Česká technologie pro sledování meteorů z vesmíru pořídila světově unikátní záznam jasného meteoru ze stratosférického balónu

Celosvětově však spektrální i obrazový dohled pokrývá jen několik procent dění na obloze. Spektrální sítě přinášejí cenné informace o prvkovém složení stovek tisíc tun materiálu, který každoročně vstupuje do atmosféry Země. Světelná stopa meteoru v sobě nese informaci o původu i složení meziplanetární hmoty. Nejde přitom jen o poznání vzniku planet či života – analýza meteorů může pomoci i při identifikaci objektů zajímavých pro budoucí těžbu.

Do atmosféry Země navíc nevstupují pouze meteory, ale i kosmické lodě, kosmické smetí a další plazmatické jevy. Velká část oblohy však zůstává nepozorována – například nad oceány, polárními oblastmi či pouštěmi. A i tam, kde kamery existují, je spektrální analýza omezena počasím, prachem a samotnou atmosférou. Kromě toho tělesa způsobující meteor často v atmosféře zaniknou, a spektrální záznam spolu s určením jejich dráhy tak představují jediný zdroj informací o jejich původu a složení. Nálezy meteoritů, u nichž je dráha spolehlivě zdokumentována, jsou proto velmi vzácné. Jedním z nich je meteorit Porangaba, který se podařilo zařadit mezi tzv. meteority s rodokmenem i týmu, jenž nyní otevírá cestu pro rozvoj satelitních technologií a budování globálních pozorovacích sítí. Konsorcium pod vedením Akademie věd ČR si proto vytklo cíl vyvinout pro tyto sítě světově unikátní, ryze českou hyperspektrální kameru FREYA s vlastní optikou.

Systém MORANA 2: Gondola je kromě kontextových kamer pro pozorování meteorů vybavena také experimentálním rádiovým přijímačem SID (Sudden Ionospheric Disturbance monitor) pro sledování jejich projevů v ionosféře (grafika David Černý, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR).

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 zajišťuje VZLU AEROSPACE a pozemní segment Hvězdárna Valašské Meziříčí. Významnou podporu poskytl také Ústav pro systémy kosmických letů (IRS) Univerzity Stuttgart. Prvním milníkem byl stratosférický let tří balónových sond MORANA 1, MORANA 2 a MORANA 3. Testovací verze kamery a optického systému při něm dosáhla průlomového výsledku – podařilo se získat první spektrální záznam meteoru ze stratosféry. Následovala více než roční analýza dat, zahrnující rekonstrukci dráhy velmi jasného bolidu prolétajícího nad centrálním Slovenskem a detailní zpracování spekter pomocí specializovaného softwaru pro přesnou detekci prvků.

Technika pro pozorování ze stratosférického balónu (mise Morana 1, 2 a 3): Panel A ukazuje schéma spektrální UV kamery schopné zaznamenat prvkové složení meteoru v ultrafialové oblasti, která je ze zemského povrchu silně absorbována atmosférou, zejména ozonovou vrstvou. Panel B zobrazuje gondolu s kamerou a Panel C náčrt stratosférického balónu. Balón je vyroben z kaučuku a ve výšce kolem 30 km praská. Gondola s užitečným zatížením následně klesá na padáku. Let je vybaven pozičním světlem a elektronikou včetně rádiového odpovídače a GPS, aby byla zajištěna bezpečnost leteckého provozu (grafika Martin Ferus a David Černý, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR).

Tři mise vzlétly v roce 2024 ze západoslovenského letiště v Partizánském a směřovaly nad východní Slovensko. MORANA 1 odstartovala v létě a sloužila především k testování technologií. MORANY 2 a 3 následovaly v prosinci téhož roku a po zhruba dvou hodinách letu, při dosažení výšek 27 a 30 km a po překonání vzdálenosti 140 až 170 km, přistály v oblasti Slovenského ráje. Mise byly vybaveny systémy pro video pozorování meteorů, rádiovým přijímačem pro sledování jejich stop v ionosféře a hyperspektrálními kamerami pro analýzu světelných stop meteorů ve viditelné a ultrafialové oblasti. Gondola MORANA 3 nesla model spektrálního systému pro mise CubeSat, kompletně vyvinutý týmem z Oddělení spektroskopie Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského ve spolupráci s Hvězdárnou ve Valašském Meziříčí a Centrem HiLASE.

Video z průběhu letu stratosférického balonu Morana 1 během maxima meteorického roje Perseid (Martin Ferus, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR).

Zařízení fungovalo bezchybně a za zlomek ceny kosmické mise umožnilo úspěšně otestovat technologii pro budoucí nasazení ve vesmíru. Samotný let technologicky zajistila firma Spacemanic ve spolupráci s Univerzitou v Žilině. Tým z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského spolu s Univerzitou v Žilině navíc úspěšně otestoval speciální stabilizátory, které zabránily příliš rychlé rotaci gondol ve stratosféře a výrazně zlepšily podmínky pro pořizování videozáznamů meteorů a jejich spekter. Unikátní spektrum bolidu zaznamenané kamerou mise MORANA 3 z výšky přibližně 22 km bylo přiřazeno meteorickému roji Geminid, jehož mateřským tělesem je asteroid (3200) Phaethon. Meteoroid vstoupil do zemské atmosféry rychlostí přibližně 36 km/s, začal se ablovat ve výšce 98 km a během 1,46 vteřiny urazil atmosférou světelnou dráhu 52 km. V době záznamu se balónová sonda MORANA 3 nacházela ve výšce 22 km a meteor pozorovala ze šikmého směru ze střední vzdálenosti asi 140 km. Kromě samotného záznamu se týmu při následné analýze dat podařilo jako prvnímu na světě triangulovat dráhu meteorické události pouze na základě dvou záznamů ze stratosférických balónů. Tento přístup odpovídá koncepci budoucích observačních sítí založených na CubeSatech, které budou sledovat stejnou oblast atmosféry současně ze dvou nezávislých úhlů. Princip byl dříve navržen např. v rámci studií proveditelnosti misí SOURCE (Ústav pro systémy kosmických letů, Univerzita Stuttgart) a SLAVIA (SAB Aerospace a konsorcium pod vedením Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR), jejichž cílem bylo vybudování takovýchto globálních pozorovacích sítí.

První spektrum meteoru ze stratosférického balónu: Spektrum odhaluje řadu emisních čar kovových prvků v oblasti, která je ze zemského povrchu prakticky nepozorovatelná. Pozorování z výšek blízkých kosmickému prostoru umožňuje zasáhnout až do oblasti kolem 200 nm, kde jsou tyto čáry velmi intenzivní a vhodné pro detailní analýzu. Spektrum Geminid odhalilo například přítomnost hliníku, jehož emise není ve viditelné oblasti běžně detekovatelná. Ukončení spektra kolem 300 nm odpovídá absorpci záření ozonem a dobře reflektuje propustnost atmosféry ve výšce přibližně 22 km (grafika a analýza Martin Ferus a Petr Kubelík, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, přiřazení Jakub Koukal, Hvězdárna Valašské Meziříčí).

Během letu bylo pořízeno více než 1 TB dat. Samotný bolid byl na hyperspektrální UV kameře MORANA 3 zachycen ve dvou po sobě jdoucích snímcích s časovým krokem 0,1 sekundy, zatímco větší část jeho trajektorie se podařilo rekonstruovat z kontextových kamer a záznamů druhé balónové sondy MORANA 2. Právě kombinace hyperspektrální kamery a kontextových kamer umožnila určit geometrii průletu, přiřadit jev ke konkrétnímu meteorickému roji a propojit spektrální záznam s dráhou tělesa v atmosféře.

Geometrie pozorování unikátního UV spektra meteoru: Meteoroid vytvořil světelnou stopu ve výškách od 98 do 52 km. Konec světelné stopy je způsoben rozpadem meteoroidu (v tomto případě) nebo jeho zpomalením na limitní rychlost kolem 4 km/s, při níž již nedochází k tvorbě plazmatu. Balón se značnou dávkou štěstí (pravděpodobnost záchytu byla menší než 0,5 %) zaznamenal dva snímky UV spektra meteoru s časovým rozlišením 0,1 s. Zachycena byla pouze část trajektorie: na snímku A vidíme jen slabé spektrum, přičemž meteor se nachází mimo zorné pole kamery, zatímco na snímku B je zachycen na jeho okraji v optimální geometrii. Spektrum se po rozkladu na mřížce v tomto případě perfektně a jasně promítlo přes celou plochu čipu UV kamery (grafika Martin Ferus, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, vizualizace pomocí ChatGPT).

Spektrální záznam zároveň jasně ukázal, jak zásadní je rozšířit pozorování meteorických spekter za hranice viditelného světla do ultrafialové oblasti, která je ze zemského povrchu silně omezená absorpcí ozonovou vrstvou. Záznam pokrývá spektrální oblast, která je ze zemského povrchu prakticky nedostupná. Právě v této oblasti se nacházejí intenzivní emisní čáry kovových prvků, které jsou pro přesnou prvkovou analýzu mimořádně cenné, avšak z běžných pozemních stanic prakticky nepozorovatelné. Ultrafialová spektra tak významně zpřesňují identifikaci chemického složení meteoroidů a zvyšují citlivost celé detekční metody. Tento výsledek je unikátní i v mezinárodním kontextu. Dosavadní stratosférické experimenty zaměřené na meteory se soustředily především na obrazová pozorování nebo sběr prachových částic, nikoli na hyperspektrální analýzu v ultrafialové oblasti. Získané měření proto nepředstavuje jen mimořádný vědecký výsledek, ale také přímý technologický důkaz, že spektrální analýzu meteorů lze úspěšně posunout ze zemského povrchu přes stratosféru až směrem ke skutečným kosmickým misím.

Další výzkum - cesta k pozorovacím sítím pomocí CubeSatů

Stratosférický let s takto úspěšným výsledkem představuje významný krok v přenosu spektroskopie meteorů z atmosféry do kosmického prostoru. Další výzkum má jasný směr – elektronici z firmy esc Aerospace dokončili konstrukci světově unikátní české UV kamery vybavené komponenty pro kosmické použití. Kamera odolá vakuu, extrémním teplotám i vibracím a splňuje náročná kritéria kosmických misí, včetně odolnosti vůči radiaci a požadavků na energetický a tepelný management. Systém je vybaven pokročilou českou optikou vyvinutou Centrem HiLASE a Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského ve spolupráci s firmou Lightigo, CEITEC a Vysokým učením technickým v Brně. Celý systém je testován v laboratořích VZLU AEROSPACE.

Technologický výzkum navazuje na unikátní laboratorní experimenty využívající výkonné lasery, například systém ASTERIX na Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Tyto experimenty umožnily napodobit spektra meteorického plazmatu, porozumět jejich struktuře a potvrdit zásadní význam ultrafialové oblasti pro přesnou prvkovou analýzu.

Příprava stratosférického balónu k letu: V popředí gondola se stabilizátory v péči Martina Feruse (Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR) a Pavla Pecha (Žilinská univerzita v Žilině). V pozadí Matúš Toderiška (Spacemanic) připravuje balón naplněný heliem (foto Tomáš Tichý, Centrum HiLASE - Fyzikální ústav AV ČR).

Astronomové z Hvězdárny Valašské Meziříčí zároveň vybudovali síť pozemních spektrálních stanic včetně instalace na Evropské jižní observatoři La Silla. Na stejném místě pracuje partnerský tým Astronomického ústavu AV ČR, který se věnuje výzkumu exoplanet.

„Český kosmický segment roste a optické přístroje a hyperspektrální pozorování Země hrají vedoucí úlohu v technologickém vývoji. Pozorovací sítě jsou budoucnost…,“ dodává k významnému milníku Richard Sysala z firmy esc Aerospace, která vyvíjí elektronickou část UV kamery pro satelity. Kamera byla pojmenována FREYA a je přímou následovnicí prototypů MORANA, které posloužily jako technologický demonstrátor během stratosférických let.

Gondola Morana 3 po návratu: Přestože je sestup brzděn padákem (vlevo), nelze vyloučit poškození při přistání. Na snímku uprostřed je viditelné poškození stabilizátorů testovaných během letu, k němuž došlo pravděpodobně při dopadu v lesnatém terénu Slovenského ráje (foto Robert Dianovský, rescue tým, Žilinská univerzita).

“Hyperspektrální pozorování meteorů byl nejen náš sen. Astronomové o takových sítích hovoří už více než dvě desetiletí, ale chyběly technologie, které by tuto myšlenku proměnily ve skutečnost. Dnes se to mění. Díky propojení akademického výzkumu a průmyslového vývoje se poprvé dostáváme do bodu, kdy můžeme začít budovat globální pozorovací sítě. Navazujeme na projekt CubeSatů SLAVIA a posouváme jej od konceptu ke skutečným systémům, které mohou nepřetržitě sledovat atmosféru Země a přinést zcela nový typ dat,“ říká vedoucí konsorcia Martin Ferus z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského.

„Kosmické technologie otevírají v oboru meteorické spektroskopie zcela novou kapitolu. Budujeme pro jejich podporu sítě mimo Českou republiku, např. na Evropské jižní observatoři,“ uzavírá Libor Lenža z Hvězdárny ve Valašském Meziříčí.

Kosmické mise v příštích dvou letech

Operační nasazení hyperspektrální kamery FREYA se očekává v rámci mise samostatného CubeSatu jako součást pozorovacího systému DOME na palubě družice SATen, vyvíjené pod vedením Vysokého učení technického v Brně konsorciem akademických institucí a průmyslových partnerů. Na projektu se podílejí Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, Centrum HiLASE Fyzikálního ústavu AV ČR a firmy esc Aerospace, Spacemanic a VZLU AEROSPACE. Do širšího konsorcia a návazných aktivit je zapojena také Hvězdárna Valašské Meziříčí, která zajišťuje pozemní segment a dlouhodobé spektrální pozorování meteorů, na něž kosmická část projektu přímo navazuje.

Tým Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského při práci: Vlevo nahoře Petr Kubelík při montáži elektroniky, vpravo nahoře David Černý a Martin Ferus při instalaci nosných konstrukčních prvků. Na spodním snímku uprostřed Jakub Koukal (Hvězdárna Valašské Meziříčí) kontroluje zapojení kontextových kamer (foto Tomáš Tichý, Centrum HiLASE - Fyzikální ústav AV ČR).

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 (IRS), pracují vědci z Oddělení spektroskopie Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR spolu s inženýry Centra HiLASE Fyzikálního ústavu AV ČR a průmyslovými partnery, zejména firmou esc Aerospace. Na vývoji optických komponent systému se dále podílejí CEITEC, Vysoké učení technické v Brně a firma Lightigo.

Systém bude testován v laboratořích VZLU AEROSPACE, které zajišťují kvalifikaci pro kosmické prostředí (vibrace, termovakuové testy, mechanická a environmentální odolnost), a následně integrován do platformy CORVUS satelitu SATen, kterou vyvinula firma Spacemanic.

Ráno po úspěšném letu: Na snímku zleva Martin Ferus, Pavol Pecho, Robert Dianovský, Pavlína Šeborová, David Černý a Petr Kubelík. V gondole v popředí se nachází záznam prvního spektra meteoru ze stratosféry. V té době jsme o tomto “pokladu” ještě nevěděli (selfie Martin Ferus, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR).

Technologický demonstrátor je také kandidátem na testovací let na palubě evropské kosmické lodi Space Rider (ESA), v rámci platformy IOSLAB vyvíjené brněnskou společností SAB Aerospace. Společnost SAB Aerospace misi dlouhodobě podporuje a konsorcium navázalo na předchozí spolupráci při vývoji kandidátského konceptu SLAVIA v rámci programu Ambiciózní české mise. Konečné potvrzení mise, v jejímž rámci bude technologický demonstrátor vynesen, však závisí na zajištění potřebného rozpočtu pro testovací let.

Vedení konsorcia

Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR
Martin Ferus (PI projektů a vývoje hyperspektrálních kamer)
vedoucí Oddělení spektroskopie
martin.ferus@jh-inst.cas.cz

Hvězdárna Valašské Meziříčí
Libor Lenža (Co-PI, pozemní segment)
ředitel
libor@nva.cz

Kontaktní osoby za technický vývoj hyperspektrální kamery

esc Aerospace (elektronika)
Richard Sysala
CEO
richard.sysala@evolvsys.cz

Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AV ČR (optika)
Karolina Macúchová
pracovník výzkumu a vývoje
karolina.macuchova@hilase.cz

VZLU AEROSPACE (testování)
Radek Peřestý
senior manažer výzkumu a vývoje
peresty@vzlu.cz

Poděkování

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

• Technologická agentura ČR – Program Národní centra kompetence „Letectví a vesmír II“ (projekty reg. č. TN02000009/07, TN02000009/11 a TN02000009/13)
• Akademie věd ČR – program regionální spolupráce (projekty reg. č. R300402301, R20040240, R200401801, R200401521 a R200402101)
• Grantová agentura ČR (projekty reg. č. 23-05186K, 21-11366S, 18-27653S)
• Strategie AV21 – program „Vesmír pro lidstvo“ (Strategie AV21/31)
• Evropská kosmická agentura a Ambiciózní projekty Ministerstva dopravy ČR – projekt SLAVIA (reg. č. SA-CIP-PTS-CZ3PFP-LE-2021-000282)

Autoři

Martin Ferus, Jakub Koukal, Petr Kubelík, David Černý, Pavlína Šeborová