Z każdym dodatkowym centymetrem apertury, każdą dodatkową sekundą czasu obserwacji i każdym dodatkowym atomem bałaganu atmosferycznego usuniętym z pola widzenia teleskopu, Wszechświat może być widziany lepiej, głębiej i wyraźniej.
25 lat Hubble'a
Kiedy teleskop Hubble'a zaczął działać w 1990 roku, zapoczątkował nową erę w astronomii - kosmos. Nie było już walki z atmosferą, martwienia się o chmury czy migotanie elektromagnetyczne. Wystarczyło umieścić satelitę na celu, ustabilizować go i zebrać fotony. W ciągu 25 lat teleskopy kosmiczne zaczęły obejmować całe spektrum elektromagnetyczne, umożliwiając po raz pierwszy obserwację wszechświata przy każdej długości fali światła.
Ale wraz ze wzrostem naszej wiedzy, wzrasta również nasze rozumienie nieznanego. Im dalej patrzymy we Wszechświat, tym głębiej widzimy przeszłość: skończona ilość czasu od Wielkiego Wybuchu w połączeniu ze skończoną prędkością światła wyznacza granice tego, co możemy obserwować. Co więcej, sama ekspansja przestrzeni działa przeciwko nam poprzez rozciąganie długości faliświatło gwiazd, które podróżuje przez wszechświat do naszych oczu. Nawet Kosmiczny Teleskop Hubble'a, który daje nam najgłębszy, najbardziej zapierający dech w piersiach obraz wszechświata, jaki kiedykolwiek odkryliśmy, jest pod tym względem ograniczony.
Wady Hubble'a
Hubble to niesamowity teleskop, ale ma kilka podstawowych ograniczeń:
- Tylko 2,4 m średnicy, co ogranicza rozdzielczość.
- Mimo że jest pokryty odblaskowymi materiałami, jest stale wystawiony na bezpośrednie działanie promieni słonecznych, które go nagrzewa. Oznacza to, że ze względu na efekty termiczne nie może obserwować długości fal światła większych niż 1,6 µm.
- Połączenie ograniczonej apertury i długości fal, na które jest czuły, oznacza, że teleskop może zobaczyć galaktyki nie starsze niż 500 milionów lat.
Te galaktyki są piękne, odległe i istniały, gdy wszechświat miał zaledwie około 4% swojego obecnego wieku. Wiadomo jednak, że gwiazdy i galaktyki istniały jeszcze wcześniej.
Aby to zobaczyć, teleskop musi mieć wyższą czułość. Oznacza to przejście na dłuższe fale i niższe temperatury niż Hubble. Dlatego właśnie powstaje Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Perspektywy dla nauki
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) został zaprojektowany, aby przezwyciężyć dokładnie te ograniczenia: teleskop o średnicy 6,5 m zbiera 7 razy więcej światła niż Hubble. On otwieraUltraspektroskopia o wysokiej rozdzielczości od 600 nm do 6 µm (4-krotność długości fali, którą widzi Hubble), umożliwiająca obserwacje w zakresie średniej podczerwieni widma z większą czułością niż kiedykolwiek wcześniej. JWST wykorzystuje pasywne chłodzenie do temperatury powierzchni Plutona i jest w stanie aktywnie schładzać instrumenty średniej podczerwieni do 7K.
Pozwoli:
- obserwuj najwcześniejsze galaktyki, jakie kiedykolwiek powstały;
- przejrzyj gaz neutralny i zbadaj pierwsze gwiazdy oraz rejonizację wszechświata;
- przeprowadź analizę spektroskopową pierwszych gwiazd (populacja III) powstałych po Wielkim Wybuchu;
- zdobądź niesamowite niespodzianki, takie jak odkrycie najwcześniejszych supermasywnych czarnych dziur i kwazarów we wszechświecie.
Poziom badań naukowych JWST nie przypomina niczego w przeszłości, dlatego teleskop został wybrany flagową misją NASA w 2010 roku.
Naukowe arcydzieło
Z technicznego punktu widzenia nowy teleskop Jamesa Webba to prawdziwe dzieło sztuki. Projekt przeszedł długą drogę: nastąpiły przekroczenia budżetu, opóźnienia w harmonogramie i niebezpieczeństwo anulowania projektu. Po interwencji nowego kierownictwa wszystko się zmieniło. Projekt nagle zadziałał jak w zegarku, przydzielono fundusze, uwzględniono błędy, awarie i problemy, a zespół JWST zaczął się wpasowywaćwszystkie terminy, harmonogramy i ramy budżetowe. Start urządzenia zaplanowano na październik 2018 r. na rakiecie Ariane-5. Zespół nie tylko trzyma się harmonogramu, ale ma jeszcze dziewięć miesięcy na rozliczenie wszystkich nieprzewidzianych okoliczności, aby upewnić się, że wszystko jest spakowane i gotowe na tę datę.
Teleskop Jamesa Webba składa się z 4 głównych części.
Blok optyczny
Obejmuje wszystkie lustra, z których najbardziej efektywnych jest osiemnaście głównych segmentowych, pozłacanych luster. Posłużą do zbierania odległego światła gwiazd i skupiania go na instrumentach do analizy. Wszystkie te lustra są teraz gotowe i bezbłędne, wykonane zgodnie z harmonogramem. Po złożeniu zostaną złożone w zwartą konstrukcję, która zostanie wystrzelona ponad milion km od Ziemi do punktu Lagrange'a L2, a następnie automatycznie rozłożona w celu utworzenia struktury plastra miodu, która będzie zbierać światło z bardzo dalekiego zasięgu przez nadchodzące lata. To naprawdę piękna rzecz i pomyślny wynik tytanicznych wysiłków wielu specjalistów.
Kamera bliskiej podczerwieni
Webb jest wyposażony w cztery instrumenty naukowe, które są w 100% kompletne. Główna kamera teleskopu to kamera bliskiej podczerwieni, która obejmuje zakres od widzialnego światła pomarańczowego do głębokiej podczerwieni. Dostarczy bezprecedensowych obrazów najwcześniejszych gwiazd, najmłodszych galaktyk, które wciąż się formują, młodych gwiazd Drogi Mlecznej i pobliskich galaktyk, setek nowych obiektów w pasie Kuipera. jestzoptymalizowany do bezpośredniego obrazowania planet wokół innych gwiazd. Będzie to główna kamera używana przez większość obserwatorów.
Spektrograf bliskiej podczerwieni
To narzędzie nie tylko rozdziela światło na oddzielne długości fal, ale jest w stanie zrobić to dla ponad 100 oddzielnych obiektów jednocześnie! Instrument ten będzie uniwersalnym spektrografem Webba zdolnym do pracy w 3 różnych trybach spektroskopii. Został zbudowany przez Europejską Agencję Kosmiczną, ale wiele elementów, w tym detektory i baterię wielobramkową, dostarczyło Centrum Lotów Kosmicznych. Goddarda (NASA). To urządzenie zostało przetestowane i jest gotowe do instalacji.
Instrument średniej podczerwieni
Urządzenie będzie używane do obrazowania szerokopasmowego, co oznacza, że będzie wytwarzać najbardziej imponujące obrazy ze wszystkich instrumentów Webba. Z naukowego punktu widzenia będzie on najbardziej przydatny w pomiarach dysków protoplanetarnych wokół młodych gwiazd, pomiarach i obrazowaniu obiektów pasa Kuipera oraz pyłu ogrzewanego przez światło gwiazd z niespotykaną dotąd precyzją. Będzie to jedyny instrument, który będzie chłodzony kriogenicznie do 7 K. W porównaniu z teleskopem kosmicznym Spitzera poprawi to wyniki o współczynnik 100.
Bezszczelinowy spektrograf bliskiej podczerwieni (NIRISS)
Urządzenie pozwoli Ci wyprodukować:
- Szerokokątna spektroskopia w bliskiej podczerwieni (1,0 - 2,5 µm);
- spektroskopia grismowa jednego obiektu wzakres widzialny i podczerwony (0,6 - 3,0 mikronów);
- interferometria maskująca aperturę przy długościach fal 3,8–4,8 µm (tam, gdzie spodziewane są pierwsze gwiazdy i galaktyki);
- fotografowanie szerokopasmowe w całym polu widzenia.
Ten instrument został stworzony przez Kanadyjską Agencję Kosmiczną. Po przejściu przez testy kriogeniczne będzie również gotowy do integracji z przedziałem instrumentalnym teleskopu.
Osłona przeciwsłoneczna
Teleskopy kosmiczne nie zostały jeszcze w nie wyposażone. Jednym z najbardziej onieśmielających aspektów każdej premiery jest wykorzystanie zupełnie nowego materiału. Zamiast aktywnie chłodzić cały statek kosmiczny jednorazowym, zużywalnym chłodziwem, Teleskop Jamesa Webba wykorzystuje całkowicie nową technologię, 5-warstwową osłonę przeciwsłoneczną, która zostanie zastosowana w celu odbijania promieniowania słonecznego z teleskopu. Pięć 25-metrowych arkuszy zostanie połączonych tytanowymi prętami i zainstalowanych po rozłożeniu teleskopu. Ochrona została przetestowana w 2008 i 2009 roku. Modele pełnoskalowe, które brały udział w testach laboratoryjnych, zrobiły wszystko, co miały zrobić na Ziemi. To piękna innowacja.
To także niesamowita koncepcja: nie tylko blokowanie światła słonecznego i umieszczanie teleskopu w cieniu, ale także robienie tego w taki sposób, aby całe ciepło było wypromieniowane w kierunku przeciwnym do orientacji teleskopu. Każda z pięciu warstw w próżni kosmicznej stanie się zimna w miarę oddalania się od zewnętrznej, która będzie nieco cieplejsza niż temperatura.powierzchnia Ziemi - około 350-360 K. Temperatura ostatniej warstwy powinna spaść do 37-40 K, czyli zimniej niż nocą na powierzchni Plutona.
Ponadto podjęto znaczne środki ostrożności w celu ochrony przed surowym środowiskiem kosmosu. Jedną z rzeczy, o które należy się martwić, są malutkie kamyczki wielkości kamyków, ziarenka piasku, drobinki kurzu, a nawet mniejsze przelatujące przez przestrzeń międzyplanetarną z prędkością dziesiątek, a nawet setek tysięcy kilometrów na godzinę. Te mikrometeoryty są w stanie zrobić małe, mikroskopijne dziury we wszystkim, co napotkają: statkach kosmicznych, kombinezonach astronautów, lustrach teleskopów i nie tylko. Jeśli lustra mają tylko wgniecenia lub dziury, co nieznacznie zmniejsza ilość dostępnego „dobrego światła”, wtedy osłona słoneczna może rozerwać się od krawędzi do krawędzi, czyniąc całą warstwę bezużyteczną. Do walki z tym zjawiskiem wykorzystano genialny pomysł.
Cała osłona przeciwsłoneczna została podzielona na sekcje w taki sposób, że jeśli w jednej, dwóch lub nawet trzech z nich jest niewielka szczelina, warstwa nie będzie się dalej rozdzierać, jak pęknięcie w przedniej szybie samochodu. samochód. Partycjonowanie utrzyma całą strukturę w stanie nienaruszonym, co jest ważne, aby zapobiec degradacji.
Spacer kosmiczny: systemy montażu i sterowania
Jest to najczęstszy element, tak jak wszystkie teleskopy kosmiczne i misje naukowe. W JWST jest wyjątkowy, ale też całkowicie gotowy. Generalnemu wykonawcy projektu, firmie Northrop Grumman, pozostało tylko dokończyć osłonę, zmontować teleskop i przetestować go. Maszyna będzie gotowa do pracypremiera za 2 lata.
10 lat odkrycia
Jeśli wszystko pójdzie dobrze, ludzkość stanie na progu wielkich odkryć naukowych. Zasłona neutralnego gazu, która do tej pory zasłaniała widok najwcześniejszych gwiazd i galaktyk, zostanie zlikwidowana dzięki możliwościom Webba w podczerwieni i jego ogromnej jasności. Będzie to największy i najczulszy teleskop, jaki kiedykolwiek zbudowano, z ogromnym zakresem długości fal od 0,6 do 28 mikronów (ludzkie oko widzi od 0,4 do 0,7 mikronów). Oczekuje się, że dostarczy dziesięciu lat obserwacji.
Według NASA czas życia misji Webba będzie trwał od 5,5 do 10 lat. Jest ograniczona ilością paliwa potrzebnego do utrzymania orbity oraz żywotnością elektroniki i sprzętu w trudnych warunkach kosmicznych. Teleskop Orbitalny Jamesa Webba będzie przewoził paliwo przez cały okres 10 lat, a 6 miesięcy po wystrzeleniu zostaną przeprowadzone testy wsparcia lotu, co gwarantuje 5 lat pracy naukowej.
Co może pójść nie tak?
Głównym czynnikiem ograniczającym jest ilość paliwa na pokładzie. Kiedy się skończy, satelita oddali się od punktu L2 Lagrange'a, wchodząc na chaotyczną orbitę w bezpośrednim sąsiedztwie Ziemi.
Chodź z tym, inne problemy mogą się zdarzyć:
- degradacja luster, co wpłynie na ilość zbieranego światła i stworzy artefakty obrazu, ale nie uszkodzi dalszej pracy teleskopu;
- awaria części lub całości ekranu słonecznego, co doprowadzi do wzrostutemperatury statku kosmicznego i zawęzić użyteczny zakres długości fal do bardzo bliskiej podczerwieni (2-3 µm);
- Awaria systemu chłodzenia przyrządu w zakresie średniej podczerwieni, co czyni go bezużytecznym, ale nie wpływa na inne przyrządy (0,6 do 6 µm).
Najtrudniejszym testem, jaki czeka teleskop Jamesa Webba, jest wystrzelenie i wprowadzenie na daną orbitę. Sytuacje te zostały przetestowane i pomyślnie zakończone.
Rewolucja w nauce
Jeśli Teleskop Jamesa Webba będzie działał, będzie wystarczająco dużo paliwa, aby zasilić go w latach 2018-2028. Ponadto istnieje możliwość tankowania, co może wydłużyć żywotność teleskopu o kolejną dekadę. Tak jak Hubble działa od 25 lat, JWST może zapewnić pokolenie rewolucyjnej nauki. W październiku 2018 r. rakieta nośna Ariane 5 wystrzeli na orbitę przyszłości astronomii, która po ponad 10 latach ciężkiej pracy jest gotowa zacząć przynosić owoce. Przyszłość teleskopów kosmicznych jest już prawie tutaj.
