Big Bang-data efterbehandles med dansk software
Cinq - quatre - trois - deux - un - top.
Der var mange i den danske rumindustri, der holdt vejret under den sidste del af nedtællingen ved opsendelsen af Planck- og Herschel-satellitterne fra Kourou i Fransk Guyana den 14. maj kl. 15.14.
Men da billederne på storskærmen i Tycho Brahe Planetarium viste, at Ariane 5-raketten majestætisk løftede sig på det planlagte tidspunkt, lettede stemningen, og klapsalver bragede løs.
Også for civilingeniør Per Heighwood Nielsen fra det danske antennekonsulentfirma Ticra var det lidt af en befrielse. Han har gennem 15 år været en af nøglepersonerne på projektet og har stået for de komplicerede beregninger.
Beregningerne har givet astronom Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen på DTU Space information om, hvilke specifikationer han har måttet opfylde i sit design af de store spejle på satellitten, der skal opfange mikrobølgestrålingen i Universet, der er eftergløden fra Big Bang.
»Jeg tør dog næsten ikke sige det, men Planck hænger mig lidt ud af halsen lige i øjeblikket,« sagde Per H. Nielsen umiddelbart efter opsendelsen - næsten uhørligt for ikke at ødelægge den gode stemning i lokalet.
Spejlenes facon og placering
Årsagen er, at Per H. Nielsen har måttet lave en lang række trivielle beregninger på satellitten, fordi han i realiteten er den eneste mand i Europa, der kan løse opgaven.
Men det er ikke de simple opgaver, der tiltrækker Per H. Nielsen, det er de i komplicerede opgaver, som han og resten af firmaet er mest interesseret i at løse. Og her venter der heldigvis stadig en vigtig opgave.
Hans og Ticras arbejde slutter nemlig ikke med opsendelsen af satellitten, som i øjeblikket er på vej mod sit observationspunkt halvanden millioner kilometer borte fra Jorden i det såkaldte Lagrangepunkt 2 (L2). Når satellitten er på plads i et kredsløb om L2, skal Per H. Nielsen være med til at finde ud af, om spejlene har bevaret deres facon og placering. Er de en smule deformerede, kan han via sin software hjælpe med at rette op på de rådata, som satellitten modtager, så de kan bruges af forskerne.
Tolerancer og deformationer
Da Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen fra DTU Space (tidligere Dansk Rumforskningsinstitut) i midten af 1990'erne fik til opgave af ESA at stå for udviklingen af spejlteleskopet til Planck, tog han blandt andet kontakt til daværende professor Jesper Hansen på Elektromagnetisk Institut på DTU for at få hjælp til de komplicerede beregninger.
Jesper Hansen henviste til Ticra, som var oprettet af flere af hans tidligere studerende.
For at spare vægt blev det tidligt besluttet at opbygge spejlenes understøtning som det indre af en bikube ("honeycomb"-struktur) i kulfiber som bærende for en kulfiberoverflade coated med aluminium.
Da understøtningen ikke er jævn, vil der automatisk opstå små buler i spejlene, som ødelægger teleskopets præcision.
Ticra og Per H. Nielsen fik til opgave at beregne spejlenes tolerancer for elektromagnetisk stråling i frekvensområder 30-1.000 GHz, det vil sige med bølgelængder i området 0,3-10 millimeter, der viste sig at være 5 mikrometer i centrum af spejlet og cirka 30 mikrometer ved kanten på spejlet.
»Alene det, at vi kunne vise, at kravet til nøjagtighed ikke er så stort ved kanten som i centrum, gjorde det meget billigere at fremstille spejlene,« forklarer han.
Et stort problem er dog, at spejlene er fremstillet ved stuetemperatur, men at de i rummet er nedkølet til ganske få kelvin. Valget af limtype viste sig afgørende for at sikre, at spejlene stadig bevarer deres form i rummet.
»Men det vides faktisk ikke, hvordan de helt præcist ser ud, når Planck skal måle,« forklarer Per H. Nielsen.
Ingen beregninger eller simulationer har kunnet forudsige det. Faren er, at spejlene buler på en uregelmæssig måde, som kan forstyrre Plancks målinger. Men det har Ticra og Per H. Nielsen en metode til at bestemme.
Satellitten vil nemlig ikke kun opsamle stråling i form af eftergløden fra Big Bang. Når planeterne Jupiter, Mars og Saturn eller andre meget stærke objekter som eksempelvis neutronstjerner ved jævne mellemrum kommer ind i satellittens synsfelt, vil de også blive detekteret.
»Vi sammenligner det, vi måler med satellitten, med det, vi forventer at skulle se, når vi modtager velkendte signaler. Derfra kan vi regne baglæns og udregne selv meget små deformationer af spejlene, som vi efterfølgende kan tage højde for i målingen af den kosmiske baggrundsstråling,« siger Per H. Nielsen.
Satellitten forstyrrer sig selv
Selv uden deformation af spejlene er en efterbehandling påkrævet. For selv om spejlene kun kikker i en retning direkte bort fra Solen, vil de på grund af refleksioner på kanter på satellitten også skimte til siden og bagud. Hver gang en stråle rammer en kant, er man nødt til at tage højde for, at den spredes i flere retninger. Efter multiple refleksioner får man derfor et enormt antal stråler at tage højde for.
Under normale forhold, som det eksempelvis gælder ved antenner på kommunikationssatellitter, vil man dog antage, at efter to reflektioner er de enkelte stråler så svage, at de ingen betydning har. Ved Planck har man taget højde for syv på hinanden følgende refleksioner for at kunne bestemme de meget svage signaler med den ønskede nøjagtighed - kravet har været, at et signal, som er dæmpet 100 dB, skal måles med en nøjagtighed på 1 dB - til beregning på kommunikationssatellitter er samme krav normalt, at denne nøjagtighed skal være opfyldt for signaler, der er dæmpede 40 dB.
Målingerne efterbehandles for fejlsignaler fra Solen og planeterne.
»Uden denne efterbehandling vil store dele af Plancks data i princippet være ubrugelige,« tilføjer direktør Michael Lumholt.
Ticra skulle tjekke sig selv for fejl
Beregningerne er baseret på geometrisk diffraktionsteori, der er udviklet i 1950'erne som en slags mellemting mellem helt simpel geometrisk optik og en fuldstændig beregning baseret på Maxwells ligninger.
Beregningerne har blandt andet haft direkte betydning for små detaljer i designet af den afskærmningshætte, der findes på Planck, og for designet af satellittens indre. Ved et uheldigt design kan varmestrålingen fra satellitten nemlig selv blive reflekteret tilbage i spejlsystemet og ødelægge målingerne.
Når ESA får udviklet softwareprodukter, beder de normalt andre om at verificere, at de er korrekte. I tilfældet med Ticras software kunne man dog ikke finde nogen, der var i stand til dette - så Ticra blev bedt om at checke sig selv.
»Vi fandt da også et par ting, som er blevet rettet i den proces,« indrømmer Michael Lumholt.
