Należący do NASA teleskop kosmiczny SPHEREx zaczyna wyglądać podobnie do tego, jak będzie wyglądał, gdy dotrze na orbitę okołoziemską i zacznie tworzyć mapy wszechświata. Skrót od Specto-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization i Ices Explorer, w skrócie SPHEREx nijak nie przypomina typowego teleskopu. Zamiast tego mamy urządzenie, które przypomina megafon, aczkolwiek taki, który będzie miał prawie 2,6 metra wysokości i będzie rozciągał się na prawie 3,2 metra szerokości. Charakterystyczny kształt obserwatorium nadają jego stożkowe osłony fotonowe, które są właśnie teraz montowane w czystym pomieszczeniu w Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL) NASA w Południowej Kalifornii.
Trzy stożki, umieszczone jeden w drugim, będą otaczały teleskop SPHEREx, chroniąc go przed światłem i ciepłem docierającym do niego ze Słońca i Ziemi. Teleskop będzie obserwował każdą część nieba, tak jakby skanował wnętrze globu od wewnątrz. W ciągu roku będzie w stanie dwukrotnie stworzyć mapę całego nieba.
„SPHEREx musi być dość zwrotny, ponieważ sonda musi poruszać się stosunkowo szybko podczas skanowania nieba” – mówi Sara Susca z JPL, zastępca kierownika ds. ładunku i inżynier systemów w misji. „Choć na to nie wygląda, ale osłony są w rzeczywistości dość lekkie i wykonane z licznych warstw. Na zewnątrz znajdują się wierzchnia warstwa aluminium, a wewnątrz aluminiowa struktura o strukturze plastra miodu, która wygląda jak karton – jest lekka, ale wytrzymała”.
Po uruchomieniu – nie później niż w kwietniu 2025 r. – SPHEREx pomoże naukowcom lepiej zrozumieć, skąd wzięła się woda i inne kluczowe składniki niezbędne do życia. Aby tego dokonać, misja zmierzy obfitość lodu wodnego w międzygwiazdowych obłokach gazu i pyłu, w których rodzą się nowe gwiazdy i z których ostatecznie powstają planety. Będzie badał kosmiczną historię galaktyk, mierząc zbiorcze światło, jakie one wytwarzają.
Pomiary te pomogą ustalić, kiedy zaczęły powstawać galaktyki i jak zmieniało się ich powstawanie w czasie. Wreszcie, mapując położenie milionów galaktyk względem siebie, SPHEREx będzie szukać nowych wskazówek na temat tego, jak szybka ekspansja, czyli inflacja Wszechświata, miała miejsce ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu.
SPHEREx dokona tego wszystkiego, wykrywając światło podczerwone, czyli zakres fal dłuższych niż światło widzialne, które widzą ludzkie oczy. Światło podczerwone jest czasami nazywane promieniowaniem cieplnym, ponieważ emitują je wszystkie ciepłe obiekty. Nawet teleskop może wytwarzać światło podczerwone. Ponieważ światło to zakłócałoby pracę detektorów, teleskop musi być chłodzony – poniżej minus 210 stopni Celsjusza.
Zewnętrzna osłona fotonowa będzie blokować światło i ciepło ze Słońca i Ziemi, a szczeliny pomiędzy stożkami zapobiegną przedostawaniu się ciepła do środka, w stronę teleskopu. Aby jednak mieć pewność, że SPHEREx osiągnie swoją niską temperaturę roboczą, potrzebuje również czegoś, co nazywa się grzejnikiem z rowkiem w kształcie litery V: trzy stożkowe lustra, każde przypominające odwrócony parasol, ułożone jedno w drugim. Każda z nich, znajdująca się pod osłonami fotonowymi, składa się z szeregu klinów, które przekierowują światło podczerwone w taki sposób, że odbija się ono przez szczeliny między osłonami i wypływa w przestrzeń kosmiczną.
„Niepokoi nas nie tylko to, jak zimny jest SPHEREx, ale także to, czy jego temperatura pozostaje taka sama” – powiedział Konstantin Penanen z JPL, kierownik ds. ładunku misji. „Jeśli temperatura się zmienia, może to zmienić czułość detektora, co może przełożyć się na fałszywy sygnał”.
Sercem SPHEREx jest oczywiście teleskop, który zbiera światło podczerwone z odległych źródeł za pomocą trzech zwierciadeł i sześciu detektorów. Teleskop jest pochylony u podstawy, dzięki czemu może zobaczyć jak najwięcej nieba, pozostając jednocześnie osłonięty tarczami fotonowymi.
Zbudowany przez Ball Aerospace w Boulder w Kolorado teleskop przybył w maju do Caltech w Pasadenie w Kalifornii, gdzie został zintegrowany z detektorami i radiatorem z rowkiem w kształcie litery V. Następnie w JPL inżynierowie przymocowali go do stołu wibracyjnego, który symuluje wstrząsy, jakie teleskop wytrzyma podczas rakietowego lotu w przestrzeń kosmiczną. Następnie powrócił do Caltech, gdzie naukowcy potwierdzili, że po testach wibracyjnych jego lustra nadal są ostre.
Zwierciadła wewnątrz teleskopu SPHEREx zbierają światło od odległych obiektów, ale to detektory potrafią „widzieć” długości fal podczerwonych, które misja próbuje obserwować.
Gwiazda taka jak nasze Słońce emituje cały zakres fal widzialnych, więc jest biała (chociaż ziemska atmosfera sprawia, że w naszych oczach wydaje się bardziej żółta). Pryzmat może rozbić to światło na składowe długości fal – tęczę. Nazywa się to spektroskopią.
Do wykonywania spektroskopii SPHEREx użyje filtrów zainstalowanych na swoich detektorach. Tylko mniej więcej wielkości krakersa, każdy filtr wydaje się opalizujący gołym okiem i ma wiele segmentów, które blokują wszystkie oprócz jednej określonej długości fali światła podczerwonego.
Każdy obiekt obserwowany przez SPHEREx będzie sfotografowany przez każdy segment, umożliwiając naukowcom zobaczenie konkretnych długości fal podczerwieni emitowanych przez ten obiekt, niezależnie od tego, czy jest to gwiazda, czy galaktyka. W sumie teleskop może obserwować ponad 100 różnych długości fal.
Na tej podstawie SPHEREx utworzy mapy wszechświata inne niż wszystkie, które powstały wcześniej.