kotisivu |
hakemisto |
kartat |
kohteet |
teoriaa |
avaruuslennot |
Jotta satelliitti tai luotain ei lähdön jälkeen putoaisi takaisin
maanpinnalle, sille on annettava riittävän suuri nopeus. Jotta se
jäisi Maata kiertävälle radalle, sen nopeuden on oltava ainakin 7,8
kilometriä sekunnissa eli 28 000 kilometriä tunnissa, jolloin se
kiertää Maan kerran noin puolessatoista tunnissa.
Jos satelliitti halutaan viedä korkeammalla, sen nostamiseen isommalle
radalle tarvitaan lisää energiaa. Samalla kuitenkin ratanopeus
pienenee ja kiertoaika pitenee
Keplerin lakien mukaisesti. Kun
radan säde on runsaat 42 000 km eli korkeus maanpinnasta 36 000 km,
kiertoaika on sama kuin Maan pyörähdysaika, joten Maasta katsottuna
luotain näyttää pysyvän aina samassa suunnassa (tietenkin se liikkuu
tähtien suhteen). Tällaista satelliittia sanotaan
geostationaariseksi.
Jos rata ei ole päiväntasaajan tasossa
tai jos se ei ole täysin pyöreä, satelliitti ei pysy samassa
suunnassa, vaan heilahtelee vuorokauden mittaan keskimääräisen
paikkansa ympärillä. Tällainen satelliitti on
geosynkroninen.
Geostationaarisia ratoja käyttävät esimerkiksi monet
tietoliikennesatelliitit. Kun satelliittitelevision lautasantenni
suunnataan kerran tällaiseen satelliittiin, sitä ei tarvitse sen
jälkeen käännellä, koska satelliitti on aina samassa
suunnassa. Geostationaarinen säähavaintosatelliitti puolestaan näkee
koko ajan saman alueen Maasta.
Monet tiedustelu-, sää- ja kaukokartoitussatelliitit käyttävät
napojen yli kulkevia ratoja. Radan asento säilyy samana, mutta
Maa pyörii satelliitin alla, jolloin satelliitti voi tarkkailla
koko planeetan pintaa. Valitsemalla radan asento sopivaksi ratataso
saadaan myös kiertymään halutulla tavalla häiriöiden vaikutuksesta.
Kolmen kappaleen probleema on
kuuluisa taivaanmekaniikan ongelma.
Lagrangen pisteet ovat seb
erikoisratkaisuja. Maa ja Aurinko yhdessä satelliitin kanssa
muodostavat kolmen kappaleen järjestelmän, jonka Lagrangen pisteet
kiertävät Aurinkoa samalla nopeudella kuin Maa ja pysyvät siten
paikoillaan Maan ja Auringon suhteen. Yksi näistä pisteistä, L1, on
Maan ja Auringon välissä. Siihen on sijoitettu Aurinkoa tarkkaileva
SOHO-satelliitti. Toinen Lagrangen piste L2 on Maasta katsottuna
vastakkaisessa suunnassa kuin Aurinko. Se on pysyvästi Maan varjossa,
joten se on sopiva paikka satelliitille, jota Auringon säteily voisi
häiritä. Esimerkiksi kosmista mikroaaltosäteilyä tutkiva WMAP
on sijoitettu tämän pisteen lähelle.
Jotta luotain voitaisiin lähettää toiselle taivaankappaleelle, sen
täytyy päästä pakoon Maan painovoimakentästä. Tähän tarvittava nopeus
eli pakonopeus Maan pinnalta on 11 kilometriä sekunnissa.
Sen jälkeen luotaimeen vaikuttaa pääasiassa Auringon painovoima, ja
senkin voittaminen vaatii energiaa. Energiaa tarvitaan lähetetäänpä
luotain Maan lähistöltä lähemmäs Aurinkoa tai kohti ulompia
planeettoja.
Planeettaluotaimen lähettämiseen tarvitaan sitä enemmän energiaa, mitä
nopeammin perille on päästävä. Hitaampaan matkaan energiaa tarvitaan
vähemmän, mutta on olemassa tietty raja, jota vähemmällä ei
selvitä. Essenin kaupungin arkkitehti
Walter Hohmann (1880--1945)
osoitti jo 1925, että vähiten energiaa kuluu ellipsiradalla, joka
perihelissä ja aphelissä sivuaa Maan ja kohteena olevan planeetan
ratoja. Tällaisella radalla liikkuva luotain tekee puoli kierrosta
Auringon ympäri, joten matkaan kuluu runsaasti aikaa. Esimerkiksi
matka Maasta Marsiin pitkin minimienergiarataa kestää runsaat
kahdeksan kuukautta.
Jotta luotain kohtaisi planeetan tehtyään puoli kierrosta
ellipsiradallaan Auringon ympäri, se on laukaistava oikealla hetkellä,
tavallisesti muutaman viikon sisällä. Tätä aikaväliä sanotaan
laukaisuikkunaksi. Jos lähtö viivästyy, minimienergiarata ei enää vie
luotainta planeetan lähistölle, ja silloin on odotettava, kunnes Maan
ja planeetan keskinäinen sijainti toistuu taas samanlaisena.
Kuten oheisesta luettelosta ilmenee, saman laukaisuikkunan aikana
on usein lähetetty kaksi suunnilleen samanlaista luotainta, mikä
luonnollisesti parantaa onnistumisen todennäköisyyttä.
Aikanaan luotain lähestyy toista planeettaa suurella nopeudella ja
jatkaa matkaansa sen ohi, ellei mitään tehdä. Jos luotaimen halutaan
jäävän planeettaa kiertävälle radalle, sen nopeutta on
lähestymisvaiheessa jarrutettava, ja taas kuluu energiaa.
Lisää energiaa tarvitaan, jos luotain tai tavallisesti vain sen pieni
laskeutumisosa halutaan laskea pehmeästi planeetan pinnalle. Nopeuden
vähentämisessä voidaan käyttää apuna planeetan ilmakehän kitkaa. Sillä
tavoinhan Maata kiertävät avaruusalukset saadaan takaisin alas; varsin
pienellä nopeuden muutoksella aluksen rata muuttuu niin, että se
kulkee ilmakehän yläosien kautta, jolloin ilman kitka edelleen
hidastaa liikettä ja saa aluksen putoamaan yhä jyrkemmin. Kitkan
vaikutuksesta energiaa muuttuu lämmöksi, ja aluksen suojaaminen
korkeaksi nousevalta kuumuudelta on vaativa tekninen ongelma.
Jos kohteena olevalla kappaleella on ilmakehä, putoamista jarrutetaan
yleensä laskuvarjolla. Viimeisimpien Mars-laskeutujien törmäystä
on lisäksi vaimennettu luotainta joka puolelta ympäröivillä
ilmatyynyillä. Pinnalle putoava luotain pomppii hetken
rantapallon tavoin ennen kuin asettuu aloilleen.
Jos planeetalta halutaan lähettää näyte (tai mukana ollut astronautti)
takaisin Maahan, kaikki edellä mainitut toimenpiteet on suoritettava
päinvastaisessa järjestyksessä.
Voi tuntua yllättävältä, että aivan Auringon lähelle on vaikeampaa
päästä kuin ulos aurinkokunnasta. Luotain saa nimittäin lähdössä
mukaansa Maan ratanopeuden, noin 30 kilometriä sekunnissa. Jotta
luotain putoaisi Aurinkoon, siltä on otettava pois tämä nopeus,
mitä ei nykyisellä tekniikalla pystytä suoraan tekemään.
Tällaiseenkin ongelmaan on ratkaisu. Luotain ohjataan niin, että se
ohittaa sopivasti läheltä jonkin planeetan tai muun ison
kappaleen. Kyseessä on tavallaan törmäys: planeetta menettää hitusen
liike-energiaansa ja siirtää sen luotaimelle (tai päinvastoin). Vaikka
kappaleet eivät kosketakaan toisiaan, painovoima välittää niiden
vuorovaikutuksen. Planeetan massa on niin paljon suurempi kuin
luotaimen, ettei sen liike muutu havaittavasti, vaikka luotaimen
nopeus voi muuttua merkittävästi.
Hyvä esimerkki tästä on Voyager 2, joka vieraili kaikkien
jättiläisplaneettojen lähistöllä. Jokaisessa ohituksessa se sai lisää
nopeutta, jonka turvin se pääsi aina seuraavaan kohteeseensa ja on nyt
poistumassa aurinkokunnasta. Menetelmää on käytetty lukuisia kertoja,
jotta luotain on saatu kohteeseensa mahdollisimman pienellä
energiamäärällä ja siten edullisesti. Tehokkaiden tietokoneiden avulla
erilaisia ratavaihtoehtoja voidaan tutkia helposti, ja joidenkin
luotainten radat ovat hämmästyttävän mutkikkaita kiemuroita eri
taivaankappaleiden pelatessa luotaimella kosmista biljardia.
Tieteelliseen kokeeseen rakettia käytettiin ilmeisesti ensi kerran
1822, jolloin ilmassa räjäytetyn raketin suunta havaittiin Wienistä ja
Neustadtista. Havainnoista voitiin määrittää paikkakuntien
pituusaste-ero.
Toisen maailmansodan jälkeen raketteja alettiin käyttää myös
tähtitieteellisiin havaintoihin. Avaruustähtitieteen voinee katsoa
alkaneen 10.10.1946, jolloin spektrometri vietiin V-2 -raketilla
ilmakehän yläpuolelle ja sillä havaittiin ensi kerran Auringon
ultraviolettispektriä.
Vastaavia luotausraketteja käytetään edelleenkin, jonkin verran
myös tähtitieteellisiin havaintoihin. Kun havaintolaitteelle
ei tarvitse antaa niin suurta nopeutta, että se jäisi Maata
kiertävälle radalle, energiaa ei tarvita kovin paljoa ja raketti
voi olla yksinkertaisempi. Haittana on tietysti, että havaintoja
voidaan tehdä vain muutaman minuutin ajan. Menetelmä sopii
kuitenkin esimerkiksi uudentyyppisten havaintolaitteiden
kokeiluun ennen kuin ruvetaan rakentamaan kallista avaruuteen
jäävää versiota.
Satelliittien avulla päästään eroon myös näkyvän valon
havaintoja häiritsevistä ongelmista (ks.
ilmakehän vaikutus havaintoihin).
Avaruudessa ilmakehän väreily ei heikennä
kuvan laatua ja erotuskyky riippuu vain kaukoputkesta ja
ilmaisimesta. Jos objektiivin muoto on oikea, suurellakin
kaukoputkella saavutetaan sen teoreettinen erotuskyky.
Tosin tätä ongelmaa on nykyisin pystytty merkittävästi
vähentämään adaptiivisella optiikalla, jolloin maanpäällisilläkin
teleskoopeilla päästään lähelle niiden teoreettista erotuskykyä
ja huomattavasti halvemmalla kuin avaruusteleskoopeilla.
Näkyvän valon alueella toimivia avaruusteleskooppeja on
tällä hetkellä vain yksi,
Hubble Space Telescope (HST), jossa
on 2,4 metrin peili. Optiikkaa ei testattu kunnolla etukäteen,
ja se osoittautui vialliseksi teleskoopin ollessa jo kiertoradalla.
Sukkulalennolla teleskooppiin asennettiin korjausoptiikkaa,
jolla erotuskyky saatiin paremmaksi. Tähtien kuvat leviävät
silti mutkikkaiksi diffraktiokuvioiksi, joiden vuoksi esimerkiksi
tähtien kirkkauksien mittaaminen on erittäin vaikeaa. HST menetti
näin osan etulyöntiasemastaan.
Maanpinnalta tehtäviä havaintoja vaivaa myös ilmasta siroava valo,
jonka lähteitä ovat päivällä Aurinko ja yöllä
valosaaste, Kuu ja
myös tähdet. Tämän sironneen valon vuoksi taustataivas ei ole musta,
jolloin himmeät kohteet eivät erotu. Avaruudessa hajavaloa ei ole
ja taivas on musta päivälläkin, joten havaintoja voidaan tehdä
jatkuvasti.
Avaruuden etuna on myös rajaton tila. Maanpäällisten teleskooppien
välimatka ei voi olla Maan läpimittaa suurempi, mikä rajoittaa
interferometristen havaintojen tarkkuutta. Tämä rajoitus poistuu, jos
havaintolaitteet viedään avaruuteen. Teleskooppien välimatka voi olla
melkein miten suuri tahansa, jolloin voidaan jo havaita niinkin pieniä
yksityiskohtia kuin Maan kokoisia planeettoja muista aurinkokunnista.
Kun havaitaan ultraviolettia pitempiä aallonpituuksia, avaruudessa
toimiva teleskooppi on periaatteeltaan samanlainen kuin
maanpäällinenkin optinen tai radioteleskooppi. Lyhemmät
aallonpituudet sen sijaan eivät heijastu peilistä tai taitu linssissä,
vaan absorboituu ja pysähtyy niihin. Siksi niiden
havaitsemiseen tarvitaan aivan toisenlaisia laitteita.
Ks. röntgen- ja
gammasädehavainnot.
Röntgensatelliitti Chandran erotuskyky on jo yhtä hyvä kuin
maanpäällisillä optisilla teleskoopeilla. Gammasäteilyn havainnoissa
ollaan vielä jäljessä, mutta epäilemättä niidenkin tarkkuus
paranee huomattavasti lähivuosina.
Radat
Luotausraketit
Laitteita ei välttämättä tarvitse viedä kiertoradalle,
vaan ne voidaan vain nostaa raketin avulla ilmakehän yläpuolelle,
josta ne sitten putoavat takaisin.
Havaintosatelliitit
Avaruudessa liikkuvien satelliittien merkittävin etu on, että
havaintoja voidaan tehdä kaikilla sähkömagneettisen säteilyn
aallonpituuksilla, joista vain pieni osa pääsee maanpinnalle. Tämä on
laajentanut tavattomasti tietoa tähtitaivaan kohteista.
Suurienergisissä prosesseissa, kuten kvasaareissa, supernovissa ja
mustien aukkojen ympärillä, syntyy lyhytaaltoista säteilyä, joka ei
pääse ilmakehän läpi. Myös näkyvää valoa pitempiaaltoinen infrapuna-
ja mikroaaltosäteily imeytyy ilmakehän vesihöyryyn. Tämä
pitkäaaltoinen säteily on kiinnostavaa mm. tähtienvälisen aineen ja
tähtien syntyalueiden tutkimisessa.