HYADES łączy demonstrację nowej technologii na orbicie z jej pierwszym ambitnym zastosowaniem naukowym. Satelita będzie badał wodę i jej skład izotopowy w kometach, aktywnych planetoidach i obiektach międzygwiazdowych, obserwując promieniowanie w zakresie dalekiego ultrafioletu, niewidoczne z powierzchni Ziemi.
W proponowanej konfiguracji światło zbierze teleskop Ritcheya–Chrétiena o średnicy 20 cm, współpracujący z dwiema kamerami ultrafioletowymi: HDi do obserwacji wodoru i deuteru oraz OHi do obserwacji rodnika hydroksylowego OH. Misję zaplanowano na niskiej, heliosynchronicznej orbicie okołoziemskiej, na wysokości około 500–600 km.
Dlaczego obserwacje w dalekim ultrafiolecie?
Sublimujący lód uwalnia cząsteczki wody, które tworzą gazową otoczkę wokół jądra komety. Pod wpływem promieniowania słonecznego cząsteczki rozpadają się, a w kolejnych etapach tego procesu powstają między innymi atomy wodoru i deuteru — jego cięższego izotopu.
Atomy te pochłaniają i ponownie emitują światło słoneczne w linii Lyman-α, w pobliżu 121,6 nm. Jest to wyjątkowo silna linia emisyjna, dzięki której nawet niewielkie ilości gazu mogą pozostawić wykrywalny ślad. Porównanie emisji wodoru i deuteru, z uwzględnieniem modeli rozpadu wody, ruchu atomów i ich oddziaływania z promieniowaniem, pozwoli wyznaczać stosunek D/H.
Promieniowanie Lyman-α należy jednak do dalekiego ultrafioletu i jest pochłaniane przez ziemską atmosferę. Dlatego pomiary trzeba prowadzić z kosmosu — właśnie do takich obserwacji zaprojektowano HYADES.
Jak wydobyć słaby sygnał z jasnego tła?
Samo wyniesienie teleskopu ponad atmosferę nie rozwiązuje wszystkich trudności. Wodór otaczający Ziemię tworzy rozległą geokoronę, która również świeci w linii Lyman-α. Dodatkowy sygnał pochodzi od wodoru w przestrzeni międzyplanetarnej. To jasne tło może przesłaniać znacznie słabszą emisję obserwowanego obiektu.
Szczególnie wymagające są pomiary deuteru. Jego linia Lyman-α jest oddalona od linii zwykłego wodoru o zaledwie około 0,033 nm, a jej sygnał jest znacznie słabszy. Instrument musi więc odróżnić emisję obu izotopów i ograniczyć wpływ niepożądanego promieniowania.
Kluczowym elementem kamery HDi będzie opracowywany w projekcie gazowy filtr absorpcyjny. Wykorzystuje on zdolność gazu do pochłaniania światła w bardzo wąskich liniach widmowych. Pozwala to selektywnie tłumić określone składniki promieniowania, zachowując możliwość obrazowania rozległej otoczki gazowej.
Filtr ma dwa główne zadania: ograniczać tło utrudniające obserwacje oraz umożliwiać rozróżnienie emisji wodoru i deuteru. Podczas pomiarów deuteru szczególnie ważne będzie osłabienie znacznie jaśniejszej emisji wodoru pochodzącej z samej komety. Skuteczność pomiaru zależy również od geometrii obserwacji: ruch gazu względem obserwatora przesuwa jego linie widmowe wskutek efektu Dopplera. Dobór odpowiednich terminów obserwacji będzie zatem istotną częścią pracy instrumentu.
Instrumenty naukowe
Podstawowym instrumentem naukowym będzie HDi — Hydrogen and Deuterium Imager, czyli kamera do obrazowania wodoru i deuteru w linii Lyman-α. Pozwoli ona badać zarówno ilość uwalnianego gazu, jak i jego rozkład wokół obserwowanego obiektu. Pomiary wykonywane przy różnych ustawieniach filtra umożliwią wydzielenie słabego sygnału deuteru.
Uzupełniająca kamera OHi — OH Imager będzie obserwować emisję rodnika hydroksylowego w pobliżu 309 nm. OH powstaje w komach niemal wyłącznie z rozpadu wody, jest więc szczególnie dobrym wskaźnikiem jej obecności.
To ważne, ponieważ atomowy wodór może pochodzić także z innych związków. Obserwacje OH prowadzone w zbliżonym czasie pozwolą sprawdzić, czy ilość wodoru zarejestrowana przez HDi odpowiada ilości oczekiwanej z rozpadu wody. Ewentualna nadwyżka będzie wskazywać na udział innych źródeł. Obie kamery dostarczą zatem wzajemnie uzupełniających się informacji potrzebnych do wiarygodnej interpretacji pomiarów D/H.
Do rejestracji słabego promieniowania posłużą detektory wykorzystujące płytki mikrokanalikowe. Wzmacniają one sygnał wywołany przez pojedynczy foton, umożliwiając jego zarejestrowanie. Niski poziom szumów i możliwość długiego zbierania światła mają zasadnicze znaczenie przy badaniu słabych, rozległych otoczek gazowych.
Rozwój instrumentu obejmuje badania laboratoryjne z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego. W Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie przygotowano dostęp do wiązki w zakresie linii Lyman-α na linii badawczej URANOS. Umożliwia ona precyzyjne badanie właściwości transmisyjnych prototypów filtra.
Pierwszą kampanię pomiarową przeprowadzono w lutym 2025 roku. Kolejne doświadczenia służą rozwijaniu i weryfikacji technologii przed jej zastosowaniem w kosmosie.