1. А.В.Тавров Современные проекты отечественных космических телескопов для планетных и экзопланетных исследований: научные задачи и приборный состав. ПГУ Апатиты 2013. 16-19 апреля.

2. Основания для работ 1.Официальное: Телескоп «Планетный мониторинг» в составе «Долгосрочной программы» экспетиментов на МКС (срок службы МКС продлен до 2020 г.) Телескоп «Звездный патруль» преложен к включению в ФКП (с 2015 г.) 2. Неофициальное: научный интерес непосредственного наблюдения и спектрального исследования экзопланет

3. Эксперимент «ПЛАНЕТНЫЙ МОНИТОРИНГ» МОНИТОРИНГ ПЕРЕМЕННЫХ ЯВЛЕНИЙ НА ПЛАНЕТАХ С БОРТА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ Эксперимент по наблюдению (1) планет и малых тел Солнечной системы и (2) технологической отработке непосредственного наблюдения экзопланет Телескоп с диаметром зеркала 60 см. ЗАЩИТА ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТА (июль 2012 г.), сейчас ТЭО Состояние работ: (1) Мороз В. И. 1931—2004

4. НИР «Проработка научных задач отечественного эксперимента поиска экзопланет земного типа в части проработки научных задач и предварительного проектного облика космического телескопа «Звездный патруль». Проработка приборного состава и научно- техническое обоснование основных характеристик научной аппаратуры орбитальной обсерватории «Звездный патруль», договор от 13.02.2013 № 1470// (203-1205-2012)-1322/ 39-2013, 12.2012 - 10.2013 (СЧ НИР «Магистраль» (Облик), госконтракт от 06.12.2012 № 851-2131/12) Этап 1. Состояние работ: (2)

5. Орбитальная обсерватория «Звездный патруль» – это долгоживущий КА на высокооэлиптической орбите или в либрационной точке системы двух тел Солнце-Земля (L2) со стабилизированной платформой для размещения КНА: оптического телескопа метрового класса (диаметр главного зеркала 1,5 м) с дифракционным разрешением не хуже 0.1 секунды дуги в оптическом диапазоне видимого и ближнего ИК с фотометрическими, спектральными и поляриметрическими инструментами. От технологического прототипа на МКС (КЭ «Планетный Мониторинг») к автоматическому КА орбитальной обсерватории «Звездный патруль»

6. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Народное Хозяйство Астероидная опасностьАстероидная опасность Космический мусорКосмический мусор Наблюдение событий на орбите и т. п.Наблюдение событий на орбите и т. п. Предварительные научные задачи, решаемые космической обсерваторией: 1.Поиск и исследование экзопланет в зоне обитания, протопланетных дисков, окрестностей ближайших звезд, 2.Исследование объектов и явлений в Солнечной системе, 3.Мониторинг и предупреждение опасных небесных тел: метеоритов и астероидов.МарсВенера Планеты гиганты Экзосфера Луны Экзопланеты в зоне обитания, Протопланетные диски, Окрестности ближайших звезд, спектральные и поляриметр. исследования

7. Марс Водяной пар и изотопное отношение DO/H 2 O Метан Озон Пылевые бури и облака Современная планетология и климатология изучает внутреннее строение, поверхности и атмосферы планет, их физику и химию. Для этого используются как экспериментальные методы, совмещающие наземные астрономические наблюдения, так и методы дистанционного зондирования планет с межпланетных космических аппаратов, современные методы обработки данных, а также развиваются теоретические модели. Результаты наземных и орбитальных наблюдений успешно дополняют друг друга. Наиболее доступными для мониторинга являются атмосферы планет земной группы, планет-гигантов и спутников планет  долговременный мониторинг для прецизионного спектрального анализа Современная планетология и климатология изучает внутреннее строение, поверхности и атмосферы планет, их физику и химию. Для этого используются как экспериментальные методы, совмещающие наземные астрономические наблюдения, так и методы дистанционного зондирования планет с межпланетных космических аппаратов, современные методы обработки данных, а также развиваются теоретические модели. Результаты наземных и орбитальных наблюдений успешно дополняют друг друга. Наиболее доступными для мониторинга являются атмосферы планет земной группы, планет-гигантов и спутников планет  долговременный мониторинг для прецизионного спектрального анализаВенера Серные компоненты Уф поглотитель Ночные свечения Динамика атмосферы Ледяные спутники планет Кометы: состав Вспышки в атмосферах планет Планеты гиганты Экзосфера Луны Метеорные потоки

8. Косми-ческая обсерва-тория Стра-наДата за-пускаДата окончания функцио-нирования Диа-метр, смДиапа-зон длин волн, мкм IUE (International UV explorer) NASA, ESA Янв. 19781996450,11-0,32 АстронСССРМарт 19831989800,114-0,34 COBE (DIRBE)NASA, США Нояб 1989Сентябрь 1990191.25-240 Hubble Space Telescope NASA/ ESA Апрель 1990После 20142400.115-2.5 ISOESA, NASA, JAXA Ноябрь 1995Май 1998602.5-240 SpitzerNASA, США Август 2003По наст. момент853.6-106 AkariJaxa, Япония Апрель 2006Ноябрь 201168,51.7-180 SOFIANASA, DLR Декабрь 2010По наст. момент270(250)0,3-1600 James Webb Space Telescope NASA, США 2018По наст. моментОколо 6500,6-28 Мировой опыт создания аппаратуры космических телескопов для исследования планет в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне

9. КЭ «Планетный мониторинг» «Мониторинг переменных явлений на планетах с борта международной космической станции» Состав КНА МПТ Телескоп Т-600; внутренний электронный блок (ССНИУ); научные приборы (планетный фотометр (ПФ); инфракрасный спектрометр высокого разрешения (ИКСВР); ахроматический коронограф (АК); спектрополяриметр (СП); статический Фурье-спектрометр (СФС)) ; служебные системы (система управления крышкой телескопа (КТ); система раздачи светового потока (СРСП); звездный датчик (ЗД);солнечный датчик (СД); система углового поднаведения (СУПдН))... БУГ Формирует команды управления и выдает их в ССНИУ установленного в МПТ, а также обеспечивает прием и накопление служебных и научных данных, получаемых от КНА ПМ, с последующей их передачей в служебные системы РС МКС для передачи на Землю. Установка МПТ вне ГО на двухстепенной платформе наведения ДПП. БУГ внутри гермоотсека РС МКС Режимы работы Мониторинг на темной стороне орбиты Для наблюдений на светлой стороне орбиты используется солнечный датчик и маркируются блики от элементов конструкции станции. Планируемое время экслуатации 3 года (2016-2019 г) или больше СВР БУСД БУГМПТ

10. Зеркала и оптическая схема телескопа Т-600 Оптическая схема и аберрационный анализ системы Ричи-Кретьена Коррекция наклона телескопа наклоном вторичного зеркала Качество волнового фронта после компенсации наклона на ±8 угловых минут ~λ/10 Материалы, используемые для зеркал современных телескопов: – силикатные (стекло, ситалл, кварц, кремний); – металлические (алюминий, титан, медь, бериллий); композиционно-керамические (карбид кремния SiC – композиционно-керамические (карбид кремния SiC) сочетание очень низкого КТР 2,8·10–6 градус–1 (сравнимого с КТР инвара: 1,5·10–6 градус–1), с очень высокой теплопроводностью, дает возможность конструировать сборки, которые почти не чувствительные к изменениям температуры и градиенту температуры

11. Зеркала телескопа Т-600 Главное зеркало Вторичное зеркало

12. Телескоп в целом Телескоп Т600 Общий вид телескопа Т600 (бленда в сложенном и рабочем положении) Переходник Телескоп Т600 в разрезе Вариант размещения инструментов а КФА

13. Оптико-механический блок системы раздачи светового потокаСРСП Платформа поднаведения (ПдН) предназначена для прецизионной коррекции линии визирования телескопа Т-600 контролируемым перемещением (наклонением и сдвигом) вторичного зеркала телескопа Системы телескопа Звездный датчик Термостабилизация Солнечный датчик

14. Размещение КНА «Планетный мониторинг» Поле зрения Двухосная поворотная платформа

15. Требование по спектральному разрешению > 20000 Характеристики ИКСВР Параметр Канал высокого разрешенияКанал низкого разрешения Спектральный диапазон 1000 – 4000 нм1000 – 3500 нм Разрешающая сила, ( /∆ ) не менее 20000не менее 300 Поле зрения 0,02×2 угл. мин акустооптический перестраиваемый фильтр (АОПФ) TeO 2, частота 20-80 МГц, ширина апп. функции 20±0,5 см -1, эффективность 25% на 3390нм TeO 2, частота 20-80 МГц, ширина апп. функции 20±0,5 см -1, эффективность 25% на 3390нм Эшелле-решетка Newport/RGL 24,355 штр/мм, угол блеска 70°, рабочая обл. 46×96 мм АОПФ используется как монохроматор, решетка не используется Детектор Матрица КРТ 320×256 элементов площадью 30×30 мкм. Холодильная машина Стирлинга Вариант 1. InGaAs фотодиод Ø 1 мм охлажд. - 40 °С Вариант 2. Фотодиод на основе InPAs Энергопотребл., ВтДежурный режим 2 Вт. Рабочий режим 15 Вт средн. Масса. Габар. размеры. Не более 4 кг300 х 250 х 100 мм #1/5#1/5 1. Инфракрасный спектрометр высокого разрешения (ИКСВР)

16. Эшелле-спектрометр, с разделением дифракционных порядков в акустооптическом перестраиваемом фильтре Прототип ИКСВР (вид со стороны оптического входа) Оптическая схема ИКСВР → Блок АОПФ↓ Трехмерная модель: расположение основных внутренних элементов прибора ИКСВР #1/5#1/5

17. Блок Спектрополяриметра (СП) и Статического Фурье спектрометра (СФС) Оптическая схема СФС Блок анализатора Оптико-механические блоки СП и СФС Блок СП и СФС

18. Требование по спектральному разрешению > 20000 4. Планетный фотометр с колесом светофильтров: назначение ПФ – камера поля, – камера подсмотра поля зрения инструмента, – гидирование. Количество пикселей ПЗС матрицы, не менее1530х1020 Размер пикселя, не менее6 мкм Размеры матрицы, не менее 30  30 мм Угловое разрешение, не менее0,2 угл. с (0,077” на пиксель) Фильтры (основные)U, V, B, G, R, I Длительность экспозицииМенее 1 с Шум считывания, не более15 e - RMS Темновой ток, не более0,5 e - c -1 при 0 0 С Ток насыщения (на 1 элемент/binning 2  2), не менее 40000/160000 без функции anti-blooming 85000/370000 c anti-blooming Дополнительные возможностиУстранение затекания заряда (anti-blooming) Объединение элементов (binning): 2  2 и 3  3 #4/5#4/5

19. Требование по спектральному разрешению > 20000 5. Ахроматический Коронограф Основные характеристики АК: Спектральный диапазон, не менее450-3500 нм – камеры (ФППЗ) АК и подсмотра: 450..900 нм – на ИКСВР 900..3500 нм Поле зрения, не менее: – камера (ФПЗ) АК: 5 угл. сек. – камера (ФПЗ) подсмотра: 10 угл. сек. Разрешение, не менее: 0,01 угл. сек. Коронографические характеристики: – коронографический контраст, не хуже: 10 4 – внутренний рабочий угол (IWA): 1 радиус Эйри – внешний рабочий угол (OWA), не менее: 10 радиусов Эйри Спектральное разрешение (после ИКСВР канала низкого разрешения), 20 нм Динамический диапазон электронного тракта, 16 бит #5/5#5/5 Для отработки наблюдений экзопланет экзопланет на 60 см телескопе

21. Более 850 экзопланет. Телескоп Кеплер более 2000 кандидатов. Методы в обнаружения экзопланет, согласно данным международных конференций, публикаций, обновляемому интернет каталогу (Дж. Шнайдер): http://exoplanet.eu/catalog.php: 1.Методы измерения лучевых скоростей 2.Методы транзитов 3.Микролинзирование 4.Пульсар 5.Оптическое изображение экзопланет Метод лучевых скоростей Метод транзитов Оптическое изображение

22. Возможно ли наблюдать непосредственно экзопланету на орбите вокруг зведы? Кто за рулем он или она ? А для звезд…

23. Angular co-ordinate ФРТ звезды Intensity flux ФРТ планеты 1. Разрешение  1 а.е., на 5 парсек возможно пространственно разрешить телескопом Ø 1 м. на λ =1 мкм Star (background) Planet (target)  10 6-7  10 9-10 IR Visible 7.10 6 5.10 9 2. Динамический диапазон 10 10 λ=0.5..1 мкм и 10 6 ИК at λ>10 мкм

24. Посетите доклады: 1.П.Н.Фролов Арсенал интерференционных звездных коронографов для непосредственного наблюдения экзопланет 2.Б.Б.Шкурский Теоретические характеристики и технические возможности коррекции волнового фронта космического телескопа для наблюдения экзопланет

25. Научные задачи звездной коронографии планет должны ответить на следующие, пока невыясненные фундаментальные вопросы: Сколько планет обращаются вокруг звезды? Какие механизмы формирования и эволюции планет? Какие основные физические параметры планет: масса, размер, состав? Что на поверхности планет: скалы, атмосферы? Есть ли свидетельства жизни на других планетах?

26. Спектры некоторых планет Солнечной Системы Юпитер Нептун Земля с облаками Земля без облаков Длина волны, мкм Спектральное разрешение R~20..40 ?? Как выглядят планеты земной группы ?? Пара Земля-Луна, Марс, Венера, Земля и Луна по отдельности, в зависимости от наклонения орбиты, суточных, годовых вариаций...

27. Элементы КНА космического телескопа

28. Фурье-спектрометр Фурье-спектрометр …для малого спектрального разрешения и долгой экспозиции Anisotropy causes dispersion OPD=(n o -n e ) x d Fourier Spectral Interferometry (FSI) with a Babinet-Soleil compensator Just common-path schematic makes interferometer stable during a long exposure Variable spectral resolution Another FSI advantages...

29. Поляризация – излучение звезды неполяризовано, излучение планеты поляризовано Призмы Фостера Поляризационный анализ спектральном окне 0.3…2.3 мкм Поляризационный анализ возможен в спектральном окне: 0.3…2.3 мкм

30. Поляризация – излучение звезды неполяризовано, излучение планеты поляризовано

31. Контраст планета – звезда на примере Солнечной системы : в видимом диапазоне длин волн: Земля – Солнце в 10 10 раз; в видимом диапазоне: Юпитер – Солнце 10 9 раз; в ИК диапазоне, на длине волны 10 микрон Земля – Солнце 10 6 раз. объекты подобные Земле с расстояния в 10 парсек будут выглядеть как объекты 29 m Коронографическое изображение планетной системы GJ758 телескопом 8.2 м. Субару с инструментом HiCIAO  ( АО) адаптивная оптика Коронографическое изображение планетной системы GJ758 телескопом 8.2 м. Субару с инструментом HiCIAO  ( АО) адаптивная оптика. Коронографическое изображение двойной звезды

32. Необходимость использования адаптивной оптики Коронографические контрасты и точность волнового фронта для экзопланетных наблюдений на примере планет Солнечной системы, удаленных на расстояние 10 парсек на длине волны 750 нм, IWA=2λ/D λ/10000

33. Основные технические требования к НА в части наблюдения экзопланет Исходные данные к КНА телескоп-коронограф-спектрограф ПараметрЗначение Диаметр телескопа, м1,5 Спектральный диапазон, нм  видимый  ближний ИК 450..900 1000..2500 Спектральное разрешение R (λ=675 нм)50 Число спектральных каналов35 (в видимом диапазоне) Ширина спектрального канала ∆λ, нм~13 Среднеквадратичная ошибка волнового фронта (λ=675 нм), нм15 Амплитудная ошибка по полю0,1% Число активных элементов АО64х64 Пропускание коронографа23 % Квантовая эффективность ПЗС матрицы70 % Максимальное время экспозиции, ч200 Шум чтения ПЗС, электрон на пиксел0,2 Время «короткой» экспозиции, с1000 Уровень зодиакального света, зв. вел./угл. сек 2 23,1 Экзозодиакальный свет, зв. вел./угл. сек 2 23,1

34. Либрационная точка L2 Лагранжа Орбита КА Высокоэллиптическая орбита Максимальное время экспозиции, ч200

35. Телескоп на баллоне на 30..40 км в Антарктиде или в полярных широтах Телескоп астронома – любителя 20 см.  отработка- демонстрация

36. Ахроматический коронограф: λ=0.45..2.3 μm Схема интерференционного коронографа Планета Звезда и планета Темный выход Светлый выход Макет и эксперимент

37. коронографический контраст 10 6 на первом дифракционном кольце В эксперименте достигнут коронографический контраст 10 6 на первом дифракционном кольце  Bright signal, 1/100000 attenuated.

38. Миниатюризация и устранение механических настроек

39. Ну это все техника, а где же здесь физика ? /вопрос преподователя ФизТех в 1990/

40. пространственной когерентности Недостаточная степень пространственной когерентности так как звезда – протяженный источник света см. Roddier… измерил диаметры ближайших звезд Breckinridge 1972 Alpha Orionis (Betelgeuse) [Roddier and Roddier 1983, Roddier and Roddier 1985]

41. Small telescopes (1m): coronagraphic contrast ~10 5, throughput ~ 25 % Small telescopes (1m): coronagraphic contrast ~10 10, throughput ~10 % coronagraphic contrast ~10 10, throughput ~ 10 % Larger telescopes (8 m): coronagraphic contrast ~10 8, throughput ~20 % Larger telescopes (8 m): coronagraphic contrast ~10 8, throughput ~ 20 % Улучшение степени пространственной когерентности звезды Улучшение недостаточной степени пространственной когерентности источника света – звезды IWA - Inner Working Angle CP-AIC TCP-AIC 0.75 λ/D Variable angle ARC 2..5 λ/D IWA

42. Календарный план КЭ «Планетный мониторинг»

43. Планы использования результатов НИР «Звездный Патруль» Планируемый ОКР 2016-2022 Старт 2022

44. Платформа орбитальной обсерватории: КА «Навигатор» Ok http://www.oact.inaf.it/wso/ wic-jun06/28_06/NV-platform-rus.ppt#3 масса научной аппаратуры 500...1500 kg точность линии визирования ± 2 угл. мин (грубо) / ± 2.5 угл. сек при стабилизации КА

45. Что я хотел сказать... Орбитальная обсерватория «Звездный патруль» – это долгоживущий КА на высокооэлиптической орбите или в либрационной точке системы двух тел Солнце-Земля (L2) со стабилизированной платформой для размещения НА: оптического телескопа метрового класса (диаметр главного зеркала 1,5 м) с дифракционным разрешением не хуже 0.1 секунды дуги в оптическом диапазоне видимого и ближнего ИК с фотометрическими, спектральными и поляриметрическими инструментами. Проведено научное исследование по проработке научных задач отечественного эксперимента поиска экзопланет земного типа и по проработке предварительного проектного облика космического телескопа «Звездный патруль», содержащего рекомендации приборного состава и научно-техническое обоснование основных характеристик научной аппаратуры орбитальной обсерватории «Звездный патруль» Прогнозируемый вклад в развитие отечественной науки и социально- экономической сферы страны: 1.развитие планетологии и метеорологии, 2.поиск планет земного типа и других миров, потенциально пригодных для поисков жизни, 3.технологическое развитие методов внеатмосферной астрономии, 4.участие в мониторинге малых тел Солнечной системы в части астероидной и метеоритной безопасности Заключение

47. 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 Habitable zone The companion appears clearly in the coronagraphic image