Česká technologie pro sledování meteorů z vesmíru pořídila světově unikátní záznam padající hvězdy

Vědeckému týmu vedenému Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR se jako prvnímu na světě podařilo zaznamenat ultrafialové spektrum meteoru ze stratosféry a provést jeho prvkovou analýzu pomocí unikátního výpočetního softwaru. Tento technologický milník představuje významný krok ve vývoji českých hyperspektrálních kamer pro satelitní sítě CubeSatů určených ke sledování meteorů, návratů kosmických lodí, blesků a dalších světelných jevů v atmosféře Země.

Standardní astronomické sítě pro sledování padajících hvězd jsou pevně ukotveny na Zemi. Na světě jich funguje celá řada a čeští astronomové dokonce nedávno instalovali své kamery na Evropské jižní observatoři. Celosvětově však spektrální a obrazový dohled pokrývá jen několik procent dění na obloze. Spektrální sítě přitom přinášejí cenné informace o prvkovém složení stovek tisíc tun objektů vstupujících každoročně do atmosféry Země. Jejich světelná stopa – meteor – v sobě ukrývá informace o jejich původu a bohatství, které ukrývá meziplanetární hmota. A není to jen bohatství vědění zahrnující detaily o vzniku planet, života či složení těles v mezihvězdném prostoru – díky analýze meteorů lze identifikovat objekty zajímavé pro budoucí těžbu. Na obloze také nevidíme jen meteory – do atmosféry Země vstupují kosmické lodě, kosmické smetí a dochází k zajímavému výskytu plazmatických událostí. Jenže obloha nad oceány, arktickými a pouštními oblastmi či neprostupnými lesy nám svá tajemství neodkrývá. A tam, kde astronomické kamery dohlédnou, omezuje možnosti spektrální analýzy špatné počasí, prach a atmosféra, zužující i za ideálních podmínek její rozsah.

Díky rozvoji satelitních technologií se nyní otevírá cesta k budování sítí pro systematické přehledové pozorování a spektrální analýzu meteorů a dalších dějů v atmosféře Země. Konsorcium pod vedením Akademie věd ČR si vytklo za cíl vyvinout světově unikátní, avšak ryze českou, spektrální kameru FREYA vybavenou vlastní optikou a vydláždit tak cestu pro jejich vybudování.

Elektronickou část kamery vyvinula firma esc Aerospace, optickou část Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského a Centrum HiLASE Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, testování systému pro kosmické použití má na starosti VZLU AEROSPACE a pozemní segment Hvězdárna Valašské Meziříčí. Vývoj kamery svým know-how výrazně podpořil Ústav pro systémy kosmických letů Univerzity Stuttgart. 

Prvním milníkem byl stratosférický let tří českých balónových sond MORANA 1, MORANA 2 a MORANA 3. Testovací set kamery a optického systému hned dosáhl světově unikátního úspěchu – získali jsme první spektrální záznam meteoru ze stratosféry. Následovala více než rok trvající analýza letových dat, dráhy velmi jasného bolidu prolétajícího nad centrálním Slovenskem a analýza spekter pomocí zcela unikátního softwaru, který umožňuje velmi precizní detekci prvků ve světelné stopě meteoru. Tři stratosférické mise vzlétly během roku 2024 ze západoslovenského letiště v Partizánském a zamířily východním směrem na Košice. Po dvou hodinách letu a vystoupání do výšky mezi 27 a 30 km se snesly na padáku do malebné krajiny Slovenského ráje. Mise byly vybaveny systémy pro video pozorování meteorů, radiovým přijímačem pro sledování jejich stop v ionosféře a hyperspektrálními kamerami pro analýzu světelných stop meteorů ve viditelné a ultrafialové oblasti. Gondola MORANA 3 nesla na své palubě model spektrálního systému pro mise CubeSat kompletně sestavený týmem z Oddělení spektroskopie Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR ve spolupráci s Hvězdárnou ve Valašském Meziříčí a Centrem HiLASE Fyzikálního ústavu. Zařízení fungovalo perfektně a za zlomek ceny kosmické mise se v zádveří vesmíru podařilo úspěšně otestovat systém pro CubeSatové technologie. Samotný let technologicky zajistila firma Spacemanic a Univerzita v Žilině.

Unikátní spektrum bolidu poprvé na světě pořízené ze stratosféry bylo přiřazeno roji Geminid. Prvková analýza poukázala na přítomnost organických látek v jinak kamenném materiálu pocházejícím z tělesa 3200 Phaethon, který dále obsahuje zejména hořečnaté silikáty a kovy. Spektrální snímek odhalil, jak důležité je rozšířit pozorování spekter za hranice lidským okem viditelného světla až do nebezpečného, ozonovou vrstvou stíněného rozsahu ultrafialového záření. Světelná stopa v této oblasti krátkých vlnových délek světla září s vysokou intenzitou a obsahuje čárová spektra atomů, která nejsou pozorovatelná pomocí pozemních stanic. Výrazně tak zpřesňuje analýzu a vylepšuje citlivost detekce.

Cesta k pozorovacím sítím pomocí CubeSatů

Další výzkum v oboru má jasný směr – elektronici z firmy esc Aerospace dokončili konstrukci světově unikátní a ryze české UV kamery vybavené komponenty pro kosmické použití. Kamera odolá nejen vakuu a výkyvům teplot, stejně jako kamera na palubě stratosférického balonu, ale splňuje i další přísná kritéria pro kosmickou misi, jako je odolnost proti vibracím, radiaci, energetický a tepelný management a další. Systém je vybaven pokročilou českou optikou – UV objektivem, který byl vyvinut centrem HiLASE Fyzikálního ústavu a Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR speciálně pro tento hyperspektrální systém. Na vývoji optiky tým spolupracuje rovněž s firmou Lightigo a Vysokým učením technickým v Brně. Celý set je testován v českém centru kosmických technologií – v laboratořích VZLU AEROSPACE.

Technologický výzkum navazuje na unikátní laboratorní experimenty prováděné týmem vedeným odborníky z Oddělení spektroskopie Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského na českých laserových pracovištích vybavených nejsilnějšími lasery světa. Laserové plazma vytvořené na povrchu skutečných vzorků meteoritů pomocí laseru ASTERIX na Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR vydláždilo cestu k poznání komplikované struktury světelné stopy plazmatu meteorů, napodobení a porozumění spektrům pomocí unikátního výpočetního softwaru a rozpoznání důležitosti UV oblasti pro výpočty a prvkovou analýzu. Astronomové z Hvězdárny Valašské Meziříčí vybudovali síť pozemních spektrálních stanic zahrnujících také Evropskou jižní observatoř na La Silla. Ze stejného místa se dívá náš partnerský tým astronomů z Astronomického ústavu AV ČR ještě dál – pátrá po exoplanetách.

„Český kosmický segment roste a optické přístroje a hyperspektrální pozorování Země hrají vedoucí úlohu v technologickém vývoji. Pozorovací sítě jsou budoucnost. Hyperspektrální kamera pro mise CubeSatů jménem FREYA je jen první krok. Další kamery ryze české provenience, také pro pozorování povrchu Země, budou následovat. Česko získává unikátní postavení – budeme mít kompetence v oblasti zobrazovacích technologií schopných zjistit a analyzovat, co se děje v atmosféře i na povrchu Země. 24 hodin denně, 365 dní v roce, všude na světě,“ říká Richard Sysala z firmy esc Aerospace, která vyvíjí elektronický systém kamery.

„Hyperspektrální pozorování meteorů byl nejen náš sen. Astronomové o takových sítích hovoří již přes dvě dekády. Chyběly technologie, chyběly finance. Spolupráce s našimi partnery z akademické a průmyslové sféry nyní vybudování takových sítí umožní a posune je ještě dál. Je to úžasná týmová práce navazující na projekt CubeSatů SLAVIA. Díky tehdejší podpoře ambiciózních českých projektů se podařilo zhmotnit vědecký sen, který ale do praxe přináší unikátní české technologie a know-how,“ doplňuje Martin Ferus z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského, vedoucí projekt vývoje hyperspektrálních kamer.

„Mohlo by se zdát, že pozorování meteorů, tedy padajících hvězd, je doménou amatérských astronomů a že existuje jen pár špičkových pracovišť věnujících se této problematice na vědecké úrovni. Nové technické možnosti, dlouholetý vývoj zařízení a dobrá spolupráce umožňuje zapojení dalších institucí a konsorcií. Meteorická věda je náročná soutěž o zachycení toho nejlepšího jevu, získání kvalitních dat, nález unikátního meteoritu, rozšiřování poznání i prospekci prvků, které nám nabízejí tělesa ve Sluneční soustavě i mimo ni. Kosmické technologie otevírají v tomto oboru zcela novou kapitolu,“ uvedl Libor Lenža, ředitel Hvězdárny ve Valašském Meziříčí.

Kosmické mise v příštích dvou letech

Hyperspektrální kamery jsou zatím plánovány na dvou kosmických misích: Technologický demonstrátor poletí na kosmické lodi Space Rider v rámci platformy IOSLAB vyvíjené brněnskou firmou SAB Aerospace. SAB Aerospace misi podpořil a konsorcium úspěšně navázalo na předchozí spolupráci ve vývoji kandidátského konceptu družic SLAVIA v rámci programu Ambiciózní české mise.

Operační nasazení v rámci mise samostatného CubeSatu čeká hyperspektrální kameru FREYA v rámci pozorovacího systému DOME na palubě družice SATen, vyvíjené pod vedením Vysokého učení technického v Brně konsorciem akademických institucí za účasti Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR a firem esc Aerospace, Spacemanic a VZLU AEROSPACE. Na vývoji pozorovacího systému DOME, který se bude po vzoru stratosférických letů MORANA 1, 2 a 3 skládat vedle hyperspektrální kamery FREYA také z kontextové vizuální kamery, jejíž technologické řešení vytvořil Ústav pro systémy kosmických letů Univerzity Stuttgart, pracují vědci z Oddělení spektroskopie Ústavu fyzikální chemie spolu s inženýry Centra HiLASE Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR a firmou esc Aerospace. Systém bude testován v laboratořích VZLU AEROSPACE a integrován do platformy CORVUS satelitu SATen, kterou vyvinula firma Spacemanic.

Podpora projektů

Stratosférický let, vývoj hyperspektrálních kamer a související vědecké aktivity byly podpořeny:

• Projekty TAČR NCK Letectví a vesmír II, projekty reg. č. TN02000009/07, TN02000009/11 a TN02000009/13. 
• Program regionální spolupráce Akademie věd ČR, projekty reg. č. R300402301, R20040240, R200401801, R200401521 a R200402101.
• Projekty GAČR reg. č. 23-05186K, 21-11366S, 18-27653S.
• Strategie AV ČR AV21, program Vesmír pro lidstvo (Strategie AV21/31).
• Evropská kosmická agentura, Ambiciózní projekty MDČR, SLAVIA reg. č. SA-CIP-PTS-CZ3PFP-LE-2021-000282