В конце октября телескоп «Кеплер», который НАСА запустило в марте 2009 года, прекратил работу. Закончилось топливо, без него устройство работать не может — отсутствует возможность позиционирования в пространстве, а это необходимо для ведения наблюдений за космосом. О достижениях «Кеплера» много говорили на Хабре, поэтому я очень постараюсь не повторяться (ну, может, чуть-чуть). Вместо этого опишу то, что представляла собой космическая обсерватория в технологическом плане и каким софтом пользовалась команда «Кеплера» — в том числе, для обработки поступающих данных.

Что это был за телескоп

«Кеплер» — орбитальный телескоп со сверхчувствительным фотометром, который занимался поиском экзопланет. Одновременно «Кеплер» мог вести наблюдение примерно за 100 тыс. звезд. Задачей системы было наблюдение за определенной группой звезд в течение продолжительного времени. Чтобы достичь цели, инженеры разработали механизм, который бы удерживал «прицел» телескопа наведенным в определенную точку.


Примерно такие маховики использовал «Кеплер»

Важными элементами этого механизма были маховики, маховые колеса, помогавшие позиционировать всю конструкцию. Это были единственные подвижные части. Было и немного жидкости — топлива, которое использовали двигатели для изменения положения телескопа в пространстве.

Технические характеристики:

• диаметр 2,7 м, длина — около 4,7 м;
• масса — 1052,4 кг, из них 478 кг — фотометр, космический аппарат — 562,7 кг, 11,7 кг — гидразиновое топливо;
• солнечные батареи — общая площадь 10,2 м2. Состоят батареи из 2860 элементов, что позволяет генерировать мощность в 110 Вт. Накопление энергии велось при помощи литий-ионного аккумулятора емкостью 20 А*ч;
• Твердотельный накопитель — 16 ГБ, в него помещался объем данных, собираемых за 60 дней, информация передавалась на Землю раз в месяц.

Фотометр состоит из 42 ПЗС-матриц, обеспечивающих общее разрешение в 95 Мпикс. Конструкцией предусмотрено еще четыре дополнительные ПЗС-матрицы по углам массива — для обеспечения более точного управления. Размер каждой матрицы — 5 х 2,5 см, разрешение 2200 х 1024 пикселя.


Вид «изнутри»

Данные с матриц снимались каждые 6 секунд, по достижению предела насыщения, после чего суммировались в бортовом компьютере в течение полуминуты для каждого пикселя. «Кеплер» вел наблюдение в полосе пропускания 430–890 нм. Он мог «увидеть» звезды вплоть до 16-й звездной величины.

Главное зеркало диаметром 1,4 метра изготовила компания Corning — той, что разрабатывает защитные стекла для экранов смартфонов. Ее технологии позволили добиться радикального снижения массы зеркала. В итоге она составила лишь 14% от массы зеркала того же размера, изготовленного из традиционных материалов.

Для разных элементов рабочие температуры отличались. Так, корректор Шмидта, представлявший собой несферическую линзу спереди телескопа, работал при температуре около -30 °С. Главное зеркало, расположенное сзади, работало при -11 °С. ПЗС-матрица была в более сложных условиях — ей приходилось работать при температуре в -85 С, что нужно для снижения детекторных шумов. При закрытой противопылевой крышке во время калибровки температура компонентов была несколько выше этого минимума. Температура в открытом космосе вполне достаточна для того, чтобы не было необходимости использовать сжиженный газ для охлаждения устройства.

Кто и как управлял «Кеплером»?

Штаб управления аппаратом размещался в исследовательском кампусе Университета Колорадо Боулдерд. В команду управления входили специалисты из Лаборатории атмосферной и космической физики согласно договору Ball Aerospace & Technologies. Лаборатория составляла планы работ, собирала первичные данные и их же распространяла.

Бюджет проекта изначально оценивался в $600 млн, включая создание, запуск аппарата и его эксплуатацию в течение 3,5 лет. В 2012 году НАСА сообщило, что проект будет финансироваться вплоть до 2016 года годовым бюджетом в $20 млн.

Обмен данными «Кеплера» с Землей

Обмен данными с телескопом шел по микроволновой связи (спектр частот от 7 до 11,2 ГГЦ) дважды в неделю. Ученые передавали команды и получали данные от устройства. Впрочем, научные данные загружались раз в месяц, также по микроволновому каналу, но уже со спектром 26.5–40 ГГЦ. Ширина канала связи не превышала 550 kB/s.



Антенна аппарата была жестко зафиксирована, так что для связи с Землей приходилось изменять положение в пространстве всего орбитального телескопа. Часть данных анализировал бортовой компьютером, чтобы экономить на трафике, передавая сжатую информацию.

Данные телеметрии, собираемые в ходе миссии, перенаправлялись в Центр управления данными проекта. Центр располагается в Институте исследований космоса с помощью космического телескопа. Это научный оперативный центр, основанный НАСА в 1981 году для управления и проведения исследований с использованием космического телескопа «Хаббл».


В ходе сеансов связи для загрузки научных данных с «Кеплера» нужно было выполнять следующие операции:

• Получить первичные пикселизированных данных пикселей из DMC (Kepler Data Management Center, Центр управления данными «Кеплера»);
• Обработать первичные данные специализированными алгоритмами анализа для получения калиброванных пикселей и кривых блеска для каждой звезды;
• Выполнить транзитный поиск (изменение блеска звезды при прохождении планеты по ее диску) для обнаружения планет (события пересечения порога или ТВК);
• Выполнить проверку данных о планетах-кандидатах для устранения ложноположительных обнаружений.

Какие были цели и задачи?

Научная цель «Кеплера» состояла в изучении звездных систем, расположенных в пределах области «зрения» телескопа. При этом ставились следующие задачи:

• Определить количество землеподобных планет, которые находятся в потенциально обитаемой зоне;
• Вычислить диапазон размеров и форм орбит этих планет;
• Оценить количество планет, которые находятся в мультизвездных системах;
• Определить диапазон размеров орбиты, яркости, диаметра, массы и плотности короткопериодических планет-гигантов;
• Обнаружить дополнительные объекты в каждой найденной планетной системе;
• Изучение свойств звезд, у которых обнаружены планетные системы.

Программные инструменты

Для обработки данных, которые присылал на Землю «Кеплер» использовали вот такие программные инструменты:

• Lightkurve — Lightkurve Python позволяет эффективно анализировать данные временных рядов астрономических потоков, в частности пикселей и световых кубов, полученных миссиями NASA Kepler, K2 и TESS. Ссылка.
• PyKE — Набор инструментов командной строки для проверки данных и извлечения кривых звездного блеска. Ссылка.
• K2fov — Набор инструментов командной строки для проверки файлов «целевого пикселя» и выделения скрытых световых кубов. Ссылка.
• K2ephem — Проверяет, сможет ли движущееся тело Солнечной системы, астероид или комета, попасть в «поле зрения» системы. Ссылка.
• K2flix — Преобразует файлы целевых пикселей в видео или анимированные gif-файлы для быстрой и легкой оценки таких пикселей. Ссылка.
• K2mosaic — Преобразует файлы целевого пикселя в изображения с широким полем. Ссылка.
• Kadenza — Преобразует первичные данные в FITS, удобные для астрономов. Ссылка.

Представители сообщества разработчиков сделали некоторые инструменты доступными для всех. Есть и вспогательное ПО, которое достуно на страничке «Другое ПО». А на сайте НАСА можно ознакомиться с полным списком софта и целей, для которых он служит.

Результаты работы — коротко

Телескопу за несколько лет работы удалось обнаружить 2245 экзопланет и более 2000 потенциальных экзопланет — эти данные проверяют ученые.

Фактически, телескоп передал на Землю столько информации, что для ее разбора и детального анализа понадобятся годы.

«Кеплер" значительно расширил представления о звездных системах, их эволюции и многообразии. В частности, доказано существование землеподобных планет — ранее астрономы лишь могли строить предположения относительно характеристик планет.

Что дальше?

На смену телескопу «Кеплер» пришел TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Запуск произведен 18 апреля 2018 года ракетой Falcon 9 компании SpaceX. TESS изучает самые яркие звезды, которые находятся не дальше 300 световых лет от Земли. Цель — обнаружение каменистых экзопланет, которые попадают в обитаемую зону. Всего планируется обследовать около 500 тысяч звезд спектральных классов G, M, R ярче 12 величины. Кроме того, будут изучены 1000 ближайших красных карликов, которые разбросаны по всему звездному небу.