PicSat-satelliitti tulee toimimaan kiertoradallaan vuoden ajan. Saadakseen jatkuvan yhteyden nanosatelliittiin, tutkijat vetoavat radioamatööreihin ympäri maailmaa. ©The PicSat Team /LESIA/OBSPM

Kooltaan vain muutaman kymmenen senttimetrin kokoiset ja edulliset CubeSat-nanosatelliitit tarjoavat uusia mahdollisuuksia tutkijoille. Ranskan Kansallisen tiedekeskuksen CNRS:n ensimmäinen nanosatelliitti PicSat lähetettiin 12.1.2018 kiertoradalle tarkkailemaan eksoplaneetta Beta Pictoris b:tä.

CubeSat-satelliitit ovat vain vähän maitotölkkiä suurempia. Ne kootaan pienistä, sivuiltaan kymmenen senttimetrin pituisista moduuleista, joita voi liittää yhteen kuin legopalikoita. Ensimmäiset nanosatelliitit valmistettiin yliopistoissa insinööriopiskelijoiden kursseilla. Nyt sekä tutkijat että teollisuus ovat alkaneet kiinnostua niistä. Amerikkalainen yritys Planet Labs on lähettänyt jo satoja nanosatelliitteja kartoittamaan Maata. CNRS:n ensimmäinen satelliitti PicSat lähetettiin kiertoradalle 12. tammikuuta[i] Intian avaruusjärjestön kantoraketilla. Projektin vastuuhenkilö, astrofyysikko Sylvestre Lacour Pariisin observatorion avaruustutkimuksen ja astrofysikaalisten havaintovälineiden laboratoriosta[ii] kertoo eksoplaneetta Beta Pictoris b:n tarkkailua varten suunnitellusta täysin uudenlaisesta projektista.

Mistä PicSat-projektissa on kyse?

Sylvestre Lacour: PicSat-projektissa lähetettiin vain noin kolmekymmentä senttimetriä pitkä nanosatelliitti tarkkailemaan eksoplaneetta Beta Pictoris b:tä, kun se kulkee tähtensä editse. Tämä ylikuluksi kutsuttu ilmiö tapahtuu vain kerran joka kahdeksastoista tai joka kolmaskymmeneskuudes vuosi. Sen pitäisi tuoda meille lisää tietoa planeetasta. Tällaisia eksoplaneettoja on mahdotonta tarkkailla suoraan, koska ne heijastavat liian vähän valoa. Käytännössä PicSat-satelliitti koostuu kolmesta, sivuiltaan kymmenen senttimetrin pituisesta kuutiomoduulista, jotka sisältävät miniatyyriteleskoopin, valokuidun ja fotoni-ilmaisimen. Mittaamalla tähden valovirran vaihteluita ylikulun aikana saamme tietoa planeetan tarkasta koosta, voimme päätellä sen tiheyden ja ymmärtää sen koostumusta paremmin.

 

Läpimitaltaan viiden senttimetrin kokoinen teleskooppi (kuvassa vasemmalla) ja valokuitu (keskellä) asennettuina nanosatelliittiin. Fotoni-ilmaisin ei näy kuvassa. ©The PicSat Team /LESIA/OBSPM

Mikä tekee eksoplaneetta Beta Pictoris b:stä niin kiinnostavan?

Lacour: Sen tähti Beta Pictoris on erittäin kirkas ja suhteellisen lähellä meitä, 63 valovuoden päässä, mikä helpottaa sen tarkkailua. Tähti on ennen kaikkea hyvin nuori. Aurinkomme on 4,5 miljardia vuotta vanha, kun taas tämä tähti vain 23 miljoonan vuoden ikäinen. Planeetta on siis edelleen muodostumisvaiheessa. Siksi olemmekin kiinnostuneita sen koostumuksesta sekä planeetan ja esiplanetaarisen kiekon välisestä vuorovaikutuksesta niiden kiertäessä tähteä. Saamme myös tietää, onko planeetalla renkaita. Kaikki nämä havainnot auttavat tarkentamaan planeettojen muodostumista ja kehitystä kuvaavia malleja.

Mitä hyötyä nanosatelliitista on astrofysiikan laboratorioille?

Lacour: Normaalisti avaruushankkeet vievät noin kolmekymmentä vuotta eli lähes tutkijan koko uran ajan. Se voi olla hyvin turhauttavaa. Nanosatelliitteihin asennettavien instrumenttien pienentäminen on tarjonnut paljon nopeamman ja edullisemman vaihtoehdon suurille avaruushankkeille.

PicSat-satelliitti toimii kiertoradallaan yhden vuoden ajan. Projekti kesti kolme vuotta rahoituksesta laukaisuun, ja sen budjetti oli yhteensä 1,5 miljoonaa euroa[i]. Tällaiseen projektiin kuluu siis kymmenesosa siitä ajasta ja viidesosa niistä kuluista, joita perinteiseen avaruushankkeeseen kuluisi. PicSat-projektilla ei kuitenkaan pystytä tekemään kaikkea sitä, mikä on mahdollista suurelle hankkeelle. Tähtitieteen alan instrumentit tarvitsevat suuren keräyspinta-alan vastaanottaakseen maksimimäärän fotoneja. Suurilla instrumenteilla pystytään tarkkailemaan kaikista heikoimpiakin tähtiä, mutta silloin satelliittienkin pitää olla suuria. Pyrimme pikemminkin täydentämään perinteisiä suuria hankkeita tällaisilla pienemmillä projekteilla, joiden tieteelliset tavoitteet ovat vaatimattomampia, ja joissa tarkkaillaan vain kirkkaimpia tähtiä.

Tähtitiede ei kuitenkaan ole ainoa tieteenala, joka on kiinnostunut nanosatelliiteista. Myös ympäristötieteet ovat hyödyntäneet tätä hädin tuskin kymmenen vuotta vanhaa teknologiaa. Vuonna 2017 kansainvälisen QB50-hankkeen yhteydessä avaruuteen lähetettiin 36 CubeSat-satelliitin parvi, jonka tarkoituksena oli kartoittaa termosfäärin alaosan kaasupitoisuuksia. Satelliiteista kaksi oli ranskalaisten yliopistojen suunnittelemia. PicSat ei siis ole ensimmäinen ranskalaisten lähettämä nanosatelliitti, mutta se on kiistatta CNRS:n esikoinen.

PicSat-satelliittia kootaan LESIA:ssa. Nanosatelliitit rakennetaan joko yhdestä tai useammasta 10 x 10 x 10 cm -kokoisesta moduulista. ©The PicSat Team /LESIA/OBSPM

Miten PicSat-satelliitin laukaisu käytännössä tapahtuu?

Lacour: PicSat lastataan Intian avaruustutkimusjärjestön PSLV-kantorakettiin. Nämä polaarisatelliitit kiertävät maata matalalla aurinkosynkronisella radalla, minkä ansiosta niiden valaistusolosuhteet pysyvät jatkuvasti samanlaisena. Aurinkosynkronisella radalla satelliitit eivät myöskään kärsi niiden laitteita vahingoittavista suurista lämpötilanvaihteluista. Laukaisun valmistelutoimenpiteissä edettiin varsin nopeasti. Lähetimme satelliitin Intiaan joulukuun puolivälissä ja se lastattiin PSLV-C40-kantorakettiin saman kuukauden 27. päivänä. Itse laukaisu suunniteltiin kaksi viikkoa myöhemmäksi. Kaiken kaikkiaan satelliitin valmistumisesta meni siis vain kuukausi siihen, kun se laukaistiin avaruuteen Etelä-Intiasta, Chennain lähellä sijaitsevasta Satish-Dhawan avaruuskeskuksesta. Tämä on mahdollista CubeSat-standardin ansiosta. Sen etuna on, että CubeSat-moduuleita voi vaihtaa aivan viime hetkeen asti ja että niistä rakennettu satelliitti voidaan laukaista perinteisessä kantoraketissa. Kymmeniä muita nanosatelliitteja ja yksi isompi satelliitti – se, jolla maksetaan suurin osa laukaisun kuluista – lähetetään samalla raketilla.

Miten eksoplaneettaa tarkkaillaan satelliitista, joka kulkee Maata kiertävällä radalla?

PicSat asettuu kiertämään Maata 505 kilometrin korkeudelle, eli yli sata kilometriä korkeammalle kuin kansainvälisen avaruusaseman kiertorata. Tältä korkeudelta PicSat pystyy jatkuvasti tarkkailemaan Beta Pictoris -tähteä. Näin varmistetaan, ettei ylikulku jää havaitsematta, sillä sen tarkkaa ajankohtaa ei tunneta edes kuukauden tarkkuudella. Jos tähteä tarkkailtaisiin Maan pinnalta, päivän ja yön vaihtelu aiheuttaisi ongelmia, samoin kuin se, ettei tähteä voi havaita pohjoiselta pallonpuoliskolta. Eksoplaneettojen tarkasteluun on jo toki olemassa satelliitteja, kuten Ranskan avaruusjärjestön (CNES) tiedesatelliitti CoRoT tai NASAn Kepler. Pian sellainen on myös Euroopan avaruusjärjestöllä (ESA), joka laukaisee Cheops-satelliitin tänä vuonna. Yksikään niistä ei kuitenkaan keskity yhteen tiettyyn taivaankappaleeseen. PicSat on lisäksi ensimmäinen CubeSat-pohjainen eksoplaneetan tutkimusprojekti.

PicSat on valmiina tarkkailemaan eksoplaneetta Beta Pictoris b:n ja Beta Pictoris -tähden (kuvassa keskellä) ylikulkua vuoden ajan. ESO/A.-M. Lagrange ym.´© ESO/A.-M. Lagrange et al.

Mitä riskejä projektiin liittyy?

Emme ole varmoja, tuleeko itse Beta Pictoris b -planeetta kulkemaan tähden editse, mutta planeetan Hillin pallo tulee väistämättä tekemään niin. Hillin pallolla tarkoitetaan aluetta, jolla kyseisen taivaankappaleen vetovoima hallitsee ja jolla sen kaikki satelliitit ovat. Olimme tietoisia tästä epävarmuudesta jo aivan projektin alussa, mutta juuri CubeSat-satelliittityypin ansiosta riskinotto oli mahdollista. Perinteisissä avaruushankkeissa, jotka ovat pitkäkestoisia ja kalliita, tällainen riskinotto ei tulisi kuuloonkaan. Jos emme voi havainnoida suoraan Beta Pictoris b -planeettaa, aiomme hyödyntää PicSatia tekemällä muita tieteellisiä tutkimuksia, kuten tutkia eksokomeettoja Beta Pictoris b:tä kiertävällä radalla. Mikäli Beta Pictoris b:llä on renkaita, ne saattavat kulkea Beta Pictoris -tähden editse, vaikka itse planeetta ei sitä tekisikään. Tällöin voisimme puolestamme tarkkailla niitä.

Käytännön syistä PicSat-satelliittia ohjataan Pariisin observatoriosta, joka sijaitsee Pariisin liepeillä olevassa Meudonin kunnassa. Tiimi on yhteydessä satelliittiin vain kymmenkunta minuuttia kerrallaan ja kokonaisuudessaan puoli tuntia päivässä. Maksimoidaksemme yhteyden satelliittiin teemme yhteistyötä radioamatöörien kanssa ympäri maailman. Radioamatöörit ovat antaneet meille luvan käyttää heidän taajuuksiaan. Vastineeksi olemme sitoutuneet antamaan heille avoimen pääsyn satelliitista saatavaan tutkimusdataan sekä ohjeistamaan sen vastaanottamista ja tulkitsemista. Toivomme, että PicSatista tulee yhteisöllinen tiedeprojekti.

 

Ranskankielisestä artikkelista suomentaneet:

Nora Kahanpää, Marianne Kaltiokumpu-Blomgrén, Linda Karjalainen ja Noora Niemelä (Monikielisen käännösviestinnän maisteriopiskelijoita Turun yliopistosta)


[1] Laukaisu tapahtui aamulla klo 04.58 Ranskan aikaa.

[1] Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique, LESIA. Yksikkö: CNRS/Pariisin observatorio/yliopisto Paris-Diderot/Pierre ja Marie Curien yliopisto/yliopisto Versailles-Saint-Quentin/CNES.

[1] PicSat-projekti rahoitettiin Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) Sylvestre Lacourille myönnetyllä Starting Grant -apurahalla.