_cosm/tfo_planck.html

Forskningsinstitutet för fysik HIP

http://www.hip.fi/index_fin.html

Metsähovi radioforskningsstations webbsidor om Planck-projektet

http://www.metsahovi.fi/quasar/planck/index.htm

Tuorla Observatorium (Institutionen för fysik och astronomi vid Åbo universitet)

http://www.astro.utu.fi/index.fin.shtml