Až na některé výjimky, kdy se jedná o zpracování a vědeckou analýzu dat především z aktivních družic, jsou projekty, které budou realizovány v rámci výzkumných programů ESA, velmi úzce navázány na řadu průmyslových firem nebo skupin.
Jako příklad lze uvést naši současnou i plánovanou účast na vývoji a výrobě řady technologických družic ESA nazvaných PROBA. Na palubě PROBA 2 již pracuje české palubní zařízení DSLP a TPMU, vyvinuté a vyrobené firmou CSRC v Brně. Pro další satelit PROBA 3 vypsala ESA nedávno AO (Announcement of Opportunity), k realizaci projektu byla přizvána i ČR na základe mnoha předchozích zkušeností v oboru. Vývoj a výroba části space-qualified hardwarových komponent pro palubní přístroj by probíhala v ČR, koordinaci s průmyslem a laboratorní testy zajistí Centrum E2S.
Výzkumný program ESA zahrnuje 8 ucelených aktivit – projektů. Každý projekt má samostatného vedoucího projektu a tým spolupracovníku.
ESA 1 – Program Gaia: hvězdná fotometrie, spektroskopie, fyzikální parametry
hvězd, vlastnosti hvězdných populací na základě pozorování z vesmíru
Cílem této aktivity je účast na přípravě Finálního katalogu astronomické družice ESA Gaia a
využití dat z této družice pro hvězdnou fotometrii a spektroskopii. Určování fyzikálních parametrů hvězd a hvězdných populací jako jsou bílí trpaslíci, kataklyzmické proměnné, nebo Be hvězdy a doplňovat družicová data pozorováním ze zemského povrchu.
Gaia je jedním z klíčových projektů financovaných agenturou ESA. Start družice je stanoven na jaro 2012. Družice má získat velice přesnou astrometrii, fotometrii, a spektra pro obrovský vzorek objektů. Během pětileté aktivní životnosti družice se bude pozorování každého objektu opakovat 70krát. Gaia získá informace o polohách, vzdálenostech, vlastních pohybech a mnoha dalších fyzikálních charakteristikách asi jedné miliardy hvězd v naší Galaxii a v sousedních hvězdných soustavách. Na základě dat z družice Gaia bude sestavena první třírozměrná mapa naší Galaxie.
Důležitým prvkem projektu Gaia jsou pozorování ze zemského povrchu, před i po startu družice (doplňující pozorování zajímavých objektů, kalibrační pozorování).
ESA 2 - BepiColombo, průzkum planetárního plazmatu, interakce planet a měsíců se
slunečním větrem
Zkoumání planet (vnitřních i vnějších), je jedním z hlavních vědeckých cílů ESA pro příští desetiletí. BepiColombo je jednou ze základních misí ESA určenou pro průzkum planety Merkur. BepiColombo je vyvíjeno v úzké spolupráci s japonskou agenturou pro letecký a kosmický průzkum (JAXA). Bude studovat složení, geofyzikální vlastnosti, atmosféru, magnetosféru a historii planety Merkur, která je nejméně prozkoumanou vnitřní planetou Sluneční soustavy. BepiColombo se skládá ze dvou samostatných sond: ESA Mercury Planetary Orbiter (MPO), který bude mapovat samotnou planetu Merkur, a JAXA Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), který bude zkoumat její magnetosféru.
V posledních letech má předletová fáze designování vesmírných misí a poletová fáze interpretace nových pozorování z dalekého vesmíru velký prospěch z výrazného pokroku počítačových technologií. Super-počítače jsou dnes schopné simulovat vesmírné prostředí za daných okrajových podmínek daného problému. Obecně nejsou tyto počítačové modely omezeny reálními podmínkami ve vesmírném prostředí, jako jsou vysoké teploty, vyžadující tepelní štít na skutečné kosmické lodi. Numerické modely nám rovněž umožňují dát simulované měření jevů pozorovaných skutečnou sondou do tří-dimenzionálního globálního kontextu. Poskytují také výhodu možnosti změnit okrajové podmínky studovaných jevů a opakovat pozorování za různých podmínek několikrát, a tak pochopit jejich příčiny a omezení. Všechny tyto výhody rozsáhlých numerických modelů dělají z počítačové fyziky skvělý nástroj na doplnění našich znalostí o jevech pozorovaných ve vesmírném prostředí kosmickými sondami.
Při práci na projektech v rámci smluv ESA PRODEX č. 14529 a ESA PECS č. 98024 jsme vyvinuli globální trojrozměrný kinetický model interakce mezi slunečním větrem a planetární magnetosférou, který byl úspěšně použit ke studiu planety Merkur. Tyto výsledky vedly k zařazení našeho týmu do základní skupiny v rámci projektu BepiColombo (ESA) a projektu MESSENGER (NASA). Výzkum a technologické výsledek naší práce pomohou návrhářům přístrojů na sondě BepiColombo k odhadu hodnot klíčových fyzikálních pozorovaných parametrů očekávaných v prostředí planety Merkur. Projekt BepiColombo bude také těžit z našeho přístupu k údajům z mise MESSENGER, což nám umožní udržet náš numerický model aktuální po celou dobu provozní fáze mise BepiColombo (ESA PECS zakázka č.
98068).
Dále využijeme náš globální numerický model pro simulaci interakce mezi slunečním větrem a Měsícem. Měsíc je unikátní objekt v naší sluneční soustavě, protože to je jediný nezmagnetizovaný diamagnetický objekt o průměru téměř c/ωpi (kde c je rychlost světla a ωpi
je plazmová frekvence protonů) vložený přímo do toku slunečního větru. Díky tomu jeho interakce se slunečním větrem vytváří jedinečné prostředí – takzvaná lunární brázda, region s velmi ochuzeným plazmatem, který způsobuje řadu unikátních jevů, jako jsou vlny hnané teplotní anizotropií, oddělení nábojů nebo víry způsobované dvou-proudovou nestabilitou. Tyto jevy si zaslouží být studovány nejen globálními kinetickými numerickými experimenty, ale také lokálně s vysokým numerickým rozlišením. Lunární brázdu lze realisticky simulovat a je možné dělat předpovědi pozorovaných jevů pro budoucí mise. Zatím se naše skupina podílela na přípravě mise ARTEMIS ve spolupráci s Kalifornskou univerzitou v Los Angeles (UCLA) a Kalifornskou univerzitou v Berkeley (UCB).
Vedle BepiColombo (ESA) a MESSENGER (NASA) je technologie vyvinutá v rámci těchto aktivit k dispozici pro podporu naší účasti v nejrůznějších vědeckých projektech, cílem kterých je studovat planetární plazmu a sluneční vítr, například Proba 2 (ESA) , Cassini (NASA), Solar Orbiter (ESA), ARTEMIS (NASA), Solar Probe (NASA), Rosetta (ESA), Cross-Scale (ESA Cosmic Visions), Laplace (ESA Cosmic Visions), Phoibos (ESA Cosmic Visions), Dawn (NASA), a další.
ESA 3 – in-situ studium heliosféry: Proba 2 a budoucí mise ESA
Od roku 2001 se podílíme na kosmickém projektu ESA Proba 2, pro který jsme navrhli a vyvinuli Dual Segment Langmuir Probe (DSLP) experiment. Proba 2, která byla vypuštěna v listopadu 2009, je druhým v sérii malých, nízko-rozpočtových satelitů ESA, které jsou využívány k ověření nových kosmických technologií a zároveň provádějí i vědecké experimenty. Satelity Proba jsou součástí In-Orbit Technology Demonstrace programu ESA financovaného prostřednictvím podpory generálního technologického programu (GSTP). Cílem této aktivity je zkoumat heliosférickou plazmu pomocí již vyvinutých in-situ experimentů, poskytnout konkurenční platformu pro vývoj nového hardwaru pro vesmírné lety potřebného pro budoucí in-situ pozorování heliosféry (tj. další vývoj Langmuirových sond a magnetometrů) v rámci připravovaných ESA Cosmic Vision projektů. Projekt experimentu DSLP (vyvinut na základě smlouvy PECS ESA č. 90112) je nástupcem naší účasti na experimentu s Langmuirovymi sondami (ISL, podle ESA PRODEX zakázka č. 14561) na Francouzské vesmírné misi Demeter (zahájena v roce 2003). DSLP představuje nový typ měřícího zařízení v celé rodině elektrostatických Langmuirových sond. Nová metoda používaná na tomto přístroji sestává z akvizic I-V charakteristik z několika nezávislých sektorů sféricky tvarované elektrody. Analýza I-V charakteristik získaných pomocí DSLP poskytuje následující plazmatické parametry:
1. elektronová hustota
2. elektronová teplota
3. iontová hustota (vyžaduje a-priori znalost kompozice iontů)
4. potenciál vesmírné sondy
DSLP používá dva identické kulové senzory. Každý senzor má sedm diskových segmentů a zbytek sférického senzoru, sloužícího k ochranním účelům. Všechny části jsou vzájemně nezávislé. Senzory jsou namontovány na protilehlých rozích dvou výsuvných solárních panelů ve vzdálenosti větší než jeden metr. Přístroj je schopen provádět měření v pěti různých režimech. V základním režimu se měří průběh I-V křivek, z nichž lze vypočítat časovou závislost základních vlastností elektronové plazmy. To může být zpracováno na všechny segmentech současně, aby bylo možné získat různé sety dat v závislosti k směru průtoku plazmy. DSLP taky měří potenciál na každém senzoru čidlo ve vztahu k satelitu, nebo ve vztahu k sobě navzájem.
Magnetické pole je jedním ze základních parametrů kosmického plazmatu. Tento projekt je zaměřen na aktivity rozvoje sub-systémů významných pro vektorové magnetometry určené pro vesmírná pozorování: vyhledávání cívky a průtokový magnetometr (společně s TU-BS Braunschweig, Německo). Tyto senzory jsou široce využívány při zkoumání vnějších planet, formování jejich magnetosfér, poruch v důsledku interakce s měsíci, a jejich vliv na ně. Zkoumání magnetosféry (buď planet nebo jejich měsíců) a určování jejího typu a původu poskytuje informace o stavu hmoty a procesech uvnitř objektu nebo např. v případě indukované magnetosféry, poskytuje informace o struktuře vodivosti objektu. Máme v úmyslu využít námi navržen hardware (snímače a elektronika) v misích jako je LAPLACE, mise k Jupiteru a jeho měsíci Europa, nebo Tandem, mise k Titanu a Enceladu. Obě jsou součástí program ESA Cosmic Visions 2015-2025. Druhá oblast našeho zájmu spočívá v zkoumání základních mechanismů v plazmě. Zvláštní pozornost věnujeme slunečnímu větru, jeho interakce s překážkami a procesem vedoucím k jeho urychlení. Tyto otázky by měla zodpovědět např. mise PHOIBOS a další plánované mise.
ESA 4 – Komplexní studie Slunce ve vysokém prostorovém rozlišení
Na palubě satelitu ESA Solar Orbiter (SO) chtějí vědci umístit soubor přístrojů pro in-situ a dálkové měření. In-situ přístroje se skládají z detektorů částic a událostí v přímé blízkosti družice: tj. nabité částice a magnetická pole slunečního větru, rádiové a magnetické vlny ve slunečním větru a energetické nabité částice vyvržené Sluncem.
Přístroje pro dálkové měření budou pozorovat sluneční povrch a atmosféru. Plyn v atmosféře je nejlépe detekován díky jeho silné emisi v krátkovlnném ultrafialovém a rentgenovém záření. Na tyto vlnové délky bude vyladěn imager a spektrograf o vysokém rozlišení. Vnější atmosféra bude pozorována v ultrafialovém a viditelném záření koronografy, které blokují jasný sluneční disk. Ke studiu povrchu ve viditelné oblasti spektra a k měření lokálních magnetických polí ponese Solar Orbiter dalekohled a magnetograf o vysokém rozlišení. Imager v tvrdé rentgenové oblasti bude sloužit jako doplňkový přístroj k vybavení družice.
Dne 18. října 2007 ESA vydala tzv. „Announcement of Opportunity“ na vybavení Solar Orbiteru. To bylo 22. října následováno oznámením NASA o tzv. „Focused Opportunity for Solar Orbiter (FOSO) “ v rámci programu Small Explorer (SMEX). Cílem SMEX FOSO bylo vybrat vědecký program v souladu s požadavky na vybavení letového hardwaru pro Solar Orbiter. Návrhy byly posouzeny mezinárodní komisí Payload Review Committee (PRC); v únoru 2009 se konalo nové posouzení přístrojového vybavení, kde byly vzaty do úvahy doporučení PRC. Česká republika jako nový členský stát ESA se účastní těchto přístrojů:
X-ray Imager (STIX)
Hlavní řešitel: Prof. Arnold O. Benz, Institute of Astronomy, ETH Zurich, Švýcarsko
STIX bude poskytovat tzv. imaging spektroskopii termální a netermální rentgenové emise. STIX bude dodávat kvantitativní informace jak o čase, pozici, intenzitě a spektrech urychlených elektronů, tak o vysoké teplotě termálního plazmatu, které je často spojeno s erupcemi a/nebo mikro-erupcemi (microflares).
Radio and Plasma Waves (RPW)
Hlavní řešitel: Dr. Milan Maksimovic, LESIA, Observatoire de Paris, Francie
RPW experiment je jedinečný mezi přístroji Solar Orbiteru v tom, že bude provádět in-situ i dálková měření. RPW bude měřit magnetická a elektrická pole s vysokým časovým rozlišením za použití několika senzorů/antén. Cílem je určit charakteristiky elektromagnetických a elektrostatických vln ve slunečním větru.
Coronograf (METIS/COR)
Hlavní řešitel:Prof. Ester Antonucci, INAF- Astronomical Observatory of Turin, Itálie
METIS/COR bude zobrazovat současně viditelnou a ultrafialovou emisi sluneční koróny a diagnostikovat tak, s nebývalým prostorovým rozlišením a časovým pokrytím, strukturu a dynamiku celé sluneční koróny v rozsahu 1.2 až 3.0 (1.6 až 4.0) slunečních poloměrů od středu Slunce v nejbližším (nejvzdálenějším) přiblížení ke Slunci v průběhu nominální mise. Toto je oblast, která je klíčová pro vazbu jevů ve sluneční atmosféře na jejich vývoj ve vnitřní
ESA 5 – Pozorování sluneční koróny z kosmu, studie koróny a protuberancí
ESA provádí série experimentů vyspělé technologie na oběžné dráze Země na testování a zkoušení nových sofistikovaných operací se satelity a jinými technickými aktivitami. Série takto zaměřených kosmických misí se nazývá Proba a Astronomický ústav AVČR je již zapojen do kosmické mise Proba 2 (aktivita programu ESA_3 ). Další z těchto experimentů, Proba 3, byl nazván „let ve formaci“, tedy jedná se o test realizovatelnosti a schopnosti perovat se dvěma satelity letícími simultánně vedle sebe. Tyto dva malé satelity budou obíhat po oběžné draze a budou od sebe vzdálené 150 metrů a účel tohoto experimentu je zachovávat jejich správnou orientaci na Slunce v průběhu jejich simultánních oběhů. Zkušenosti získané z tohoto experimentu budou využity v budoucnosti u velkých satelitů, jako např. IXO (viz aktivitu ESA_8). Na palubě satelitů se bude nacházet koronograf ASPIICS s externí sluneční clonou, kde první satelit bude nést clonu (tzv. umělý Měsíc) a druhý bude nést samotný dalekohled. Celý tento systém bude sloužit na simulování úplného zatmění Slunce. Pozorování budou vykonávána v různých spektrálních čarách a v kontinuu bílého světla (včetně polarimetrických měření). V červenci 2009 ESA vydala tzv. vyhlášení příležitosti (anglicky Announcement of Opportunity − AO) na přístrojové vybavení projektu Proba 3 a Česká republika jako nový člen ESA byla přizvána k účasti v mezinárodním týmu připravujícím podklady pro koronograf který bude pracovat na palubách satelitů. Vědecký vedoucí projektu (tzv. principal investigator − PI) je Dr. Philippe Lamy (LAM, Marseille, France). Tento projekt přináší výjimečnou možnost pro český výzkumní tým a průmysl na účast ve vývoji a výrobě přístrojového vybavení satelitů. Uvažuje se, že by se vstupní dvířka a mnoho-čočkové objektivy dalekohledu vyvinuly a vyrobily v České republice.
ESA 6 – Spektroskopie a zobrazování sluneční atmosféry z kosmu
SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) je společným projektem Evropské kosmické agentury ESA a agentury NASA. Projekt je orientován na studium Slunce, od jeho nitra až po vnější korónu a sluneční vítr a je jedním z nejúspěšnějších vesmírných projektů v historii obou agentur. Mise SOHO byla zahájena v prosinci 1995, s předpokládaným trváním dvou let. Navzdory tomu je většina vědeckých přístrojů stále funkční a nyní se předpokládá další prodloužení mise minimálně do roku 2012 (ESA AO na podzim 2009). Na palubě je celkem 12 přístrojů, z nichž 4 využívá ASU AV ČR dlouhodobě pro účely spektroskopie a zobrazování sluneční atmosféry (SUMER, CDS a EIT) a pro studium velkorozměrových rychlostních polí (MDI) v rámci grantu ESA-PECS 98030 (PI – P. Heinzel).
V rámci přípravy ČR na členství v ESA (projekt PECS) se i vědečtí pracovníci ASU AV ČR zapojili do vědecké a publikační činnosti zaměřené na zpracování, analýzu a interpretaci pozorování získaných pomocí řady přístrojů na palubě SOHO a na následný vývoj teoretických modelů na základě získaných dat. Pomocí sledování supergranulace v dopplergramech získaných přístrojem MDI (Michelson Doppler Imager) byla studována velko-rozměrová rychlostní pole ve sluneční fotosféře. Ta jsou jedním ze základních vstupních parametrů pro modely slunečního dynama, které jsou založeny na transportu magnetického toku. Ve spolupráci s řeckými astrofyziky byly na základě pozorovaní ze CDS (Coronal Diagnostic Spectrometer) analyzovány vlastnosti a šíření vln ve sluneční chromosféře, což vede k pochopení mechanismů ohřevu sluneční atmosféry. Nejrozsáhlejší část vědecký práce ASU, spojená se SOHO, reprezentuje studium slunečních protuberancí a filamentů. Vědci z ASU se zabývali analýzou a interpretací dat získaných pomocí přístrojů CDS, EIT (Extreme-ultraviolet Imaging Telescope) a SUMER (Solar Ultraviolet Measuremets of Emitted Radiation). Kromě toho se věnovali i teoretickému modelování jemné struktury protuberancí s využitím sofistikovaných metod modelování přenosu záření ve dvourozměrných vláknech. Užitím dat z přístrojů SOHO byly také studovány vazby mezi eruptivními protuberancemi a výrony koronální hmoty, tzv. CME (Coronal Mass Ejections). Pro vybrané případy se podařilo odhadnout hmotu protuberancí a tu pak porovnat s vyvrženou hmotou CME. CME mohou mít přímí vliv na Zemi, např. v podobě geomagnetických bouří (Space Weather Programme , spadá pod bezpečnostní výzkum).
Hinode je satelit pozorující slunce postavený ve spolupráci Japonska, Spojených Států a Spojeného Království z přispěním také ESA. Účast České Republiky se děje v rámci ESAPECS grantu a dále bude pokračovat prostřednictvím programu PRODEX. Naše účast je zaměřená na využívání dat ze tří přístrojů: SOT (Solar Optical Telescope), EIS (Extreme UV Spectrometer) and XRT (Soft X-ray Telescope). Data z těchto přístrojů budou využívány za účelem následujících vědeckých studií: výzkum slunečních protuberancí a jejich koronálního okolí (tzv. koronální kavity obklopující protuberance) použitím jedinečné kombinace pozorování přístrojů SOT, EIS, XRT s podporou pozorování přístrojů na družicích TRACE a SOHO, studie sluneční chromosféry, erupcí a magnetických polí pomocí polarimetrických pozorovaní přístroje SOT.
ESA 7 – Družicová altimetrie a gradientometrie, kosmická geodézie
V současné době je práce prováděna zejména v rámci grantu ESA-PECS C98056 s názvem “GOCE – specielní úkoly studia jemné struktury gravitačního pole Země”, zejména simulace dráhového vývoje družice a příprava softwaru na zpracování dat gradientometru z družice GOCE (GOCE = Gravity Field and steady-state Ocean Circulation Explorer, vypuštěna na jaře 2009).
Hlavní výzkumné oblasti, kterým se budeme věnovat:
1. Výběr dráhy a jemné ladění dráhy pro měřické fáze GOCE
2. Nové geodetické výpočetní postupy
3. Srovnání podrobných družicových a pozemních dat
4. Detekce impaktních (meteoritických) struktur na Zemi
Budoucí program zahrnuje:
•odhad přesnosti modelů gravitačního pole
•kalibrace kovariančních matic pomocí nezávislých družicových dat
•zjemnění gradientometrie založené na altimetrických datech s vysokým rozlišením
•studium časově proměnné části geopotenciálu
•kombinace heterogenních (pozemních a družicových) dat pro studium gravitačního pole
•srovnání různých matematických nástrojů pro regionální gravitační modely
Tato výzkumná činnost vychází z tradiční spolupráce s ČVUT, která bude zajišťovat PhD studenty a post-doky pro Centrum E2S. Klíčová infrastruktura je DOC a SCL. Výzkumná činnost má významné aplikace v oboru družicové geodézie a geofyziky.
ESA 8 - Rentgenová spektroskopie a zobrazování hvězdných objektů
Tento program bude zaměřen na mezinárodní spolupráci v rámci společného projektu satelitu IXO (Mezinárodní rentgenová observatoř) podporovaného ESA, NASA a JAXA. Program bude zaměřen jak na vědecké tak i na technologické aspekty. Mezinárodní rentgenová observatoř je nový velký rentgenový teleskop, na jehož realizaci se účastní agentury NASA, Evropská kosmická agentura (ESA) a Japonská agentura pro výzkum kosmu (JAXA). Tento projekt nahrazuje dva dřívější koncepty a to: Constellation-X realizovaný NASA a XEUS realizovaný ESA.
V polovině roku 2008 se hlavní představitelé ESA, NASA a JAXA dohodli na zrealizování a vedení společné IXO studie s jednotně stanovenými vědeckými cíly nejvyšší úrovně. Touto dohodou byly ustanoveny požadavky na klíčová vědecká měření. Ze studie IXO mise vzešla konfigurace rakety, která zahrnuje samostatné velké rentgenové zrcadlo, prodlouženou optickou lavici s ohniskovou vzdáleností ~20m a soubor pěti detekčních zařízení v ohniskové rovině.
Detekční přístroje rentgenového záření zahrnují v rámci IXO konceptu: detektor k zobrazení širokého pole, spektrometr s vysokým spektrálním rozlišením (kalorimetr), detektor k zobrazeni tvrdého rentgenového záření, mřížkový spektrometr, spektrometr s vysokým rozlišením času a polarimetr. Koncepce IXO mise je předkládána americkému Decadal Survey committee a do ESA programu nazvaného Cosmic Vision. Navrhovaný vedoucí pracovník vědec (R. Hudec) je přidružený vědec v IXO misi a člen IXO TWG (Pracovní skupina teleskopu) delegovaný za ESA.
Navrhovaný projekt souvisí s projektem IXO agentur ESA/NASA/JAXA a bude prováděný v široké mezinárodní spolupráci. V pozdější fázi se předpokládá využití IXO zařízení k vědeckému výzkumu a analýzám.