Observatorio espacial Herschel

Observatorio espacial Herschel

Modelo del Observatorio Herschel
Nombres	Telescopio de infrarrojo lejano y submilimétrico
Tipo de misión	Telescopio espacial
Operador	ESA  / NASA
Identificación de COSPAR	2009-026K
SATCAT N.º	34937
Sitio web	www.esa.int/herschel
Duración de la misión	Planificado: 3 años Final: 4 años, 1 mes, 2 días [1]
Propiedades de las naves espaciales
Fabricante	Thales Alenia Space
Lanzamiento masivo	3.400 kg (7.500 libras) [2]
Masa de carga útil	Telescopio: 315 kg (694 lb) [2]
Dimensiones	7,5 m × 4,0 m (25 pies × 13 pies) [2]
Fuerza	1 kW
Inicio de la misión
Fecha de lanzamiento	14 de mayo de 2009, 13:12:02 UTC ( 14/05/2009 UTC 13:12:02 )
Cohete	Ariane 5 ECA
Sitio de lanzamiento	Centro Espacial de Guayana , Guayana Francesa
Contratista	Espacio Ariane
Fin de la misión
Desecho	Desmantelado
Desactivado	17 de junio de 2013, 12:25 UTC [3] ( 17 de junio de 2013 UTC 12:26 )
Parámetros orbitales
Sistema de referencia	L 2  puntos (1.500.000 km / 930.000 mi)
Régimen	Lissajous
Telescopio principal
Tipo	Ritchey–Chrétien
Diámetro	3,5 m (11 pies) f /0,5(espejo primario) [4]
Longitud focal	28,5 m (94 pies) f /8,7[4]
Área de recolección	9,6 m2 ( 103 pies cuadrados)
Longitudes de onda	55 a 672 μm ( infrarrojo lejano )
Instrumentos DE ALTA FIDELIDAD Instrumento heterodino para el infrarrojo lejano PACÍFICOS Cámara y espectrómetro de matriz de fotodetectores AGUJA Receptor de imágenes espectrales y fotométricas
Insignia de astrofísica de la ESA para Herschel Horizonte 2000

El Observatorio Espacial Herschel fue un observatorio espacial construido y operado por la Agencia Espacial Europea (ESA). Estuvo activo de 2009 a 2013, y fue el telescopio infrarrojo más grande jamás lanzado hasta el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb en 2021. ^[5] Herschel lleva un espejo de 3,5 metros (11,5 pies) ^{[5] [6] [7] [8]} e instrumentos sensibles al infrarrojo lejano y a las bandas de ondas submilimétricas (55–672 μm). Herschel fue la cuarta y última misión fundamental del programa Horizonte 2000 , después de SOHO / Cluster II , XMM-Newton y Rosetta .

El observatorio fue puesto en órbita por un Ariane 5 en mayo de 2009, alcanzando el segundo punto de Lagrange (L2) del sistema Tierra-Sol , a 1.500.000 kilómetros (930.000 mi) de la Tierra, unos dos meses después. Herschel debe su nombre a Sir William Herschel , el descubridor del espectro infrarrojo y del planeta Urano , y a su hermana y colaboradora Caroline Herschel . ^[9]

El observatorio fue capaz de ver los objetos más fríos y polvorientos del espacio; por ejemplo, los capullos fríos donde se forman las estrellas y las galaxias polvorientas que están empezando a llenarse de nuevas estrellas. ^[10] El observatorio examinó las nubes de formación de estrellas (las "cocinas lentas" de los ingredientes de las estrellas) para rastrear el camino por el cual se forman las moléculas potencialmente formadoras de vida, como el agua.

La vida útil del telescopio dependía de la cantidad de refrigerante disponible para sus instrumentos; cuando se agotaba dicho refrigerante, los instrumentos dejaban de funcionar correctamente. En el momento de su lanzamiento, se estimó que las operaciones durarían 3,5 años (hasta finales de 2012). ^[11] Continuó funcionando hasta el 29 de abril de 2013 a las 15:20 UTC, cuando Herschel se quedó sin refrigerante. ^[12]

La NASA fue socio de la misión Herschel, y los participantes estadounidenses contribuyeron a la misión, proporcionando tecnología de instrumentos que posibilitaron la misión y patrocinando el Centro de Ciencias Herschel de la NASA (NHSC) en el Centro de Procesamiento y Análisis de Infrarrojos y la Búsqueda de Datos Herschel en el Archivo de Ciencias de Infrarrojos . ^[13]

En 1982 se propuso a la ESA el telescopio de infrarrojo lejano y submilimétrico ( FIRST ) . El plan de política a largo plazo de la ESA "Horizonte 2000", elaborado en 1984, exigía una misión de espectroscopia heterodina de alto rendimiento como una de sus misiones fundamentales. En 1986, se adoptó el FIRST como esta misión fundamental. ^[14] Se seleccionó para su implementación en 1993, tras un estudio industrial realizado entre 1992 y 1993. El concepto de la misión se rediseñó desde la órbita terrestre hasta el punto de Lagrange L2, a la luz de la experiencia adquirida en el Observatorio Espacial Infrarrojo [(2,5–240 μm) 1995–1998]. En 2000, el FIRST pasó a llamarse Herschel. Tras su licitación en el año 2000, las actividades industriales comenzaron en 2001. ^[15] Herschel se lanzó en 2009.

La misión Herschel costó 1.100 millones de euros . ^[16] Esta cifra incluye la nave espacial y la carga útil, los gastos de lanzamiento y misión, y las operaciones científicas. ^[17]

Herschel se especializó en recolectar luz de objetos del Sistema Solar , así como de la Vía Láctea e incluso de objetos extragalácticos a miles de millones de años luz de distancia, como galaxias recién nacidas , y se encargó de cuatro áreas principales de investigación: ^[18]

• La formación de galaxias en el universo temprano y la evolución de las galaxias;
• Formación de estrellas y su interacción con el medio interestelar ;
• Composición química de las atmósferas y superficies de los cuerpos del Sistema Solar, incluidos planetas , cometas y lunas ;
• Química molecular en el universo .

Durante la misión, Herschel "realizó más de 35.000 observaciones científicas" y "acumuló más de 25.000 horas de datos científicos de unos 600 programas de observación diferentes". ^[19]

La misión implicó el primer observatorio espacial que cubrió por completo la banda de ondas submilimétricas y del infrarrojo lejano . ^[18] Con 3,5 metros de ancho (11 pies), Herschel transportaba el telescopio óptico más grande jamás desplegado en el espacio. ^[20] No estaba hecho de vidrio sino de carburo de silicio sinterizado . El espejo en bruto fue fabricado por Boostec en Tarbes , Francia ; rectificado y pulido por Opteon Ltd. en el Observatorio de Tuorla , Finlandia ; y recubierto por deposición al vacío en el Observatorio de Calar Alto en España . ^[21]

La luz reflejada por el espejo se enfocó en tres instrumentos, cuyos detectores se mantuvieron a temperaturas inferiores a 2 K (−271 °C). ^[22] Los instrumentos se enfriaron con más de 2300 litros (510 gal imp; 610 gal EE.UU.) de helio líquido , que se evaporaba en un vacío cercano a una temperatura de aproximadamente 1,4 K (−272 °C). El suministro de helio a bordo de la nave espacial era un límite fundamental para la vida útil operativa del observatorio espacial; ^[8] originalmente se esperaba que estuviera operativo durante al menos tres años. ^[23]

Herschel llevaba tres detectores: ^[24]

PACS (Cámara y espectrómetro de matriz de fotodetectores)

Una cámara de imágenes y un espectrómetro de baja resolución que cubre longitudes de onda de 55 a 210 micrómetros , que fue diseñado y construido por el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre . El espectrómetro tenía una resolución espectral entre R = 1000 y R = 5000 y era capaz de detectar señales tan débiles como −63  dB . Funcionaba como un espectrógrafo de campo integral , combinando resolución espacial y espectral. La cámara de imágenes podía obtener imágenes simultáneamente en dos bandas (60-85/85-130 micrómetros y 130-210 micrómetros) con un límite de detección de unos pocos milijanskys . ^{[25] [26]}

SPIRE (Receptor de imágenes espectrales y fotométricas)

Una cámara de imágenes y un espectrómetro de baja resolución que cubre una longitud de onda de 194 a 672 micrómetros. El espectrómetro tenía una resolución entre R = 40 y R = 1000 en una longitud de onda de 250 micrómetros y era capaz de obtener imágenes de fuentes puntuales con brillos de alrededor de 100  milijanskys (mJy) y fuentes extendidas con brillos de alrededor de 500 mJy. ^[27] La ​​cámara de imágenes tenía tres bandas , centradas en 250, 350 y 500 micrómetros, cada una con 139, 88 y 43 píxeles respectivamente. Era capaz de detectar fuentes puntuales con brillos superiores a 2 mJy y entre 4 y 9 mJy para fuentes extendidas. Un prototipo de la cámara de imágenes SPIRE voló en el globo de gran altitud BLAST . El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, desarrolló y construyó los bolómetros de "tela de araña" para este instrumento, que es 40 veces más sensible que las versiones anteriores. El instrumento Herschel-SPIRE fue construido por un consorcio internacional compuesto por más de 18 institutos de ocho países, de los cuales la Universidad de Cardiff fue el instituto líder. ^[28]

HIFI (Instrumento heterodino para el infrarrojo lejano)

Un detector heterodino capaz de separar electrónicamente la radiación de diferentes longitudes de onda, dando una resolución espectral tan alta como R=10 ⁷ . ^[29] El espectrómetro fue operado dentro de dos bandas de longitud de onda, de 157 a 212 micrómetros y de 240 a 625 micrómetros. SRON Netherlands Institute for Space Research dirigió todo el proceso de diseño, construcción y prueba de HIFI. El Centro de Control de Instrumentos HIFI, también bajo el liderazgo de SRON, fue responsable de obtener y analizar los datos.

La NASA desarrolló y construyó los mezcladores, las cadenas de osciladores locales y los amplificadores de potencia para este instrumento. ^[30] El Centro Científico Herschel de la NASA , parte del Centro de Análisis y Procesamiento Infrarrojo del Instituto Tecnológico de California, también en Pasadena, ha contribuido con software de planificación científica y análisis de datos. ^[31]

Thales Alenia Space diseñó y construyó un módulo de servicio común (SVM) en su planta de Turín para las misiones Herschel y Planck , ya que se combinaron en un solo programa. ^[32]

Estructuralmente, los SVM de Herschel y Planck son muy similares. Ambos SVM tienen forma octogonal y, en ambos casos, cada panel está dedicado a alojar un conjunto designado de unidades de calentamiento, teniendo en cuenta los requisitos de disipación de calor de las diferentes unidades de calentamiento, de los instrumentos y de la nave espacial.

Además, en ambas naves espaciales se ha conseguido un diseño común para los sistemas de aviónica , los sistemas de control de actitud y medición (ACMS), los sistemas de mando y gestión de datos (CDMS), los subsistemas de potencia y el subsistema de seguimiento, telemetría y mando (TT&C).

Todas las unidades de naves espaciales en el SVM son redundantes.

En cada nave espacial, el subsistema de energía consta de un panel solar , que emplea células solares de triple unión , una batería y la unidad de control de energía (PCU). Está diseñado para interactuar con las 30 secciones de cada panel solar, proporcionar un bus regulado de 28 V, distribuir esta energía a través de salidas protegidas y gestionar la carga y descarga de la batería.

En el caso de Herschel, el panel solar está fijado en la parte inferior del deflector diseñado para proteger el criostato del sol. El sistema de control de actitud de tres ejes mantiene este deflector en la dirección del sol. La parte superior de este deflector está cubierta con espejos reflectores solares ópticos (OSR) que reflejan el 98% de la energía del sol , evitando el calentamiento del criostato.

Esta función la realiza el ordenador de control de actitud (ACC), que es la plataforma del ACMS. Está diseñado para cumplir con los requisitos de orientación y giro de la carga útil de Herschel y Planck .

La sonda espacial Herschel está estabilizada en tres ejes . El error de apuntamiento absoluto debe ser inferior a 3,7 segundos de arco.

El sensor principal de la línea de visión en ambas naves espaciales es el rastreador de estrellas .

La nave espacial, construida en el Centro Espacial Mandelieu de Cannes , bajo la administración de Thales Alenia Space , fue lanzada con éxito desde el Centro Espacial de Guayana en la Guayana Francesa a las 13:12:02 UTC del 14 de mayo de 2009, a bordo de un cohete Ariane 5 , junto con la nave espacial Planck , y colocada en una órbita muy elíptica en su camino hacia el segundo punto de Lagrangian . ^{[33] [34] [35] El} perigeo de la órbita fue de 270,0 km (previsto270,0 ± 4,5 ), apogeo 1.197.080 km (previsto)1 193 622 ± 151 800 ), inclinación 5,99 grados (prevista6,00 ± 0,06 ). ^[36]

El 14 de junio de 2009, la ESA envió con éxito la orden de abrir la criocubierta, lo que permitió al sistema PACS ver el cielo y transmitir imágenes en pocas semanas. La tapa tuvo que permanecer cerrada hasta que el telescopio se encontraba en el espacio para evitar la contaminación. ^[37]

Cinco días después, la ESA publicó el primer conjunto de fotografías de prueba, que representaban al Grupo M51 . ^[38]

A mediados de julio de 2009, aproximadamente sesenta días después del lanzamiento, entró en una órbita de halo de 800.000 km de radio promedio alrededor del segundo punto de Lagrange (L2) del sistema Tierra-Sol , a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. ^{[35] [39]}

El 21 de julio de 2009 se declaró que la puesta en servicio de Herschel había sido un éxito, lo que permitió el inicio de la fase operativa. Se anunció un traspaso formal de la responsabilidad general de Herschel del director del programa Thomas Passvogel al director de la misión Johannes Riedinger. ^[35]

Herschel fue fundamental en el descubrimiento de un paso desconocido e inesperado en el proceso de formación de estrellas. La confirmación inicial y posterior verificación con la ayuda de telescopios terrestres de un enorme agujero de espacio vacío, que anteriormente se creía que era una nebulosa oscura , en el área de NGC 1999 arrojó nueva luz sobre la forma en que las regiones de estrellas en formación desechan el material que las rodea. ^[40]

En julio de 2010 se publicó un número especial de Astronomy and Astrophysics con 152 artículos sobre los resultados iniciales del observatorio. ^[41]

En octubre de 2010 se publicó un segundo número especial de Astronomy and Astrophysics sobre el único instrumento HIFI, debido a una falla técnica que lo mantuvo fuera de servicio durante seis meses entre agosto de 2009 y febrero de 2010. ^[42]

El 1 de agosto de 2011 se informó de que el telescopio espacial Herschel había confirmado definitivamente la presencia de oxígeno molecular en el espacio, siendo la segunda vez que los científicos han encontrado la molécula en el espacio. El equipo Odin ya lo había informado anteriormente . ^{[43] [44]}

Un informe de octubre de 2011 publicado en Nature afirma que las mediciones de Herschel de los niveles de deuterio en el cometa Hartley 2 sugieren que gran parte del agua de la Tierra podría haber provenido inicialmente de impactos cometarios. ^[45] El 20 de octubre de 2011, se informó que se había descubierto vapor de agua fría equivalente al equivalente a un océano en el disco de acreción de una estrella joven. A diferencia del vapor de agua caliente, detectado anteriormente cerca de estrellas en formación, el vapor de agua fría sería capaz de formar cometas que luego podrían llevar agua a los planetas interiores, como se teoriza sobre el origen del agua en la Tierra . ^[46]

El 18 de abril de 2013, el equipo de Herschel anunció en otro artículo de Nature que había localizado una galaxia con brotes de formación estelar excepcional que producía más de 2000 masas solares de estrellas al año. La galaxia, denominada HFLS3 , está ubicada en z = 6,34 y se originó solo 880 millones de años después del Big Bang . ^[47]

Apenas unos días antes del final de su misión, la ESA anunció que las observaciones de Herschel habían llevado a la conclusión de que el agua en Júpiter había sido traída como resultado de la colisión del cometa Shoemaker-Levy 9 en 1994. ^[48]

El 22 de enero de 2014, los científicos de la ESA , utilizando datos de Herschel, informaron de la detección, por primera vez definitiva, de vapor de agua en el planeta enano Ceres , el objeto más grande del cinturón de asteroides . ^{[49] [50]} El hallazgo es inesperado porque normalmente se considera que los cometas , no los asteroides , "arrojan chorros y columnas". Según uno de los científicos, "las líneas entre cometas y asteroides se están volviendo cada vez más borrosas". ^[50]

El 29 de abril de 2013, la ESA anunció que el suministro de helio líquido de Herschel , utilizado para enfriar los instrumentos y detectores a bordo, se había agotado, poniendo así fin a su misión. ^[12] En el momento del anuncio, Herschel se encontraba aproximadamente a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Debido a que la órbita de Herschel en el punto L2 es inestable, la ESA quería guiar la nave en una trayectoria conocida. Los directivos de la ESA consideraron dos opciones:

• Coloque a Herschel en una órbita heliocéntrica donde no se encontraría con la Tierra durante al menos varios cientos de años.
• Guía a Herschel en su camino hacia la Luna para una colisión destructiva a alta velocidad que ayudaría en la búsqueda de agua en un polo lunar . Herschel tardaría unos 100 días en llegar a la Luna. ^[51]

Los gerentes eligieron la primera opción porque era menos costosa. ^[52]

El 17 de junio de 2013, Herschel fue desactivado por completo, sus tanques de combustible fueron vaciados a la fuerza y ​​el ordenador de a bordo fue programado para interrumpir las comunicaciones con la Tierra. La orden final, que cortó las comunicaciones, fue enviada desde el Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC) a las 12:25 UTC. ^[3]

La fase posterior a las operaciones de la misión continuó hasta 2017. Las principales tareas fueron la consolidación y el perfeccionamiento de la calibración de los instrumentos, para mejorar la calidad de los datos, y el procesamiento de los mismos, para crear un conjunto de datos validados científicamente. ^[53]

Tras la desaparición de Herschel , algunos astrónomos europeos han impulsado el proyecto conjunto europeo-japonés SPICA para el observatorio de infrarrojo lejano, así como la continuación de la colaboración de la ESA en el telescopio espacial James Webb de la NASA . ^{[12] [54]} James Webb cubre el espectro del infrarrojo cercano de 0,6 a 28,5 μm, y SPICA cubre el rango espectral del infrarrojo medio a lejano entre 12 y 230 μm. Si bien la dependencia de Herschel del refrigerante de helio líquido limitó la vida útil del diseño a alrededor de tres años, SPICA habría utilizado refrigeradores mecánicos Joule-Thomson para mantener las temperaturas criogénicas durante un período de tiempo más largo. La sensibilidad de SPICA debía ser dos órdenes de magnitud mayor que la de Herschel. ^[55]

El telescopio espacial Origins (OST) propuesto por la NASA también observaría en la banda de luz infrarroja lejana . Europa está liderando el estudio de uno de los cinco instrumentos del OST, el receptor heterodino para OST (HERO). ^[56]

• Gran Conjunto Milimétrico de Atacama (ALMA)
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• Harwit, M. (2004). "La misión Herschel". Avances en la investigación espacial . 34 (3): 568–572. Código Bibliográfico :2004AdSpR..34..568H. doi :10.1016/j.asr.2003.03.026.
• Dambeck, Thorsten (mayo de 2009). "Un lanzamiento, dos nuevos exploradores: Planck se prepara para diseccionar el Big Bang". Sky and Telescope . 117 (5): 24–28.

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• ESA
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• NASA
  • Sitio web de la misión Herschel Archivado el 29 de octubre de 2022 en Wayback Machine.
  • Centro de Ciencias Herschel
  • Archivo Herschel de la NASA/IPAC
• Sitio web de divulgación del Reino Unido