A NASA új kozmikus csodafegyvere, a Roman űrteleszkóp

Nagy várakozás előzte meg a NASA legújabb és minden korábbinál nagyobb teljesítményű űrteleszkópja, a Nancy Grace Roman startját. Augusztus 30-án, vasárnap, a NASA Kennedy Űrközpontjának 39A indítóállásáról emelkedett a magasba a SpaceX Falcon Heavy hordozórakétája, hogy a Földtől több mint másfél millió kilométeres távolságban pályára állítsa a NASA legújabb űrobszervatóriumát. A speciális érzékelőkkel felszerelt űrteleszkóptól azt várják a csillagászok, hogy áttörést hoz a rejtélyes sötét anyag, illetve a sötét energia, továbbá az exobolygók kutatásában. A műszer kifejlesztésében egy nemzetközi hírű magyar űrkutató és fizikus, Detre Örs Hunor is részt vett -aki a Max Planck Csillagászati Intézet kutatójaként a James Webb űrteleszkóp egyik vezető fejlesztője volt-, és aki exkluzívan nyilatkozott lapunknak arról, hogy miért nyithat új fejezetet a világegyetem megismerésében az új űrtávcső.

A Roman űrteleszkóp forradalmat írhat a csillagászati kutatásokban Forrás: NASA

A Roman legnagyobb újdonsága a hatalmas látómező: a Hubble-hoz hasonló részletességgel, de egyszerre mintegy százszor nagyobb égterületet képes megfigyelni. Olyan lesz, mintha egy szűk látcső helyett most végre panorámaképet kapnánk az univerzumról. 

A Roman fő műszere a Nagy Látómezejű Műszer, angolul a Wide Field Instrument (WFI). Ezzel nemcsak egyes objektumokat vizsgálhatunk rendkívüli részletességgel, hanem galaxisok millióit térképezhetjük fel, és ritka, ma még ismeretlen jelenségeket is felfedezhetünk. 

A Roman űrtávcső főbb szerekezeti elemeit szemléltető ábra   Fotó: NASA

A vele gyűjtött hatalmas adatmennyiség segíthet megfejteni a modern csillagászat egyik legnagyobb rejtélyét: az általunk ismert, atomokból felépülő anyag a világegyetem mindössze 5 százalékát alkotja, míg 27 százaléka láthatatlan sötét anyag, 68 százaléka pedig az univerzum gyorsuló tágulását okozó, ma még ismeretlen sötét energia. 

A hipotetikus sötét anyag és a sötét energia eloszlása az univerzumban   Fotó: TrendinTech

Az új űrtávcső adta lehetőségek hozzásegíthetik a tudományt e régi és izgalmas probléma jobb megértéséhez is.

Azt már régóta sejtettük, hogy nem csak a Naprendszerben lehetnek bolygók, hanem a távoli csillagrendszerekben is, de ez az elméleti feltevés csak az 1990-es évek közepén vált tudományos bizonyossággá, az első exobolygók felfedezésével. Az exobolygók száma az egyre fejlettebb észlelési technikáknak köszönhetően rohamosan gyarapszik. Ezért sem véletlen, hogy az új űrteleszkóp egyik kimelten fontos kutatási területe éppen az exobolygók vizsgálata lesz. Hogyan segíti majd a Roman űrteleszkóp a csillagászokat az exobolygók kutatásában, és miben tud többet a jelenlegi eszközöknél?

A Roman fő műszere mellett helyet kapott egy második műszer is, a Coronagraph Instrument (CGI), magyarul a koronagráf műszer, 

amelynek fejlesztésén nekem is volt szerencsém dolgozni. 

Ez szintén világelső technológia: elsőként valósít meg az űrben, látható fényben aktív optikával működő koronagráfiát. 

Egy „szuperföld”, az  50 fényévre fekvő LHS 3844 b exobolygó művészi ábrája   Fotó: NASA Science

Ennek az a lényege, hogy a csillag vakító fényét kitakarva, deformálható tükrökkel korrigálja a legkisebb optikai hibákat is, így közvetlenül láthatóvá és vizsgálhatóvá válhatnak a csillag körül keringő, nála akár milliárdszor halványabb exobolygók. A CGI elsősorban technológiai demonstráció, amely megnyithatja az utat a Földhöz hasonló exobolygók későbbi közvetlen megfigyelése, légkörük elemzése és végső soron az élet jeleinek keresése előtt.

A Roman űrteleszkóp az exobolygók kutatásában is áttörést hozhat   Fotó: NASA

A Roman ilyen exobolygók további ezreit fedezheti fel, ami közelebb vihet bennünket annak megértéséhez, 

hogy hol és milyen körülmények között alakulhat ki élet az univerzumban. 

A példátlan adatmennyiségben pedig olyan ritka, akár ma még ismeretlen jelenségekre bukkanhatunk, amelyeket eddig azért nem láttunk, mert nem tudtunk egyszerre ekkora égterületet ilyen részletességgel megfigyelni.

Ön nemzetközileg elismert szakértője a csillagászati műszerfejlesztésnek, hiszen a James Webb űrtávcső egyik fontos műszeregységének, az infravörös érzékelőnek, a MIRI -nek Ön volt az egyik vezető fejlesztője, legutóbb pedig a NASA Roman űrteleszkópjának a megépítésében is fontos szerepet vállalt. Egész pontosan milyen feladatokon dolgozott a fejlesztés során, és mi jelentette a legnagyobb műszaki kihívást?

Számomra ez különösen személyes történet, hiszen a legelső prototípusok néhány alkatrésze még az otthoni 3D nyomtatómon készült. Ugyanis 2008 és 2023 között a heidelbergi Max Planck Csillagászati Intézet műszeres kutatójaként a James Webb űrtávcső mellett a Roman Coronagraph Instrument, röviden CGI, fejlesztésében is részt vehettem. 

A James Webb űrobszervatórium művészi ábrája  Fotó: NASA/ESA

Intézetünk tervezte és építette meg a koronagráf precíziós űrmechanikáit, én pedig már a legelső koncepciók kidolgozásától a prototípusok megépítéséig és teszteléséig bekapcsolódtam a munkába.

Ezek a mechanikai szerkezetek mozgatják és rendkívüli pontossággal pozicionálják a műszer cserélhető optikai elemeit. Segítségükkel állítható be, hogy a távcső milyen megfigyelési módban és mely hullámhossztartományban gyűjtsön adatokat.

Detre Örs Hunor a Roman kifejlesztésében is fontos szerepet vállalt   Fotó: Polyak Attila

A mozgó alkatrészek az űrműszerek legérzékenyebb pontjai közé tartoznak. Számos kritikus elektronikai, szenzor, illetve motoregységből, sőt ezek kábeleiből is kettőt építenek be, így ha az egyik meghibásodik, a tartalék átveheti a szerepét. Azonban egy precíziós mechanika elemeit, mint például egy központi csapágyat legtöbbször nem lehet megkettőzni. 

Ha egy mozgó elem beszorul vagy nem éri el pontosan a kijelölt helyzetét, az egész műszer használhatatlanná válhat, 

szélsőséges esetben ez pedig akár a teljes küldetés sikerét is veszélyeztetheti.

A Roman főtükre szerelés közben  Fotó: NASA/CXC/M.Weiss/Melissa Weiss

Éppen ezért ezeknek a precíziós, optikai szerkezeteknek a rakétaindítás rendkívüli rázkódása után, a világűr vákuumában és javítási lehetőség nélkül is éveken át hibátlanul kell működniük. Emiatt az űrmechanikák fejlesztése egy misszió műszakilag legnehezebb és legnagyobb felelősséggel járó feladatai közé tartozik.

A SpaceX Falcon Heavy hordozórakéta az indítóállásban. Az augusztus 30-i start sikeresen megtörtént   Fotó: SpaceX / NASA/SpaceX

A fejlesztés során több, egymástól alapjaiban eltérő műszaki koncepcióra épülő prototípust terveztünk és gyártattunk. Az egyik kísérleti megoldásban például a hagyományos elektromotorok helyett a DSLR-fényképezőgépek objektívjeinek fókuszmechanikájából ismert gyors és precíz piezoelektromos hajtást is kipróbáltuk. 

A NASA-szerződés elnyeréséhez vezető teljes prototípus-fejlesztésre mindössze 6000 eurónk volt. 

Ebből kellett néhány száz euróból megépítenünk a Roman koronagráfjának első mechanikai koncepcióit és mérőberendezéseit, sőt végül még egy második, továbbfejlesztett prototípusra is futotta.

A Roman űrteleszkóp művészi ábrája   Fotó: NASA

Ezek után az én feladatom lett az űrmechanika minősítéséhez szükséges teljes földi tesztlaboratórium megtervezése és felépítése, valamint az űreszközök tekintetében is kiemelkedően nagy kihívást jelentő műszaki követelmények teljesülését ellenőrző vizsgálatok kidolgozása. 

Ezek a tesztek a fejlesztés során folyamatos visszajelzést adtak saját mérnökeinknek, végül pedig a megrendelő NASA számára igazolták, hogy a rendszer valóban teljesíti az előírt követelményeket.

A fejlesztés során számos lehetséges buktatót kellett áthidalni   Fotó: Polyak Attila

Egy ilyen fejlesztés korai szakaszát számos technikai tyúk-tojás probléma nehezíti. Amikor mi már a működő mechanikai prototípusainkat teszteltük, még nem létezett az az elektronika, amely később a világűrben vezérli majd őket. Ennek elkészítése egy másik fejlesztőcsoport feladata volt, ám a NASA ekkor még az erre vonatkozó szerződést sem kötötte meg. 

Ezért örömmel vállaltam el a későbbi űrelektronika működését modellező első prototípus vezérlőelektronika kifejlesztését is. Így a hasonlatnál maradva nemcsak a tojásunk, hanem a tyúkunk is meglett: a működő mechanika mellett már annak vezérlése is rendelkezésünkre állt.

A Roman fő műszerének,  a Nagy Látómezejű Műszer (WFI) szerkezetének esmatikus rajza  Fotó: NASA

Az elektronika-mechanika pároson végzett mérések a NASA számára is fontos információkat adtak arról, miként lehet a mechanikát az űrben a lehető legnagyobb biztonsággal, ugyanakkor a lehető legpontosabban működtetni.

A feladat nehézségét jól érzékelteti, hogy a gyors mozgatás mellett 50 nanométeres pozicionálási pontosságot kellett elérnünk, ami az emberi hajszál vastagságának körülbelül ezredrésze. 

Emellett a mechanika síkja a mozgatások során is csak rendkívül kis mértékben billenhetett el. 

Ha a róla visszaverődő lézersugarat egy kilométeres távolságra vetítenénk, a fénypont legfeljebb 0,1 milliméterrel, vagyis nagyjából egy emberi hajszál vastagságával mozdulhatna el. Már egy ekkora eltérés megbízható földi kimérése is komoly mérnöki feladat volt, nemhogy egy olyan mechanika megtervezése és megépítése, amely ezt a pontosságot minden egyes mozgásnál teljesíti.

Detre Örs Hunor űrkutató, fizikus-csillagász egyik fő szakterülete a műszerfejlesztés   Fotó: Polyak Attila

A működő prototípus mérésekkel igazolt teljesítménye teremtette meg a bizalmat egy későbbi, több millió dolláros NASA-szerződéshez. Ez volt az első alkalom a németországi Max Planck Társaság történetében, hogy egyik intézete, a heidelbergi Max Planck Csillagászati Intézet közvetlenül nyert el NASA-szerződést.

Mint csillagász, személy szerint hol, milyen kutatási területen várja a legnagyobb eredményeket a Roman űrteleszkóptól? Számol-e olyan felfedezéssel, ami igazán meglepné?

Egyértelműen a modern csillagászat legnagyobb rejtélyéhez, a sötét anyag és a sötét energia természetének megértéséhez kapcsolódó eredményeket várom a leginkább. 

Jelenlegi kozmológiai modellünk ugyanis nem ad választ arra, valójában mi alkotja a világegyetem mintegy 95 százalékát. Itt tehát nem pusztán tudásunk apró finomhangolásáról van szó: e kérdés megválaszolása valódi tudományos áttörést jelentene.

Az univerzum egyik legnagyobb rejtélye, a sötét anyag és a sötét energia   Fotó: NASA/JPL-Caltech

Nagyon izgalmas lesz az exobolygók új sokaságának feltérképezése is. 

A Roman megmutatja, milyen bolygórendszerek népesítik be a galaxisunkat, az utánkövetésre alkalmas célpontokat pedig a James Webb infravörös tartományban, a Hubble pedig főként a látható és ultraibolya fényben vizsgálhatja tovább. A Roman tehát megmutatja, hol érdemes keresnünk, a másik két távcső pedig részletesebben is feltárhatja, hogy mit találtunk.

Az augusztus 30-án felbocsátott Nancy Grace űrteleszkóp:

• az űrtávcsövek legújabb generációjához tartozó műszer,
• amelynek azonos főtükörátmérő mellett,
• százszor nagyobb a látómezeje mint a Hubble űrteleszkópé,
• és egy év alatt annyi adatot képes feldolgozni, mint a Hubble kétezer év alatt.