WISE (kompendium)

[Scorus]

WPROWADZENIE
Satelita astronomiczny WISE (Wide-Feld Infrared Survey Explorer, MIDEX/WISE) jest planowanym amerykańskim (NASA) pojazdem, którego celem będzie wykonanie przeglądu całego nieba w zakresie środkowej podczerwieni (3.5 - 23 mikronów) z czułością ponad 1000 razy lepszą od przeglądu satelity IRAS i 500 razy lepszą niż przegląd satelity Akari. Do celów naukowych misji zaliczają się: znalezienie większej ilości galaktyk intensywnie świecących w podczerwieni; wykonanie poszukiwań słabych gwiazd w pobliżu Słońca; wyrycie większości planetoid głównego pasa o średnicach powyżej 3 kilometrów; rozciągniecie przeglądu 2MASS do podczerwieni termalnej; umożliwienie badań szerokiego zakresu problemów astronomicznych, od formowania się planet w dyskach protoplanetarnych do formowania się gwiazd w normalnych galaktykach; oraz dostarczenie podstawowego katalogu dla Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba (James Webb Space Telescope - JWST). WISE zmierzy średnice ponad 100 000 planetoid, wykona obserwacje pyłu odpowiedzialnego za światło zodiakalne, oraz poszuka śladów pyłu kometarnego. Poza Układem Słonecznym dostarczy pełnego katalogu młodych gwiazd z dyskami protoplanetarnymi, oraz pasów drobnych ciał w układach planetarnych wokół starszych gwiazd. Wykona poszukiwania pobliskich brązowych karłów. Możliwe będzie wyszukanie brązowych karłów chłodniejszych do 750K, które nie zostały odnalezione za pomocą przeglądów 2MASS (Two-Micron All Sky Survey) i SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Satelita wyszuka brązowe karły o temperaturach do 450K w odległości 75 lat świetlnych, do 300 K w odległości do 20 lat świetlnych, oraz do 150 K w odległości do 10 lat świetlnych. Dane pozwolą na ocenę zagęszczenia brązowych karłów w okolicach Słońca i na ocenę intensywności procesów gwiazdotwórczych produkujących obiekty o najniższych masach. Dzięki możliwości obserwacji fragmentów nieba zakrytych przez pył międzygwiazdowy, umożliwi odwzorowanie globalnej struktury Galaktyki, a także poprzez obserwacje promieniowania pyłu wykonanie bardzo dobrych map jego rozmieszczenia w Galaktyce. Poza Galaktyką wykona badania struktury, oraz historii formowania się gwiazd w tysiącach galaktyk. Zbada także galaktyki ultraświecące w podczerwieni (Luminous Infrared Galaxies - ULIRG), które są produktem zderzeń galaktyk powodujących eksplozję działalności gwiazdotwórczej (w większości są one zakryte przez chmury pyłu rozgrzewanego przez młode gwiazdy). Zostały one odkryte przez IRAS i wypromieniują w podczerwoni 100 razy więcej energii niż w świetle widzialnym. Misja pozwoli na zaobserwowanie ULIRG w dużych odległościach, w  okresie gdy Wszechświat miał około 3 miliardów lat. WISE scharakteryzuje także populację galaktyk z aktywnymi jądrami (Ative Galactic Nuclei - AGN), których jądra w dużej części są zakryte przez pyl i nie zostały zaobserwowane w zakresach optycznych i ultrafioletowym. Obserwacje gromad galaktyk pozwolą także na badania natury ciemnej energii. Misja WISE jest rozwijana w ramach programu NASA MIDEX (Medium Class Explorer).

[Scorus]

KONSTRUKCJA
Satelita WISE ma masę 750 kilogramów. Ma kształt w przybliżeniu walcowaty. Składa się z dwóch zasadniczych modułów - modułu serwisowego (Service Module), oraz modułu instrumentów naukowych (Payload Module). Konstrukcja satelity jest oparta na busie RS-300 należącym do Ball Aerospace and Technologies Corp. (BATC). Powiększono jego rozmiary w celu dostosowania do rakiety nośnej, oraz poprawiono system łącznościowy.

Moduł serwisowy stanowi dolną, mniejszą część statku. Ma on kształt graniastosłupa ośmiokątnego. W nim znajdują się podstawowe komponenty inżynieryjne pojazdu, zapewniające łączność z Ziemią, energię elektryczną itp. Energii elektrycznej na poziomie 467 W dostarcza skrzydło fotoogniw słonecznych usytuowane na bocznej powierzchni modułu serwisowego. Komórki słoneczne są wykonane z GaInP2/GaAs/Ge. Skrzydło składa się z dwóch paneli fotowoltaicznych. Całkowita powierzchnia paneli wynosi 3 metry kwadratowe.  Dostarczają one 467 W mocy. Wyprodukowana energia jest zużywana na bieżąco, a także ładuje baterie litowe, które są używane w czasie gdy pojazd będzie się znajdował w cieniu Ziemi i nie będzie otrzymywał energii słonecznej. Pojazd jest stabilizowany trójosiowo. Wahania orientacji podczas ekspozycji trwającej 8.8 sekundy wynoszą 0.54'', czyli w obrębie piksela detektora o szerokości kątowej 2.75''. Do kontroli orientacji przestrzennej służą koła reakcyjne. Satelita nie posiada żadnego systemu napędowego. Danych nawigacyjnych dostarczą szperacze gwiazd i sensory Słońca. Do zarządzania pędem kół reakcyjnych służą magnetometry i elementy oddziaływające z polem magnetycznym Ziemi. Te ostatnie pozwalają na zmniejszanie pędu w czasie przelotów ponad 60st szerokości geograficznej, podczas przesyłania danych naukowych. System zarządzania danymi (Command and Data Handling System - CDH) jest częścią awioniki kontrolnej statku (Spacecraft Control Avionics - SCA). SCA stanowi platformę dla oprogramowania, a także zawiera interfejsy dystrybucji mocy w obrębie statku oraz systemy kontroli statku. Pojazd jest wyposażony we własny system komputerowy. Jest on oparty na komputerze RAD750. Zgromadzone dane przed wysłaniem na Ziemię są poddawane kompresji bezstratnej Rice 2.1:1 i zapisywane są na niezależnym dysku (Independent Disk Drive - RAID). Jego pojemność wynosi 85.9 GB. Łączność z Ziemią zapewnia antena paraboliczna wysokiego zysku (High-Gain Antenna - HGA), którą może obracać się w dwóch osiach. Projekt anteny jest oparty na HGA sondy Deep Impact. Podczas przejść przez strefy polarne dane będą przesyłane do satelitów TDRS. Dane naukowe są przesyłane w paśmie Ku z szybkością  120 Mbps. Rozkazy są odbierane w paśmie S, w którym są również wysyłane dane inżynieryjne. Statek dostarczy 43.2 GB skompresowanych danych na dzień.

Moduł instrumentów naukowych został umieszczony na górnej powierzchni modułu serwisowego. Ma on kształt walcowaty. Jest połączony z modułem serwisowego za pomocą małej struktury kratownicowej, i jest od niego odizolowany termicznie. Jest to duży kriostat, w którym umieszczona została optyka i detektory jedynego instrumentu naukowego satelity - teleskopu podczerwieni WISE (WISE Infrared Telescope). Projekt kriostatu jest oparty na nieudanym satelicie WIRE. W górnej części tego modułu znajdzie się otwór wejściowy, otoczony przez osłonę przeciwsłoneczną, która zapobiega jego bezpośredniemu oświetleniu przez światło słoneczne i światło odbite od Ziemi. Ocienia ona otwór wejściowy. Wewnątrz znajdują się dwa toroidalne zbiorniki, które zostały wypełnione wodorem w stanie stałym. Zbiorniki te otaczają komponenty instrumentu, a pary sublimującego lodu wodorowego chłodzą je do temperatury poniżej 15 K, optymalnie 7.8K, +/- 0.5 K. Zbiornik zewnętrzny zabezpiecza główny zbiornik wewnętrzny i odbiera  ciepło pochodzące z innych komponentów satelity. Ponadto pozwala na chłodzenie elementów teleskopu do temperatury 17 K. Ciepło jest odbierane przez 2 osłony chłodzone parami wodorowymi. Zapas mieszaniny kriogenicznej w kriostacie ma margines 130% czasu trwania misji przewidzianej na 7 miesięcy. Otwór wejściowy teleskopu w czasie startu będzie osłonięty osłoną ochronną, która ochroni go przed zanieczyszczeniem. Zostanie odrzucona po wejściu na orbitę. Zostanie ona odepchnięta przez sprężyny.


Schemat satelity WISE.


Kriostat podczas prac.

[Scorus]

WYPOSAŻENIE
Instrument WISE charakteryzuje się polem widzenia o wymiarach kątowych 47' x 47'. Rozdzielczość kątowa wynosił 2.75 sekundy kątowej na piksel. Pojedynczy obraz jest uzyskiwany w czasie 11 sekund.

Instrument jest wyposażony w teleskop o średnicy 40 centymetrów. Układ optyczny składa się z 5 zwierciadeł. Teleskop WISE dostarcza skupiona wiązkę światła do "trzeciorzędowego" zwierciadła skanującego (właściwe jest to 5 zwierciadło). Zwierciadło skanujące służy do ustabilizowania kierunku widzenia, gdy statek skanuje niebo. Zostało ono zapożyczone z programu SPIRIT III/MSX. Zwierciadło obraca się, wytwarzając obraz nieba na detektorach. Zwierciadło to działa następująco: po ekspozycji trwającej 6.6 sekundy porusza się o 33' w 2.2 sekundy, a następnie następuje druga ekspozycja trwająca 6.6 sekundy. W ten sposób zwierciadło może "omiatać" fragment nieba, gdy statek i teleskop wolno wokół linii Słońce - Ziemia ze stałą szybkością kątową równą szybkości orbitalnej. Podczas okresu 2.2 sekundy zwierciadło przesuwa się i wraca do swojej początkowej pozycji. Światło z teleskopu i zwierciadła skanującego jest odbierane przez 2 moduły obrazujące - refrakcyjny MWIR i refleksyjny LWIR. Wiązka jest następnie rozdzielana przez 3 rozdzielacze wiązek. Następnie są rozdzielane drugi raz i oświetlają 4 detektory.

Detektory instrumentu zostały umieszczone w płaszczyźnie ogniskowej teleskopu. Są to macierze czułe na podczerwień (Focal Plane Arrays - FPA). Instrument jest wyposażony w 4 detektory, które pokrywają różne zakresy widmowe scentrowane na 3.3, 4.7, 12 i 23 um. 2 detektory Rockwell HAWAII 1-RG HgCdTe pokrywają pasma 2.8 - 3.8 um i 4.1 - 5.2 um. Dwa detektory BiB Si:As pracują w zakresie 7.5 - 16.5 um i 20 - 28 um. Posiada on nowo zaprojektowany multiplekser pozwalający na odczyty w temperaturze poniżej 10K. Każdy detektor ma rozmiar 1024 x 1024 piksele. Detektory HgCdTe są produkowane seryjnie, ale zostały zmodyfikowane w celu uodpornienia ich na środowisko przestrzeni kosmicznej. Warstwa HgCdTe o grubości około 5 um została wytworzona na grubym (około 800 um) substracie CdTe. W trakcie innych programów NASA, w  tym instrumentów NIRCAM i NIRSPEC teleskopu JWST oraz WFC3 dla HST wykazano, że warstwa CdTe wykazuje fotoluminescencję gdy jest naświetlana protonami. W związku z tym zdecydowano się na usunięcie warstwy CdTe podczas produkcji detektora. Uczyniono tak również w innych programach.


Całościowa konfiguracja instrumentu i kriostatu.


Kriostat, teleskop, osłona ochronna i osłona przeciwsłoneczna.


Schemat instrumentu WISE.


Konfiguracja optyki instrumentu.


Teleskop podczas budowy.


Model inżynieryjny zwierciadła skanującego.


Optyka obrazująca i zwierciadło skanujące.


Jeden z detektorów.

[Scorus]

HISTORIA MISJI
Propozycja misji pod nazwą Przegląd Nieba Nowej generacji (Next Generation Sky Survey - NGSS) została wybrana do dalszych prac w styczniu 1999r. W październiku 1999r NGSS nie został jednak wybrany do realizacji w ramach programu MIDEX. W październiku 2001r została ponownie zgłoszona do tego programy. W kwietniu 2002r została wybrana do wstępnych prac w ramach MIDEX. W październiku 2002 nazwa misji została zmieniona na WISE. W marcu 2003r zaaprobowano rozpoczęcie rozszerzonej fazy A misji. W kwietniu 20083r na wykonawcę satelity wybrano Ball Aerospace. W kwietniu 2004r zaaprobowano wykonanie misji w ramach programu MIDEX. 25 sierpnia 2004 roku wkroczyła w fazę B. W listopadzie 2004r na wykonawcę teleskopu wybrane zostało Space Dynamics Laboratory. W październiku 2006r potwierdzono rozpoczęcie prac na satelitą. Start satelity WISE był zaplanowany na lato 2008 roku, ale z powodu problemów finałowych został opóźniony do końca 2009r.

PRZEBIEG MISJI
 Start misji WISE był pierwotnie zaplanowany na 11 grudnia 2009 r. Tego dnia został jednak anulowany z powodu problemu z silnikiem sterującym dyszą jednego z silników pomocniczych. Problem został szybko rozwiązany, a nstart pzrełożono na 14 grudnia.

Satelita WISE wystartował ostatecznie dnia 14 grudnia 2009 r. Miejscem startu była Vandenberg Air Force Base, stanowisko startowe SLC-2W. Rakietą nośną była Delta 2 w konfiguracji 7320. Start został odnotowany o godzinie 14:09:33 UTC. Po 55 sekundach od startu, o 14:10 UTC rakieta przeszła przez obszar największego ciśnienia aerodynamicznego. Po 1 minucie i 12 sekundach od startu wyłączone zostały trzy silniki pomocnicze na paliwo stałe, dostarczone przez firmę ATK. Pracę kontynuował silnik RS-27A stopnia 1, dostarczony przez firmę Pratt & Whitney Rocketdyne. Silniki pomocnicze zostały odrzucone gdy od startu upłynęła 1 minuta i 50 sekund, o 14:11 UTC. Po 4 minutach i 39 sekundach od startu, o 14:14 UTC nastąpiło wyłączenie silnika stopnia 1 (Main Engine Cut-off - MECO). Następnie stopień 1 został odrzucony. Silnik stopnia 2, dostarczony przez firmę Areojet uruchomił się w czasie 4 minut i 44 sekund od startu. W czasie 5 minut od startu odrzucona została owiewka. Po 9 minutach od startu, o 14:18 UTC rakieta wyszła z zasięgu stacji naziemnych. Dane były następnie odbierane przez satelity systemu TDRS (Tracking and Data Relay Satellite System). Był to pierwszy start rakiety DELTA 2  w którym w całości polegano na tym systemie. Pierwsze wyłączenie silnika stopnia 2 (Second Stage Engine Cut-off 1 - SECO 1) nastąpiło o godzinie 14:20 UTC, po 10 minutach i 26 sekundach od startu. Tym samym zespół stopień 2/WISE wszedł na parkingową orbitę okołoziemską. Charakteryzowała się ona apogeum na wysokości 299 mil, perygeum 100 mil i inklinacją 97.5 stopnia. Zaraz po wejściu na orbitę rakieta wykonała manewr zmiany orientacji na właściwą do lotu orbitalnego. Po 45 minutach od startu, o 14:54 UTC wykonana została kolejna zmiana orientacji, przygotowująca do ponownego uruchomienia stopnia 2. Ponowne uruchomienie silnika stopnia 2 nastąpiło w czasie 51 minut i 40 sekund od startu, o 15:01 UTC. Trwało tylko 8.5 sekundy. Wyłączenie silnika (SECO 2) nastąpiło w czasie 51 minut i 50 sekund od startu. Satelita WISE oddzielił się od drugiego stopnia rakiety o godzinie 15:05 UTC, po 55 minutach i 57 sekundach od rozpoczęcia misji. Następnie bez problemów rozłożył panele słoneczne i nawiązał łączność. Znalazł się na prawidłowej orbicie synchronicznej ze Słońcem. Charakteryzowała się ona apogeum na wysokości 289.6 mil, perygeum 282.1 mil i inklinacją 97.504 stopnia. Cały start przebiegał perfekcyjnie. Był to 147 start rakiety Delta 2 i 145 udany. Ponadto był to 92 udany start w nieprzerwanej serii startów udanych.

Robocza orbita WISE przebiegała na średniej wysokości 527 kilometrów ponad Ziemią. Była synchroniczna ze Słońcem, przebiegała ponad linią oddzielającą noc i dzień na Ziemi. Dzięki temu teleskop zawsze wskazywał kąt prosty względem Słońca i był skierowany z dala od niego. Panele słoneczne były natomiast skierowane w stronę Słońca.

Misja nominalna trwała 7 miesięcy. Po starcie wykonane zostały testy działania komponentów inżynieryjnych pojazdu oraz jego instrumentu naukowego. Trwało to miesiąc. 29 grudnia 2009 r odrzucona została pokrywa ochronna teleskopu. 6 stycznia 2010 r wykonana została pierwsza obserwacja. Była to 8-sekundowa ekspozycja obejmująca fragment gwiazdozbioru Kila.

Po zakończeniu testów, 14 stycznia 2010 r rozpoczął się program obserwacji astronomicznych. Trwał on 6 miesięcy. Podczas ruchu satelity po orbicie teleskop obserwował okrąg na niebie. Z powodu ruchu Ziemi po niebie okrąg ten powoli przesuwał się i po 6 miesiącach pracy WISE zobrazował 99% nieba. Każdy fragment nieba został objęty przez o najmniej 8 obrazów o wzrastającej jakości. W czasie swojej nominalnej misji satelita dostarczył prawie 1 500 000 obrazów. Dane były przesyłane na Ziemię 4 razy dzienne. Umożliwiły opracowanie atlasu całego nieba  w podczerwieni z czułością znacznie większą od przeglądu satelity IRAS, oraz opracowanie wykazu wszystkich źródeł podczerwieni na sferze niebieskiej.

W czasie misji naukowej satelita działał w 5 trybach. Dwa z nich były używane podczas badań naukowych. W trybie przeglądu (Science Survey Mode) wykonywał ciągłe serie obrazów co 11 sekund. W trybie przeglądu bez kompresji (Uncompressed Science Survey Mode) zbierane w ten sposób dane nie były kompresowane. Ponadto pojazd pracował w 3 trybach inżynieryjnych: trybie transmisji danych (Downlink Mode), trybie bezpiecznym (Safe Mode), oraz trybie awaryjnym (Emergency Mode).

Przegląd nieba był prowadzony przez większych problemów przez cały zaplanowany okres. 25 lutego zakończono obserwacje 1/4 nieba. 10 kwietnia przegląd objął już połowę sfery niebieskiej. Przegląd został zakończony 17 lipca. Satelita wykonywał jedna dalsze obserwacje. Misja podstawowa zakończyła się 4 października 2010 r, gdy wyczerpał się zapas wodoru chłodzącego detektory instrumentu. Po wyczerpaniu zapasu chłodziwa obserwacje mogły być prowadzone za pomocą dwóch detektorów - 3.4 i 4.6 mikrona. Zespół obsługujący satelitę zaproponował więc wykonanie misji rozszerzonej pozwalającej na wykrycie większej ilości obiektów i zmierzenie paralaks słabych brązowych karłów. Został on jednak oceniony jako projekt o niskim priorytecie. Jednak na kontynuowanie misji znalazły się fundusze (400 000 dolarów) z działu badań planetarnych NASA (NASA Planetary Division). W ramach misji rozszerzonej głównym zadanie były wykonanie poszukiwań planetoid bliskich Ziemi. Uzyskała ona nazwę NEOWISE (Near-Earth Object WISE). Ta faza misji rozpoczęła się już w październiku 2010 r. Wstępnie trwała 1 miesiąc. Satelita pozostawał jedna w dobrym stanie a dane były naukowo użyteczne. Dlatego też został przedłużony na następne 3 miesiące. W styczniu 2011 roku zakończono drugi przegląd nieba. Tym samym każdy fragment sfery niebieskiej został pokryty przez co najmniej 16 zdjęć. W trakcie tego programu satelita zarejestrował 158 000 znanych małych ciał Układu Słonecznego. Odkrył 21 komet, ponad 34 000 planetoid pasa głównego i 135 planetoid bliskich Ziemi.

Faza NEOWISE została zakończona 17 lutego 2011 r. Pojazd został wprowadzony w stan hibernacji a jego nadajnik wyłączono. Satelita może zostać jednak wykorzystany w przyszłości. W związku z dużą wartością wykonywanych obserwacji zdecydowano jednak o kontynuowaniu poszukiwań planetoid. Ta faza misji została nazwana MaxWISE. Satelita został włączony we wrześniu 2013 r. Po testach stanu jego systemów i instrumentu naukowego wznowiono przegląd nieba. Czas trwania tej fazy został zaplanowany na 3 lata.

3 kwietnia 2014 r satelita wszedł w tryb bezpieczny z powodu błędu oprogramowania. Nie przesłało ono prawidłowo komend zarządzających działaniem kół reakcyjnych. Problem został rozwiązany przez reset komputera za pomocą komendy przesłanej z Ziemi. Satelita został wyprowadzony z trybu bezpiecznego 9 maja, a 23 maja wznowił obserwacje naukowe.

Zgromadzone dane naukowe były przetwarzane przez Centrum Obróbki i Analizy Danych Podczerwonych (Infrared Processing and Analysis Center - IPAC) i gromadzone przez Archiwum Danych Podczerwonych NASA (NASA Infrared Science Archive - IRSA). Pierwsze wydanie danych nastąpiło 14 kwietnia 2011 r. Udostępnione obrazy obejmowały 57% sfery niebieskiej. Pełny przegląd nieba został wydany 14 marca 2012 r. Tym samym dane stały się dostępne przez Internet. Były też rozpowszechniane na DVD w standardowym formacie FITS. W grudniu 2013 r wydano również połączone dane z misji podstawowej i programu NEOWISE (AllWISE). Charakteryzowały się one zwiększą czułością i precyzją fotometryczną oraz większą precyzją astrometryczną. Obejmowały katalog źródeł, bazę danych fotometrycznych, archiwum obrazów, oraz katalog źródeł słabszych od limitu postawionego dla katalogu podstawowego. Pozwalały np. na wykrywanie odległych galaktyk słabo widocznych w danych z misji podstawowej.

Misja WISE jest zarządzana Przez Laboratorium Napędu odrzutowego (Jet Propulsion Laboratory - JPL). Statek kosmiczny został zbudowany przez Ball Aerospace and Technologies Corp (BATC) a instrument przez SSG (optyka). Detektory zostaną wyprodukowane przez DRS i Rockwell. Kriostat został zbudowany przez Lockheed Martin. Za elektronikę i testy odpowiedzialne jest laboratorium  Space Dynamics Lab na Uniwersytecie Utach (Utah State University). Koszt misji wyniósł 320 mln dolarów.