Jokaisella ylimääräisellä aukon senttimetrillä, jokaisella ylimääräisellä havaintoajan sekunnilla ja jokaisella ylimääräisellä ilmakehän atomilla, joka poistetaan kaukoputken näkökentästä, universumi voidaan nähdä paremmin, syvemmälle ja selkeämmin.
25 vuotta Hubblea
Kun Hubble-teleskooppi aloitti toimintansa vuonna 1990, se aloitti tähtitieteessä uuden aikakauden - avaruuden. Ei ollut enää taistelua ilmakehän kanssa, ei enää murehtimista pilvistä tai sähkömagneettisesta välkkymisestä. Kaikki mitä tarvittiin oli lähettää satelliitti kohteeseen, stabiloida se ja kerätä fotoneja. 25 vuoden kuluessa avaruusteleskoopit alkoivat peittää koko sähkömagneettisen spektrin, mikä mahdollisti ensimmäistä kertaa maailmankaikkeuden näkemisen kaikilla valon aallonpituuksilla.
Mutta kun tietomme on lisääntynyt, on myös ymmärryksemme tuntemattomasta. Mitä pidemmälle katsomme maailmankaikkeutta, sitä syvemmälle näemme menneisyyden: alkuräjähdyksestä kulunut rajallinen aika yhdistettynä rajalliseen valonnopeuteen rajoittaa sitä, mitä voimme havaita. Lisäksi itse avaruuden laajeneminen toimii meitä vastaan venyttämällä aallonpituuttatähtien valo, kun se kulkee maailmankaikkeuden läpi silmiimme. Jopa Hubble-avaruusteleskooppi, joka antaa meille syvimmän ja henkeäsalpaavimman kuvan koskaan löytämämme maailmankaikkeudesta, on rajoitettu tässä suhteessa.
Hubblen haitat
Hubble on hämmästyttävä kaukoputki, mutta sillä on useita perustavanlaatuisia rajoituksia:
- Halkaisija vain 2,4 m, mikä rajoittaa sen resoluutiota.
- Huolimatta siitä, että se on peitetty heijastavilla materiaaleilla, se on jatkuvasti alttiina suoralle auringonvalolle, joka lämmittää sitä. Tämä tarkoittaa, että lämpövaikutuksista johtuen se ei voi havaita valon aallonpituuksia, jotka ovat suurempia kuin 1,6 µm.
- Rajoitetun aukon ja sen herkkien aallonpituuksien yhdistelmä tarkoittaa, että kaukoputki pystyy näkemään galakseja, jotka eivät ole vanhempia kuin 500 miljoonaa vuotta.
Nämä galaksit ovat kauniita, kaukaisia ja olemassa, kun maailmankaikkeus oli vain noin 4 % nykyisestä iästään. Mutta tiedetään, että tähdet ja galaksit olivat olemassa jo aikaisemmin.
Tämän näkemiseksi kaukoputken herkkyyden on oltava suurempi. Tämä tarkoittaa siirtymistä pidempiin aallonpituuksiin ja alhaisempiin lämpötiloihin kuin Hubble. Siksi James Webb -avaruusteleskooppia rakennetaan.
Tieteen näkymät
James Webb Space Telescope (JWST) on suunniteltu voittamaan juuri nämä rajoitukset: kaukoputken halkaisija on 6,5 m, ja se kerää 7 kertaa enemmän valoa kuin Hubble. Hän avaakorkearesoluutioinen ultraspektroskopia 600 nm:stä 6 µm:iin (4 kertaa Hubblen näkemä aallonpituus), jotta voidaan tehdä havaintoja spektrin keski-infrapuna-alueella herkemmin kuin koskaan ennen. JWST käyttää passiivista jäähdytystä Pluton pintalämpötilaan ja pystyy jäähdyttämään aktiivisesti keski-infrapunainstrumentteja 7K:n lämpötilaan asti.
Hän sallii:
- havaitse vanhimpia koskaan muodostuneita galakseja;
- katso neutraalin kaasun läpi ja tutki ensimmäisiä tähtiä ja maailmankaikkeuden reionisaatiota;
- suorittaa spektroskooppisen analyysin ensimmäisistä tähdistä (populaatio III), jotka muodostuivat alkuräjähdyksen jälkeen;
- saa uskomattomia yllätyksiä, kuten universumin varhaisimpien supermassiivisten mustien aukkojen ja kvasaarien löytäminen.
JWST:n tieteellisen tutkimuksen taso on erilainen kuin koskaan aikaisemmin, minkä vuoksi teleskooppi valittiin NASAn 2010-luvun lippulaivatehtäväksi.
Tieteellinen mestariteos
Teknisesti katsottuna uusi James Webb -teleskooppi on todellinen taideteos. Hanke on edennyt pitkälle: budjetti on ylittynyt, aikataulu on viivästynyt ja hanke on uhattuna peruuntumisesta. Uuden johdon väliintulon jälkeen kaikki muuttui. Projekti toimi yhtäkkiä kuin kello, varat kohdistettiin, virheet, epäonnistumiset ja ongelmat otettiin huomioon, ja JWST-tiimi alkoi sopeutuakaikki määräajat, aikataulut ja budjettikehykset. Laitteen laukaisun on määrä tapahtua lokakuussa 2018 Ariane-5-raketilla. Tiimi ei vain pidä kiinni aikataulusta, vaan heillä on yhdeksän kuukautta aikaa ottaa huomioon kaikki odottamattomat tapahtumat varmistaakseen, että kaikki on pakattu ja valmis kyseiseen päivämäärään.
James Webb -teleskooppi koostuu 4 pääosasta.
Optinen lohko
Sisältää kaikki peilit, joista kahdeksantoista ensisijaiset segmentoidut kullatut peilit ovat tehokkaimpia. Niitä käytetään kaukaisten tähtien valon keräämiseen ja sen keskittämiseen analysointivälineisiin. Kaikki nämä peilit ovat nyt valmiita ja virheettömiä, tehty juuri aikataulussa. Kun ne on koottu, ne taitetaan kompaktiksi rakenteeksi, joka laukaistaan yli miljoonan kilometrin päähän Maasta L2 Lagrange -pisteeseen ja asetetaan sitten automaattisesti käyttöön hunajakennorakenteena, joka kerää erittäin pitkän kantaman valoa tulevina vuosina. Tämä on todella kaunis asia ja monien asiantuntijoiden titaanisten ponnistelujen onnistunut tulos.
Lähi-infrapunakamera
Webb on varustettu neljällä tieteellisellä instrumentilla, jotka ovat 100 % täydellisiä. Teleskoopin pääkamera on lähi-IR-kamera, joka vaihtelee näkyvästä oranssista valosta syvään infrapunaan. Se tarjoaa ennennäkemättömiä kuvia varhaisimmista tähdistä, nuorimmista vielä muodostumisprosessissa olevista galakseista, Linnunradan nuorista tähdistä ja läheisistä galakseista, sadoista uusista kohteista Kuiperin vyöhykkeellä. Hän onoptimoitu muiden tähtien ympärillä olevien planeettojen suoraa kuvaamiseen. Tämä on useimpien tarkkailijoiden käyttämä pääkamera.
Lähi-infrapunaspektrografi
Tämä työkalu ei vain erottele valoa eri aallonpituuksiksi, vaan se pystyy tekemään tämän yli 100 erilliselle esineelle samanaikaisesti! Tämä instrumentti on universaali Webba-spektrografi, joka pystyy toimimaan kolmessa eri spektroskopiatilassa. Sen rakensi Euroopan avaruusjärjestö, mutta monet komponentit, mukaan lukien ilmaisimet ja moniporttiparisto, toimitti avaruuslentokeskus. Goddard (NASA). Tämä laite on testattu ja valmis asennettavaksi.
Keski-infrapunainstrumentti
Laitetta käytetään laajakaistakuvaukseen, eli se tuottaa vaikuttavimmat kuvat kaikista Webb-instrumenteista. Tieteellisestä näkökulmasta se on hyödyllisin nuorten tähtien ympärillä olevien protoplanetaaristen kiekkojen mittaamisessa, Kuiper-vyön esineiden ja tähtien valon lämmittämän pölyn mittaamisessa ja kuvaamisessa ennennäkemättömän tarkasti. Se on ainoa instrumentti, joka jäähdytetään kryogeenisesti 7 K:n lämpötilaan. Spitzer-avaruusteleskooppiin verrattuna tämä parantaa tuloksia kertoimella 100.
Rakoton lähi-IR-spektrografi (NIRISS)
Laitteen avulla voit tuottaa:
- laajakulmaspektroskopia lähi-infrapuna-aallonpituuksilla (1,0 - 2,5 µm);
- yhden kohteen grismispektroskopianäkyvä ja infrapuna-alue (0,6 - 3,0 mikronia);
- aukon peittävä interferometria aallonpituuksilla 3,8 - 4,8 µm (jossa ensimmäisiä tähtiä ja galakseja odotetaan);
- laajakuvaus koko näkökentästä.
Tämän instrumentin on luonut Kanadan avaruusjärjestö. Kryogeenisen testauksen jälkeen se on myös valmis integroitavaksi kaukoputken instrumenttiosastoon.
Aurinkosuoja
Avaruusteleskooppeja ei ole vielä varustettu niillä. Yksi jokaisen julkaisun pelottavimmista puolista on täysin uuden materiaalin käyttö. Sen sijaan, että James Webb Telescope jäähdyttäisi aktiivisesti koko avaruusalusta kertakäyttöisellä jäähdytysnesteellä, se käyttää täysin uutta tekniikkaa, 5-kerroksista aurinkosuojaa, joka heijastaa kaukoputkesta tulevaa auringonsäteilyä. Viisi 25 metrin levyä yhdistetään titaanitangoilla ja asennetaan teleskoopin käyttöönoton jälkeen. Suojaus on testattu vuosina 2008 ja 2009. Laboratoriokokeissa mukana olleet täysimittaiset mallit tekivät kaiken, mitä heidän piti tehdä täällä maan päällä. Tämä on kaunis innovaatio.
Se on myös uskomaton konsepti: ei vain peittää Auringon valoa ja sijoittaa kaukoputki varjoon, vaan tehdä se siten, että kaikki lämpö säteilee vastakkaiseen suuntaan kaukoputken suuntaa vastaan. Jokainen viidestä avaruuden tyhjiössä olevasta kerroksesta jäähtyy, kun se siirtyy poispäin ulkopinnasta, joka on hieman lämpötilaa lämpimämpi. Maan pinta - noin 350-360 K. Viimeisen kerroksen lämpötilan pitäisi laskea 37-40 K:een, mikä on kylmempää kuin yöllä Pluton pinnalla.
Lisäksi merkittäviä varotoimia on ryhdytty suojaamaan syvän avaruuden ankar alta ympäristöltä. Yksi huolenaiheista täällä ovat pienet kiven kokoiset kivet, hiekanjyvät, pölyhiukkaset ja vielä pienemmät, jotka lentävät planeettojen välisessä avaruudessa kymmenien tai jopa satojen tuhansien kilometrien tunnissa. Nämä mikrometeoriitit pystyvät tekemään pieniä, mikroskooppisia reikiä kaikkeen, mitä he kohtaavat: avaruusaluksiin, astronauttipuvuihin, teleskooppipeileihin ja muihin. Jos peileihin tulee vain kolhuja tai reikiä, mikä vähentää hieman saatavilla olevan "hyvän valon" määrää, aurinkosuoja voi repeytyä reunasta reunaan tehden koko kerroksen hyödyttömäksi. Tätä ilmiötä vastaan käytettiin loistavaa ideaa.
Koko aurinkosuoja on jaettu osiin siten, että jos yhdessä, kahdessa tai jopa kolmessa niistä on pieni rako, kerros ei repeydy enempää kuin halkeama tuulilasissa auto. Osiointi pitää koko rakenteen ehjänä, mikä on tärkeää huonontumisen estämiseksi.
Avaruusalukset: kokoonpano- ja ohjausjärjestelmät
Tämä on yleisin komponentti, kuten kaikki avaruusteleskoopit ja tiedetehtävät. JWST:llä se on ainutlaatuinen, mutta myös täysin valmis. Hankkeen pääurakoitsijalle Northrop Grummanille ei jäänyt muuta kuin viimeistellä kilpi, koota teleskooppi ja testata sitä. Kone tulee olemaan valmisjulkaistaan 2 vuoden kuluttua.
10 vuotta löytöä
Jos kaikki menee oikein, ihmiskunta on suurten tieteellisten löytöjen kynnyksellä. Neutraalin kaasun verho, joka on toistaiseksi peittänyt näkyvyyden varhaisimpiin tähtiin ja galaksiin, eliminoituu Webbin infrapunakyvyn ja sen v altavan valoisuuden ansiosta. Se on suurin, herkin koskaan rakennettu teleskooppi, jonka v altava aallonpituusalue on 0,6-28 mikronia (ihmissilmä näkee 0,4-0,7 mikronia). Sen odotetaan tarjoavan vuosikymmenen havaintoja.
NASA:n mukaan Webb-tehtävän käyttöikä on 5,5–10 vuotta. Sitä rajoittaa kiertoradan ylläpitämiseen tarvittavan ponneaineen määrä sekä elektroniikan ja laitteiden käyttöikä ankarissa avaruusympäristöissä. James Webb Orbital Telescope kuljettaa polttoainetta koko 10 vuoden ajan, ja 6 kuukautta laukaisun jälkeen suoritetaan lennon tukitestaus, joka takaa 5 vuoden tieteellisen työn.
Mikä voi mennä pieleen?
Pääasiallinen rajoittava tekijä on aluksella olevan polttoaineen määrä. Kun se päättyy, satelliitti ajautuu pois L2 Lagrange -pisteestä ja siirtyy kaoottiselle kiertoradalle Maan välittömässä läheisyydessä.
Tule mukaan, muita ongelmia voi tapahtua:
- peilien heikkeneminen, joka vaikuttaa kerätyn valon määrään ja luo kuvaesineitä, mutta ei vahingoita kaukoputken toimintaa;
- aurinkosuojan osan tai koko vika, joka johtaa kasvuunavaruusaluksen lämpötilaa ja kaventaa käytettävää aallonpituusaluetta hyvin läheiseen infrapunaan (2-3 µm);
- Mid-IR instrumentin jäähdytysjärjestelmävirhe, joka tekee siitä käyttökelvottoman, mutta ei vaikuta muihin instrumentteihin (0,6–6 µm).
Vaikein James Webb -teleskooppia odottava testi on laukaisu ja asettaminen tietylle kiertoradalle. Nämä tilanteet testattiin ja suoritettiin onnistuneesti.
Tieteen vallankumous
Jos James Webb -teleskooppi on toiminnassa, polttoainetta riittää sen käyttämiseen vuosina 2018–2028. Lisäksi on mahdollista tankata, mikä voi pidentää kaukoputken käyttöikää vielä vuosikymmenellä. Aivan kuten Hubble on ollut toiminnassa 25 vuotta, JWST voisi tarjota vallankumouksellisen tieteen sukupolven. Lokakuussa 2018 Ariane 5 -kantoraketti laukaisee tähtitieteen tulevaisuuden kiertoradalle, joka yli 10 vuoden kovan työn jälkeen on valmis kantamaan hedelmää. Avaruusteleskooppien tulevaisuus on melkein täällä.
