Karolina Macúchová: Vyhráli jsme vesmírnou loterii. Naše hyperspektrální kamery posunou výzkum vesmíru

Co je to hyperspektrální kamera a v čem spočívá její hlavní výhoda oproti kamerám, které se na pozorování vesmírných těles používaly doteď?

Hyperspektrální kamera je zobrazovací spektrometr, který kombinuje prostorové snímání se spektroskopií. Na rozdíl od kamery, kterou známe například z fotoaparátu na mobilu, umí zachytit více než sto spektrálních pásem v jednom obraze. Umí nám předložit informace nejen o intenzitě světla, ale i o spektrálních vlastnostech objektu. Na základě spekter jsme pak schopní určit materiálové složení nebo popsat další dimenze objektu.

Jak to, že jsme kamerou schopní poznat, z čeho se vesmírný předmět skládá?

Princip je hodně podobný duze, kdy kapičky vody rozloží bílý sluneční svit na spektrum barev. My místo kapiček vody k analýze plazmatu vznikajícího při hoření používáme mřížku, od které se každá vlnová délka odchyluje pod jiným úhlem. Díky tomu, že nám rozložená spektra dopadají na detektor, dokážeme vidět nejenom původní obraz, ale i sled následných obrazů a spekter, ze kterých dokážeme vyhodnotit materiálovou analýzu. Zpětnou analýzou dokážeme určit přítomnost prvků, jako jsou hliník, železo, sodík a další složky, včetně spektrálních čar v ultrafialové (UV) oblasti, které jsou běžně ze Země nedostupné.

Naše hyperspektrální kamera Freya k tomu potřebuje mít speciální UV optiku vyrobenou ze speciálních materiálů. Čočky musí být dokonale vyleštěné a nesmí na sobě mít jedinou vadu, aby nedocházelo k rozptylu a zkreslení dat. Abychom toho dosáhli, nepoužíváme na ně běžné sklo, jako je to u běžných fotoaparátů, ale krystaly čistého křemene nebo fluoridy. 

Co nám může UV spektrum říct o předmětech z vesmíru?

Základní rovina souvisí s poznáváním vesmíru a světa kolem nás. Pokud známe složení vesmírného tělesa, můžeme odhadnout, z jaké oblasti vesmíru pochází. Praktická rovina souvisí s určením, jestli má smysl tento kámen těžit. Naše kamery se dají používat i na monitorování hoření kosmického smetí, které se vrací zpátky na Zem. Díky materiálovému složení umíme zjistit, jestli zpátky spadlo to, co jsme potřebovali.

Hyperspektrální kamery se dosud využívaly spíše pro sledování stavu vegetace nebo mapování oceánů. Jak se zrodila myšlenka využít je pro pozorování vesmírných těles?

Hyperspektrálních kamer je víc typů, lišících se principem snímání i oblastí použití. Ta, kterou používáme my, se hodí na snímání bodových zdrojů, které jsou daleko od nás, ve vesmíru. Těmito kamerami se kouká na hvězdy, a proto bylo logickým pokračováním pokusit se je zaměřit na bolidy (hořící meteorit prolétávající zemskou atmosférou, pozn.red.). 

I tato spektrografická snímání probíhají už delší dobu. My jsme unikátní v tom, že jsme schopní zaznamenat UV spektra, která normálně pohltí zemská atmosféra. Umíme se s kamerou pomocí stratosférických balonů dostat do výšek, nad většinu ozonové vrstvy atmosféry, čímž se dostaneme mimo zónu útlumu.  

Pravděpodobnost úspěchu mise Morana byla odhadována na pouhých 0,5 %. Jak se vám podařilo zaměřit se ve správný čas na správné místo? 

Pozorování bolidů je naprosto náhodný jev a my jsme měli velkou dávku štěstí. Prvně jsme museli kameru dostat do stratosféry Země pomocí stratosférického balónu. Celý tento systém byl v provozu jen dvě hodiny, což je extrémně omezený čas. Šli jsme tomu naproti tím, že jsme ho vypustili v době zvýšené pravděpodobnosti meteoritického roje Geminid a instrumentací přístroje. 

I tak jsme museli spoléhat na náhodu a bylo to jako vyhrát v loterii. Naše kamera má z podstaty věci velmi úzké zorné pole a my jsme měli štěstí, že během těch dvou hodin prolétl v námi zaměřeném úseku meteor nižšího středního jasu o jasnosti -6,6 mag. Podle našich výpočtů kolem nás proletěl ve vzdálenosti 140 kilometrů, což ve vesmírných podmínkách znamená velmi blízký průlet. Díky tomu jsme ho tak krásně zaznamenali. 

Jak dlouho vám trvalo všechno připravit, abyste pak mohli dvě hodiny se zatajeným dechem čekat?

Příprava samotné mise, kterou vede Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, trvala několik let, ale na projektu pracují kolegové, kteří v tom mají desítky let práce a know-how.

Na uskutečnění celé mise se podílelo několik velkých institucí, mimo jiné Ústav J. Heyrovského AV ČR, Národní výzkumný ústav Aerospace nebo Hvězdárna Valašské Meziříčí. Jak se vám spolupracovalo v takto širokém týmu?

Takto to zní velkolepě, protože to jsou velké ústavy, ale reálně to jsou malé multidisciplinární týmy poskládané z optiků, opto-mechaniků, chemiků, elektroniků, výpočtářů a dalších odborníků. Celkem se bavíme o nižších desítkách báječných lidí včetně lidí, kteří testují nebo zajišťují nějaké materiály. 

Co všechno nám dokáže spektrum plazmatu obklopujícího letící meteorit prozradit o jeho původu? 

To by byla otázka spíš na kolegy z Ústavu J. Heyrovského AV ČR, kteří se zabývali materiálovou analýzou. V centru HiLASE jsme se zabývali technickou částí projektu, optikou a kamerou jako takovou. Vlastními slovy můžu jen říct, že se díky UV spektru potvrdilo, že se bolid skládal z očekávaných i běžně nedetekovatelných kovů. Uvažte ale, že je to první záchyt UV spektra. Až bude hyperspektrální kamera na CubeSatu, budeme mít možnost dlouhodobého globálního pozorování, budeme mít mnohem více dat a budou se nám z nich dělat ještě mnohem lepší analýzy a závěry. 

Co jsou CubeSaty?

Jsou to mikrosatelity, které se vysílají na oběžnou dráhu. Náš satelit SATen (vyvíjený v konsorciu pod vedením Vysokého učení technického v Brně) bude umístěn na LEO orbitě (nízké oběžné dráze Země, pozn. red.) a ponese kromě hyperspektrální kamery i vizuální kameru. Tento systém bude zaměřený na Zemi a bude sledovat atmosféru 24 hodin denně. Pro vaši představu bude satelit s kamerou tak malý, že se pohodlně vejde na běžný pracovní stůl.

Proč budou kamery zaměřené na Zemi, když meteority přilétají z vesmíru?

Protože potřebujeme kamery dostat nad pásmo, kde dochází k hoření bolidu, což je ve výškách 50 až 130 km nad povrchem Země. U stratosférického letu jsme byli pod tímto pásmem, dívali jsme se do vesmíru, protože bolidy hořely nad námi. Když se dostaneme na LEO orbitu, budeme se muset dívat dolů, k zemské atmosféře, kde dochází k hoření.

Z této pozice budeme moci sledovat i návrat člověkem vytvořeného materiálu, například zánik satelitu na konci jeho životnosti, nebo hoření různých mimozemských objektů. Není to vůbec zaměřené na zkoumání Země. 

Dočetla jsem se, že by hyperspektrální kamery mohly fungovat na pozorování blesků. Není to tak?

Je to tak. Spíš než povrch Země nás ale zajímá atmosféra. Budeme například schopní snímat světelné znečištění nebo provést analýzu množství a vlivu sodíkových lamp. V téhle chvíli to ale není součást naší vědecké mise.

Jak velký milník je vypuštění hyperspektrální kamery do stratosféry z vaší perspektivy? 

Pro nás je to splnění vývoje projektu a ujištění, že je námi vyvíjená technologie schopná snímat, co potřebujeme. Už máme vyladěnou technologii a metodiku a řešíme jen technickou část, aby byla kamera schopná snímat s patřičnou citlivostí v nepříznivých podmínkách, které ve vesmíru panují. 

Česko je dlouhodobě špičkou v pozorování meteoritů a váš úspěch ho posunul ještě dál. Jak se stalo, že je malá středoevropská země v této oblasti na vrcholu?

V roce 1923 vyfotografoval český astronom Josef Klepešta první bolid, fotka obletěla svět a stala se slavnou, stejně jako Klepešta. Dalším velkým úspěchem bylo fotografické zaznamenání tzv. příbramských meteoritů ze 7. dubna 1959. Šlo o záznam prvního pádu meteoritu s rodokmenem, tedy se známým původem ve Sluneční soustavě.  Z Československa pak byla založena Evropská bolidová síť, což je síť pozorovatelen bolidů v Česku, na Slovensku, v Německu, Rakousku, Belgii a Švýcarsku. Díky tomu, že víc pozorovatelen zachytí jeden meteorit, dokážeme lépe určit trajektorii, zjistit, odkud přiletěl a kam dopadl. Minulý měsíc se to povedlo například hvězdárně v Ondřejově, která zbytky zachyceného meteoritu našla v Polsku. Máme tedy právo na to být na snímání meteorů pyšní, pokračovat v tom a posouvat tento obor.

Uvažuje se o produkci hyperspektrálních kamer ve větším objemu pro nepřetržitý monitoring z orbity. Bude se toto globální centrum nacházet v České republice?

Na to, abychom začali vysílat kamery do vesmíru ve velkém, musí být zákazníci nebo vědecké projekty. Zatím víme, že budeme vysílat jednotky hyperspektrálních kamer. Bylo by hezké mít síť stovek pozorovacích bodů, jako je tomu u bolidové sítě, ale teprve budoucnost ukáže, jestli se naplní tento výzkumný potenciál. 

Kam byste vy osobně ráda posunula výzkum hyperspektrálních kamer? 

Mojí nejbližší metou je, že se za dva roky vynese hyperspektrální kamera do vesmíru a bude na Zemi posílat kvalitní snímky. Do budoucna bude mít smysl jít cestou poznávání předmětů pomocí laserů v kombinaci s hyperspektrálními kamerami. Což nás dostává na úplný začátek našeho vesmírného příběhu.

Jak se vlastně laserové centrum jako HiLASE dostalo ke zkoumání meteoritů? 

Původ je ve snaze poznat a lépe popsat meteority, které dopadly na Zemi. Kolegové potřebovali simulovat stav, kdy meteorit vstoupí do atmosféry, začne brzdit a dojde k jeho vzplanutí. Aby dosáhli ablace, vyhledali nás jako centrum s vysoce výkonnými lasery, kterými jsme úlomky meteoritu zapálili a oni si mohli změřit pomocí hyperspektrálních kamer jejich ablační spektrum.

Karolina Macúchová působí v hi-tech laserovém výzkumném Centru HiLASE Fyzikálního ústavu AV ČR. Jako opto-mechanická inženýrka se specializuje na přesnou mechaniku a optiku. Kromě sestrojování optických zařízení se věnuje otázkám, jak vnější vlivy ovlivňují výzkum, a proč některé návrhy někdy nefungují. Několik let pracovala ve švýcarském CERNu na experimentu s cílem najít kandidáta na částici temné hmoty. 

Přečtěte si také

Padá hvězda, něco si přej: Češi si přáli zaznamenat její spektrum ze stratosféry a měli štěstí

Tým pod vedením Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR zaznamenal velký úspěch. Pravděpodobnost, že česká hyperspektrální kamera zaznamená jako první na světě unikátní vědecká data a otestuje tak technologie pro vesmírné mise, byla velmi malá, cca 0,5 %. Notnou dávku štěstí tým skutečně potřeboval.