Spitzerův vesmírný dalekohled či Space Infrared Telescope Facility (zkráceně SIRTF nebo i Spitzer) je vesmírná observatoř určená k pozorování objektů v infračerveném oboru světla. Jedná se o největší infračervený teleskop, který byl vypuštěn do vesmíru, a představuje poslední článek projektu Velkých observatoří spadajícího pod americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku. Tento teleskop, vypuštěný 25. srpna 2003, učinil celou řadu objevů, mezi něž patří např. přímé zachycení světla exoplanet HD 209458 b a TrES-1, potvrzení teorie, že galaxie Mléčná dráha je ve skutečnosti spirální galaxií s příčkou nebo zmapování atmosféry exoplanety HD 189733 b. S jeho pomocí byla vytvořena fotografická mozaika Mléčné dráhy skládající se z 800 tisíc samostatných snímků. Celou misi společně řídí Jet Propulsion Laboratory a Spitzer Science Center (Pasadena, USA).
Základní délka mise činila dva a půl roku, poté byla prodlužována až do stádia, kdy došlo k vyčerpání zásob chladicího helia, bez něhož není nadále možné v některých částech spektra provádět měření. Tato skutečnost konkrétně nastala ke dni 15. května 2009. Od tohoto data až doposud (2014) pokračuje tzv. „Teplá mise“ (ang. Warm Mission), během níž se dalekohled postupně zahřál na teplotu T ≈ 30 K. Pozorovací možnosti dalekohledu tedy již nedosahují takových výkonů, jako tomu bylo v období před vyčerpáním hélia, nicméně se ukázalo, že je pro vědu i přesto stále velmi přínosným. V roce 2013 se předpokládalo, že mise bude pokračovat nejméně do konce září 2014, s teoretickou možností prodloužit celou misi až do roku 2016.
Dalekohled byl pojmenován dle Lymana Spitzera, amerického teoretického fyzika, který jako první prosazoval myšlenku umisťovat dalekohledy do vesmíru, když ve své práci Report to Project Rand: Astronomical Advantages of an Extra-Terrestrial Observatory z roku 1946 vysvětlil výhody vesmírného prostředí pro astronomická pozorování. Stavba Spitzerova vesmírného dalekohledu stála celkem 670 milionů amerických dolarů. Rozpočet NASA přiřkl projektu SIRTF na rok 2008 celkem 68,4 milionů USD, na rok 2009 se pak operovalo s částkou 71,7 milionů USD. S blížícím se koncem celé mise se přidělovaná částka postupně snižuje.
NASA oznámila konec mise na 30. ledna 2020. __TOC__
Historie projektu Již na počátku osmdesátých let 20. století začali astronomové zvažovat možnost umístění infračerveného teleskopu mimo rušivé elementy zemské atmosféry. National Research Council (Národní výzkumná rada) vydala roku 1979 zprávu A Strategy for Space Astronomy and Astrophysics for the 1980's, v níž označila Shuttle Infrared Telescope Facility (Infračervený teleskop nesený na palubě raketoplánu) jako jedno z hlavních zařízení, která mají být vyvinuta pro vesmírný výzkum. S očekáváním výsledků nové družice COBE se zpráva zmínila o studiu a vývoji dlouhotrvajících vesmírných letů kryogenicky chlazených infračervených teleskopů. Vypuštění Infračerveného astronomického satelitu roku 1983, vyvinutého ve spolupráci Spojených států, Nizozemska a Velké Británie, který jako první provedl kompletní infračervený průzkum nebe, povzbudilo vědce po celém světě k práci na dalším vývoji technologie infračervených detektorů.
Většina raných konceptů viděla cestu v opakovaných letech na palubě raketoplánu. Tento přístup se vyvinul v době, kdy se čekalo, že program raketoplánů bude schopen podporovat každotýdenní lety s trváním do třiceti dnů. Zpráva NASA z května roku 1983 popisuje SIRTF jako misi, během které bude využito k raketoplánu připevněných vědeckých přístrojů – „SIRTF by mělo být zařízení velikosti kolem 1 metru, kryogenicky chlazené, sestávající z teleskopu a dalších souvisejících přístrojů. Mělo by být vyneseno na palubě raketoplánu, na oběžné dráze by k němu zůstalo připojeno jakožto vesmírná laboratoř, která by během pobytu ve vesmíru prováděla potřebné výzkumy. Poté by se měla společně s raketoplánem vrátit opět na Zemi, kde by byla znovu připravena k dalšímu letu.“ Počítalo se, že s prvními lety by se mohlo začít po roce 1990. Let laboratoře Spacelab-2 na palubě Challengeru (mise STS-51-F) v roce 1985 však ukázal, že prostředí raketoplánu je pro infračervený dalekohled značně nevhodné z důvodu kontaminace kosmickým smetím, nacházejícím se na oběžné dráze. Od září 1983 tedy NASA začala zvažovat možnost dlouhotrvajícího letu, během něhož by SIRTF prováděl pozorování ve volném prostoru bez raketoplánu.
Spitzerův vesmírný dalekohled je jediným zařízením z projektu Velkých observatoří, které nebylo vyneseno na oběžnou dráhu pomocí raketoplánu, se kterým se v této misi původně počítalo. Po katastrofě raketoplánu Challenger roku 1986 však bylo zakázáno používání druhého stupně nosných raket Atlas – Centaur LH2/LOX, který byl používán pro dopravení nákladu na vyšší oběžnou dráhu. Během 90. let prodělala mise sérii různých úprav, především kvůli škrtům v rozpočtu. To sice vyústilo v mnohem menší avšak stále přínosnou misi, která mohla jako nosič využít raketu Delta II.
Jednou z nejdůležitějších změn bylo využití heliocentrické orbity. To znamená, že Spitzer obíhá kolem Slunce po stejné oběžné dráze jako Země. Zemi následuje v závěsu v tzv. libračním centru 2 (L2), přičemž se od ní vzdaluje přibližně o 0,1 AU za rok. Kryogenicky chlazené družice, které potřebují tekuté helium (LHe, T ≈ 4 K) jsou obvykle v blízkosti Země vystaveny značné tepelné zátěži a k jejich chlazení je tedy nutné využívat velké množství chladicí látky, která poté zabírá většinu nákladové kapacity a zkracuje tím maximální délku mise. Umístěním satelitu na oběžnou dráhu Slunce bylo možné využít inovativní technologie jako např. pasivní chlazení (solární štít), které dramaticky snížily celkové množství potřebného helia (a také finanční náklady). Spitzer je ve svém aktuálním umístění odstíněn od Slunce i Země, neboť je od nich nasměrován na opačnou stranu. S využitím unikátních vlastností této orbity byl vyvinut speciální systém pro ukládání dat a telemetrie teleskopu tzv. „Store-and-Dump Telemetry“ (viz níže).
Start mise K vypuštění došlo v pondělí 25. srpna 2003 v 5 h 35 min 39 sek UT z Cape Canaveral Space Force Station za pomoci nosné rakety Delta II (7920H ELV). – průběh startu minutu po minutě 05:35:39 UT – start rakety Delta (7920H ELV) 05:36 – dosažena rychlost 1 Ma 05:37 – odhození šesti startovacích motorů 05:40 – odstavení motoru 1. stupně; následné odhození 1. stupně 05:42 – výška: 144,81 km; rychlost: 25 890 km/h 05:43 – plánované vypnutí motoru 2. stupně, dosažena vyčkávací orbita 06:16 – znovuzažehnutí motoru 2. stupně 06:20 – SIRTF naveden na únikový orbit rychlostí 11,05 km/s 06:25 – SIRTF se odděluje od 2. stupně rakety Delta 06:41 – Stanice sítě Deep Space Network u Canberry v Austrálii definitivně navazuje spojení se SIRTF.
Vybavení a technologie Hlavní sada přístrojů (teleskop a kryogenní komora) byla vyvinuta společností Ball Aerospace & Technologies Corp. Další zařízení byla vyvinuta průmyslovými, akademickými a vládními institucemi jako např. Cornell, University of Arizona, Smithsonian Astrophysical Observatory (spíš Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Ball Aerospace a Goddard Spaceflight Center. Tělo Spitzerova vesmírného dalekohledu bylo zkonstruováno společností Lockheed Martin.
Teleskop Teleskop byl navržen tak, aby jeho hmotnost nepřekračovala 50 kg, a jeho konstrukce dokázala odolat extrémně nízkým teplotám, v tomto případě −268 °C. Hlavní zrcadlo dalekohledu má průměr 85 cm, f/12 (ohnisková vzdálenost je dvanáctinásobkem průměru zrcadla), je vyrobeno z beryllia, jehož výhodu je velice malá tepelná vodivost při nízkých teplotách, a je ochlazováno na teplotu 5,5 K. Teleskop je vybaven třemi zařízeními (viz níže), která mu umožňují snímání a fotometrii vlnových délek od 3 do 180 mikrometrů, spektroskopii od 5 do 40 mikrometrů a spektrofotometrii od 5 do 100 mikrometrů.
Snímače v teleskopu Zařízení teleskopu jsou následující: IRAC (Infrared Array Camera), infračervená kamera, která operuje současně ve čtyřech vlnových délkách (3,6 µm, 4,5 µm, 5,8 µm a 8 µm). Rozlišení je 256 × 256 pixelů. IRS (Infrared Spectrograph), infračervený spektrometr se čtyřmi podmoduly, který operuje ve vlnových délkách 5,3–14 µm (nízké rozlišení), 10–19,5 µm (vysoké rozlišení), 14–40 µm (nízké rozlišení) a 19–37 µm (vysoké rozlišení). MIPS (Multiband Imaging Photometer for Spitzer), který provádí snímání a získává spektroskopická data z infračerveného záření větších vlnových délek. Sestává ze tří snímacích modulů: První má rozlišení 128 x 128 pixelů snímající záření λ= 24 mikrometrů, který je vyroben z křemíku, navíc obohaceném arsenem. Další z modulů má rozlišení 32 x 32 pixelů a snímá IR záření λ= 70 mikrometrů a dále v rozsahu 50–100 mikrometrů. Poslední modul s rozlišením 2 x 20 mikrometrů je využíván pro snímání vlnových délek 160 mikrometrů. Snímací schopnost MIPS se pohybuje v rozmezí 5 x 5 úhlových minut (nejkratší vlnová délka) až 0,5 x 5 (nejdelší vlnová délka).
Dříve byla pozorování v infračerveném oboru spektra prováděna kombinací pozemských a vesmírných pozorování. Pozemské hvězdárny mají nevýhodu v tom, že zemská atmosféra pohlcuje značné množství infračerveného záření. Z tohoto důvodu je tedy nutné prodlužovat dobu expozice, což značně snižuje možnost sledovat slabší objekty. Předchozí satelity pro IR pozorování jako např. IRAS – (Infrared Astronomical Satellite) a ISO (the Infrared Space Observatory) byly v provozu v letech 1980–1990. Od těchto dob však došlo k velkým změnám v astronomických technologiích.
Architektura kryogenního systému náhled|vlevo|Porovnání efektivity staré a nové technologie Předchozí infračervené teleskopy ve vesmíru byly zahaleny obrovským kryostatem, který obsahoval supratekuté helium a umožňoval fungování teleskopu o teplotách blízko absolutní nule. Taková konfigurace vešla ve známost jako tzv. Cold launch architecture. Na rozdíl od teleskopů IRAS a ISO, však bylo u Spitzera využito inovativní technologie tzv. Warm launch architecture. Spitzerův vesmírný dalekohled je z převážné části ochlazován přirozenou teplotou vesmírného prostředí (pasivní chlazení). Pouze snímací zařízení, které vyžaduje dodatečné ochlazování, je ukryto společně s kryostatem ve speciální vakuové schráně. Pro správné fungování technologie „warm launch“ je však nezbytná správná volba umístění (orbity). Pokud je teleskop umístěn v dostatečně velké vzdálenosti od Země, je teplota okolního prostředí schopna jej ochladit již během několika týdnů na teplotu 40 K. Během této doby je chlazení zajišťováno vnější schránou s tekutým heliem – postupně se odpařující helium ochlazuje teleskop na operační teplotu 5,5 K. Jedním z největších přínosů této technologie je celková redukce velikosti celé této observatoře a snížení nákladů na dopravu zařízení na oběžnou dráhu.
Pro porovnání: SIRTF spotřebuje 360 litrů helia během pěti let, u jeho předchůdce IRAS to činilo 520 litrů spotřebovaných za 10 měsíců a nakonec ISO, který spotřeboval 2140 litrů během 2,5 roční mise. S použitím této úsporné inovativní technologie se (s určitými úpravami) počítá i u nových projektů vesmírných infračervených teleskopů, jako je např. Vesmírný dalekohled Jamese Webba.
Telemetrie Store-and-Dump Další inovací použitou u Spitzera je speciální metoda zpracování získávaných dat tzv. Store-and-Dump Telemetry (přeložitelné jako ulož a vysyp). V jeho těle se nachází vysokopaměťový počítač, který využívá speciální bezeztrátový komprimační software k přenosu dat na Zemi. K tomu je využívána vysokopříjmová nepohyblivá anténa uchycená na zadní části konstrukce. Výzkumné práce prováděné Spitzerem jsou přerušeny pouze jednou či dvakrát za den, kdy je za účelem odeslání dat nutné znovu zaměřit konkrétní vysílač na zemském povrchu. Telemetrie je zajišťována komunikační sítí Deep Space Network a probíhá v přesně stanovených jednohodinových časových „oknech“ každých 12 až 24 hodin.