TEMA BROJA

Dragan Lazarević

Osmatranje vasione – Teleskopske kamere kosmičkih sondi

Upoznavanje beživotnih suseda

Intenzivan razvoj astronautike tokom poslednjih sedam decenija doneo je neprocenjive koristi za čovečanstvo u vidu novih naučnih otkrića do kojih se došlo zahvaljujući misijama kosmičkih letelica. Osim novih saznanja o Zemlji na polju meteorologije, geologije i otkrivanja novih resursa do kojih se došlo na osnovu snimaka sa satelita, astronautika je omogućila i širenje saznanja o susednim svetovima u Sunčevom sistemu zahvaljujući podacima koje su poslale kosmičke sonde. Osnovna informacija koja je stizala sa kosmičkih sondi je bila slika nekog objekta u Sunčevom sistemu, snimak koji je napravljen sa daleko manje udaljenosti (od nekoliko hiljada pa do nekoliko miliona puta) od one sa koje se vrše snimanja zemaljskim teleskopima.

Sonde su omogućile pogled iz sasvim drugog pravca i pozicije u odnosu na snimke sa Zemlje još daleke 1959. kada je kosmička sonda “Luna 3” snimila suprotnu stranu Meseca, onu koja se ne može videti sa Zemlje. Usledile su nove misije kosmičkih sondi orbitera oko Meseca koje su ga detaljno snimale i mapirale kao i sondi koje su se spustile na njegovu površinu i snimile neposrednu okolinu (Luna 9, Lunar Surveyor 3-7).Ta prva snimanja su vršena filmskom kamerom (jer su tada TV kamere imale malu rezoluciju). Film je razvijan na samoj letelici da bi posle bio skeniran svetlosnim zrakom koji je padao na foto-ćeliju i bio pretvaran u električni signal koji je, putem radio-signala, emitovan na Zemlju.
Tokom narednih decenija usledio je intenzivan razvoj metoda snimanja, počev od optičkih sistema kamera, elektronskih sistema pretvaranja svetlosti u električni signa (tv-kamere na sondama Vojadžer bazirane su na katodnim cevima a na savremenim sondama su CCD kamere) i, konačno, njegovo ugrađivanje u radio-signal koji se šalje na Zemlju (koji je digitalan). Kosmičke sonde koje osmatraju detalje površine npr.Marsa sa njegove orbite imaju optičke sisteme koji omogućavaju uvećanje od više stotina puta; iako su elektronski sistemi savremenih kamera na njima krajnje minijaturizovani, karakeristike optičkih sistema i dalje zavise  od njihove veličine, prečnika objektiva, fokusa - žižne daljine itd. Granica koja deli neki uobičajeni optički sistem na kameri (uvećanje do 36x) od teleskopskog nije jasno određena ali uvećanje preko te veličine zahteva teleskopsku optiku.
Brojne misije kosmičkih sondi (preko stotinu do sada) obavile su snimanja i mapiranja površine Meseca, Marsa i njegovih prirodnih satelita, Merkura, brojnih asteroida (uključujući najveće: Ceres i Vestu) i nekih kometa, Jupiterovih i Saturnovih prirodnih satelita kao i oblaka u gornjim slojevima atmosfera ovih planeta - gasnih džinova. Neke satelite Urana i Neptuna snimile su u prolasku sonde “Vojadžer 1 i 2” a Pluton i neke njegove satelit sonda New Horizons. Mada  još dosta objekata tek treba da bude snimljeno, može se reći da je, na osnovu do sada obavljenog posla, stvorena jasna predstava o znatnoj većini (uglavnom većih) tela Sunčevog sistema.

Detaljno snimanje Meseca

Prva snimanja Meseca sa orbite oko njega obavljana su u cilju određivanja mesta za spuštanje astronauta u programu “Apolo”. Posle završetka tog programa, gotovo dve decenije, Mesec nije bio predmet interesovanja.
Potom su usledile nove misije sondi sa ciljem da se spektroskopski odredi hemijski sastav njegovog tla - u cilju buduće eksploatacije kao i da se pronađe led u na dnu dubokih kratera u Mesečevim polarnim oblastima. U istraživanje Meseca su se uključile i nove kosmičke sile (Japan, Kina i Indija) sa sondama orbiterima i lenderima Kaguya, Chang i Chandrayaan. Najduže u Mesečevoj orbiti kruži sonda NASA LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) - od 2009. Do sada je obavila 3D mapiranje Mesečeve površine i učestvovala je u potrazi za vodom na Mesečevom južnom polu. Pored drugih instrumenata koje LRO nosi, posebno mesto ima sistem za snimanje LROC (LRO camera) koji se sastoji od jedne širokougaone i dve uskougaone kamere čiji optički sistem čine teleskopi konstrukcije Cassegrain sa primarnim i sekundarnim ogledalom koje primarno ima prečnik 19,5 cm i žižnu daljinu 700 mm. Oblik oba ogledala je hiperboloidni (varijanta Ritchey-Cretien). Kamere imaju rezoluciju od 0,5m po pikselu, sa visine od 50km. Sa te visine, snimak obuhvata površinu Meseca od 2,5x26 km. Osim što je snimljena celokupna površina Meseca (sonda LRO je kružila preko njegovih polova) i na osnovu toga napravljena 3D mapa, snimljeni su i takvi detalji kao što su sletni odseci lunarnih modula svih misija “Apolo”, tragovi astronauta i njihovih vozila na Mesečevoj površini kao i, znatno manjih dimenzija, sovjetski lunohodi i sletni odseci sondi Luna. Pošto je taj rad na granici mogućnosti optičkih i elektonskih sistema ovih kamera, snimanja su obavljena u uslovima kada je Sunce blizu horizonta a senke objekata vrlo duge.
Nešto bolje snimke “apolo modula” na Mesečevoj površini dobio  je indijski mesečev orbiter - sonda Chandrayaan 2. Posebno zanimljivo otkriće obavljeno na osnovu snimaka LRO su duboke rupe, otvora širine do 50m i dubine oko 100m,a koje vode u Mesečeve pećine (verovatno vulkanskog porekla) koje bi mogle da posluže za prve baze na Mesecu jer bi pružale zaštitu od kosmičkog zračenja i mikrometeorita.

Mars pod nadzorom kamera

Prvi snimci Marsa dobijeni su 1964. godine kada je sonda Mariner 4 proletela pored njega na rastojanju od 9840 km, što podrazumeva da je njena kamera imala teleskopsku optiku tipa Cassegrain i da je skeniranje obavljeno u vidikonskoj katodnoj cevi. Iako su snimci bili lošeg kvaliteta, videlo se da je Marsova površina prekrivena kraterima nastalim udarom asteroid, delimično ispunjenim prašinom. Prvi orbiter oko Marsa, sonda Mariner je obavila snimanje VIS kamerom i mapiranje većeg dela Marsove površine. Tada su otkriveni i Marsovi gigantski vulkani.
Usledila su detaljnija snimanja 1976, sondama orbiterima viking 1 i 2 i lenderima koji su uspešno spušteni na njegovu površinu. Detaljnija snimanja Marsove površine počinju sa sondama-orbiterima 2000.godine, koja vrše SAD, evropska ESA, Kina i Indija.

Najuspešnija sonda-orbiter je bio MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) koji je nosio sistem za snimanje sa kamerama najačim do sada postavljenim na neku sondu. Pored širokougane Context kamere (sa optikom tipa Maksutov-Cassegrain), MARCI kamere i spektroskopske kamere, njegova HiRISE (High Resolution Imaging Experiment) kamera predstavlja najmoćniji optički sistem da sada poslat na put oko neke planete. Njena teleskopska optika se sastoji od primarnog ogledala prečnika 50cm sa efektivnom žižnom daljinom od 12m. Sa visine od 300km (prosečna visina orbitera MRO nad Marsom) može da registruje objekt od 0,3m, čemu odgovara ugao od 1 mikroradijana. Skeniranje se vrši CCD kamerama a boje se odvajaju preko tri filtera. Slike su izuzetne oštrine, mogu da budu i do 800 megapiksela. S obzirom da MRO kruži u polarnoj orbiti oko Marsa, do sada je obavio mapiranje cele površine planete.

Iako na granici mogućnosti snimanja, “uhvaćen” je rover Oportunity na samoj ivici kratera Viktorija, snimljeno je spuštanje rovera Curiosity i Perseverance i niz neobičnih pojava na Marsovoj površini: tokova prašine u jarugama, peščanih stubova stvorenih tornadom, otvora rupa koje vode u podpovršinske šupljine, verovatno pećine stvorene tokovima lave. Kamere Mastcam na roverima na površini Marsa su namenjene za snimanje neposredne okoline ali su uspešno snimile i jednu astronomsku pojavu - zaklanjanje Sunca (nepotpuno pomračenje) Fobosom i Deimosom, i to zahvaljujući filteru za Sunce koji je kamera imala. Može se zaključiti da je mapiranje Marsa snimanjem sa orbite oko njega okončan posao. Buduća snimanja bi mogla samo da prate neke promene snimljenih oblasti (usled erozije vetrom ili usled potresa).

Upoznavanje Jupitera i Saturna
i njihovih satelita

Prve slike Jupterovih satelita stigle su zahvaljujući sondama “vojadžer 1 i 2”. Njihove kamere ISS (Imaging Science Subsystem) su bile zasnovane na vidikonskim cevima. Tada se prvi put saznalo za vulkane na Jupiterovom mesecu Iou, za pukotine u ledenoj kori Evrope i kratere na površini Ganimeda i Kalista. Jupiterov orbiter, sonda “Galileo” je imala daleko savršeniji sistem snimanja SSI sa teleskopskom optikom fokusa 1500mm i CCD kamerom. Ali zbog kvara na glavnoj anteni, izostalo je slanje na Zemlju slika visoke rezolucije.
Oko Jupitera trenutno kruži sonda JUNO. Zahvaljujući njenoj kameri JUNOCam, dobijene su slike vrhova oblaka uskomešane Jupiterove atmosfere nad njegovim polovima. Ova CCD kamera, čiji teleskopski deo ima čak 14 sočiva, uspešno je nastavila snimanja u produženoj misiji i sada šalje slike Jupiterovih satelita prilikom bližih susreta sa njima. Ipak detaljnije slike njihove površine doneće sonde čije misije dolaze: JUICE i Europa Clipper.
Saturn, neki njegovi sateliti i prsten su prvi put snimljeni kamerama ISS iz kosmičke blizine u misijama “Vojadžer 1 i 2”.Tada se saznalo za gustu Titanovu atmosferu, kratere na njegovim satelitima i strukturu prstena.
Sonda Cassini je, tokom 13 godina kruženja oko Saturna, poslala snimke kamerama sistema ISS koji su činile širokougaona i uskougaona CCD kamera. Uskougaona je imala reflektorski teleskopski sistem fokusa 2m i snimala je kroz 24 filtera u vidljivoj, infracrvenoj i ultraljubičastoj svetlosti. Iako je glavni cilj misije bilo proučavanje Titana radarom, kamera je mogla da snimi gornje slojeve njegovih oblaka a u IC oblasti je snimila i neke konture na površini Titana. Snimljena je i površina drugih satelita, pre svega Enkeladisa sa gejzirima, a unutar prstena otkriveni su i manji sateliti za koje se do tada nije znalo.
“Vojadžer 2” je nastavio svoje putovanje i jedina je sonda koja je do sada proletela pored Urana i Neptuna. Obavila je delimična snimanje nekih njihovih satelita ISS kamerama, pogotovu Neptunovog Tritona, i otkrila da i ove planete imaju prstenove. Misije orbitera oko ovih planeta koje bi detaljno snimile površine njihovih satelita se za sada ne planiraju pre 2040.

Od Merkura do Plutona, sve vidljivije

Merkur je detaljno snimljen sondom-orbiterom Messenger, sistemom kamera MDIS koji se sastojao od širokogaone i uskougaone kamere koja je imala uobičajenu rezoluciju od 250m po pikselu a, u slučaju potrebe, i 20-50m po pikselu nad posebno geološki interesantnim područjima. Obavljeno je mapiranje celokupne Merkurove površine uključujući i polarne oblasti. Ka Merkuru trenutno ide, sa ciljem da uđe u orbitu oko njega 2025, sonda ESA-e i JAXA-e “Bepi Kolombo” sa sopstvenim sistemom za snimanje od 3 kamere koji bi trebalo da se dopuni slika Merkura dobijeno sondom Messenger.
Na suprotnoj strani od Sunca, udaljena  8,8 miljardi kilometara, sonda New Horizons ide sve dalje u svemir sa mogućnošću da snimi neki ledeni asteroid Kajperovog pojasa. Prethodno je, svojim sistemom teleskopske kamere LORRI (Long Range Recconaistance Imager), sa teleskopom tipa Richey-Chretien, snimila Pluton i njegov najveći satelit Čaron, a sa veće daljine i objekat Kajperovog pojasa Arrokoth. Ali tu je problem veoma dugog slanja snimaka na Zemlju usled raspoložive snage za emisiju (navodno, samo 60W u trenutku prolaska pored Plutona).

Brojni objekti Kajprovog pojasa čekaju buduće sonde da ih bar snime; npr. Eris je veća od Plutona a Sedna je možda gost iz nekog drugog planetarnog sistema, što je čini zanimljivim objektom za proučavanje. I tu je problem vrlo velika udaljenost koja zahteva višedecenijska putovanja sondi. Metode snimanja će se svakako usavršavati ali ostaje pitanje realnosti boja snimljenog objekta. Realnost boje kosmičkih objekata koje vidimo na snimcima treba uzeti sa rezervom jer su snimanja obavljana kroz različite filtere za propuštanje osnovnih boja (uglavnom 3 osnovne boje) pa je slika u boji, u stvari, sinteza naknadno obojenih slika u sivim nijansama. Veći broj filtera daće sliku bližu stvarnoj što dodatno komplikuje proceduru dobijanja konačne slike.
Problem kamera na kosmičkim sondama je i brzina snimanja i emitovanja ka Zemlji. Buduće sonde, Jupiterovi-orbiteri, koje su lansirane ili će uskoro biti, treba da, na visini od svega nekoliko desetina kilometara, preleću površine Evrope, Ganimeda i Kalista. Te sonde imaju problem što snimaju kamerama sa rezolucijom snimanja većom od primenjene na dosadašnjim Jupiterovim sondama.
Misija proučavanja vulkanski aktivnog Jupiterovog satelita Ioa sondom koja bi bila lansirana u narednoj deceniji i, uzimajući u obzir dinamiku njegove površine sa vulkanskim erupcijama i naglim izlivima lave, zahteva video-kameru sa bar standardim brojem snimaka od 24 u sekundi, bez obzira sa koje bi daljine bilo obavljano snimanje. Ipak, s obzirom kakva su otkrića dobijena snimcima kamera sa kosmičkih sondi, realno je očekivanje da će misije sondi koje tek dolaze nastaviti da upotpunjuju našu predstavu o svetovima Sunčevog sistema.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"