Z vsakim dodatnim centimetrom zaslonke, vsako dodatno sekundo časa opazovanja in vsakim dodatnim atomom atmosferskega nereda, odstranjenega iz vidnega polja teleskopa, je vesolje mogoče videti bolje, globlje in jasneje.
25 let Hubbla
Ko je leta 1990 začel delovati Hubblov teleskop, je uvedel novo dobo v astronomiji - vesolje. Ni bilo več boja z ozračjem, ni bilo več skrbi zaradi oblakov ali elektromagnetnega utripanja. Vse, kar je bilo potrebno, je bilo namestiti satelit na cilj, ga stabilizirati in zbrati fotone. V 25 letih so vesoljski teleskopi začeli pokrivati celoten elektromagnetni spekter, kar je omogočilo prvič videti vesolje pri vsaki valovni dolžini svetlobe.
Toda s povečanjem našega znanja se je povečalo tudi naše razumevanje neznanega. Dlje kot gledamo v vesolje, globlje vidimo preteklost: končna količina časa od velikega poka v kombinaciji s končno hitrostjo svetlobe zagotavlja mejo tega, kar lahko opazujemo. Še več, samo širjenje prostora deluje proti nam z raztezanjem valovne dolžinesvetloba zvezd, ko potuje skozi vesolje do naših oči. Celo vesoljski teleskop Hubble, ki nam daje najglobljo, najbolj osupljivo sliko vesolja, ki smo ga kdaj odkrili, je v tem pogledu omejen.
Pomanjkljivosti Hubbla
Hubble je neverjeten teleskop, vendar ima številne temeljne omejitve:
- Samo 2,4 m v premeru, kar omejuje njegovo ločljivost.
- Kljub temu, da je prekrit z odsevnimi materiali, je nenehno izpostavljen neposredni sončni svetlobi, ki jo segreje. To pomeni, da zaradi toplotnih učinkov ne more opaziti valovnih dolžin svetlobe, večjih od 1,6 µm.
- Kombinacija omejene zaslonke in valovnih dolžin, na katere je občutljiv, pomeni, da lahko teleskop vidi galaksije, ki niso starejše od 500 milijonov let.
Te galaksije so lepe, oddaljene in so obstajale, ko je bilo vesolje le približno 4% svoje trenutne starosti. Znano pa je, da so zvezde in galaksije obstajale še prej.
Če želite to videti, mora imeti teleskop višjo občutljivost. To pomeni prehod na daljše valovne dolžine in nižje temperature kot Hubble. Zato se gradi vesoljski teleskop James Webb.
Možnosti za znanost
Vesoljski teleskop James Webb (JWST) je zasnovan tako, da premaga natanko te omejitve: s premerom 6,5 m teleskop zbere 7-krat več svetlobe kot Hubble. On odpreultra-spektroskopija visoke ločljivosti od 600 nm do 6 µm (4-krat večja valovna dolžina, kot jo vidi Hubble), za opazovanje v srednjem infrardečem območju spektra z večjo občutljivostjo kot kdaj koli prej. JWST uporablja pasivno hlajenje do površinske temperature Plutona in je sposoben aktivno ohlajati srednje infrardeče instrumente do 7K.
Dovolil bo:
- opazuj najzgodnejše galaksije, ki so jih kdajkoli nastale;
- glej skozi nevtralni plin in sondiraj prve zvezde in reionizacijo vesolja;
- izvedite spektroskopsko analizo prvih zvezd (populacija III), ki so nastale po velikem poku;
- pridobite neverjetna presenečenja, kot je odkritje najzgodnejših supermasivnih črnih lukenj in kvazarjev v vesolju.
Raven znanstvenih raziskav JWST ni podobna ničemur v preteklosti, zato je bil teleskop izbran kot vodilna misija NASA v 2010-ih.
znanstvena mojstrovina
S tehničnega vidika je novi teleskop James Webb pravo umetniško delo. Projekt je napredoval daleč: prišlo je do prekoračitve proračuna, časovnih zamud in nevarnosti, da bo projekt odpovedan. Po posredovanju novega vodstva se je vse spremenilo. Projekt je nenadoma deloval kot po maslu, dodeljena so bila sredstva, upoštevane so bile napake, okvare in težave, ekipa JWST pa se je začela prilagajativse roke, urnike in proračunske okvire. Izstrelitev naprave je predvidena za oktober 2018 na raketi Ariane-5. Ekipa se ne samo drži urnika, ampak ima še devet mesecev, da obračuna vse nepredvidene nepredvidenosti, da zagotovi, da je vse zapakirano in pripravljeno za ta datum.
Teleskop James Webb je sestavljen iz 4 glavnih delov.
Optični blok
Vključuje vsa ogledala, od katerih je osemnajst primarnih segmentiranih pozlačenih ogledal najučinkovitejših. Uporabljali se bodo za zbiranje oddaljene zvezdne svetlobe in njeno usmerjanje na instrumente za analizo. Vsa ta ogledala so zdaj pripravljena in brezhibna, narejena po načrtu. Ko bodo sestavljeni, jih bodo zložili v kompaktno strukturo, ki jih bodo izstrelili več kot 1 milijon km od Zemlje do točke L2 Lagrange, nato pa se bodo samodejno razporedili, da bodo oblikovali satjasto strukturo, ki bo zbirala svetlobo ultra dolgega dosega v prihodnjih letih. To je res lepa stvar in uspešen rezultat titaničnih prizadevanj številnih strokovnjakov.
bližnja infrardeča kamera
Webb je opremljen s štirimi znanstvenimi instrumenti, ki so 100 % dokončani. Glavna kamera teleskopa je skoraj IR kamera, ki sega od vidne oranžne svetlobe do globoko infrardeče. Zagotovil bo podobe najzgodnejših zvezd brez primere, najmlajših galaksij, ki so še v procesu nastajanja, mladih zvezd Rimske ceste in bližnjih galaksij, na stotine novih objektov v Kuiperjevem pasu. ona jeoptimizirano za neposredno slikanje planetov okoli drugih zvezd. To bo glavna kamera, ki jo uporablja večina opazovalcev.
Bližnji infrardeči spektrograf
To orodje ne ločuje samo svetlobe na ločene valovne dolžine, ampak je sposobno to storiti za več kot 100 ločenih predmetov hkrati! Ta instrument bo univerzalni spektrograf Webba, ki bo sposoben delovati v 3 različnih načinih spektroskopije. Zgradila ga je Evropska vesoljska agencija, številne komponente, vključno z detektorji in baterijo z več vrati, pa je zagotovil Center za vesoljske polete. Goddard (NASA). Ta naprava je bila preizkušena in pripravljena za namestitev.
srednje infrardeči instrument
Naprava bo uporabljena za širokopasovno slikanje, to pomeni, da bo ustvarila najbolj impresivne slike iz vseh Webbovih instrumentov. Z znanstvenega vidika bo najbolj uporaben pri merjenju protoplanetarnih diskov okoli mladih zvezd, merjenju in slikanju predmetov Kuiperjevega pasu in prahu, ki ga segreva svetloba zvezd, z izjemno natančnostjo. To bo edini instrument, ki bo kriogensko ohlajen na 7 K. V primerjavi z vesoljskim teleskopom Spitzer bo to izboljšalo rezultate za faktor 100.
Spektrograf blizu IR brez rež (NIRISS)
Naprava vam bo omogočila izdelavo:
- širokokotna spektroskopija v bližnjih infrardečih valovnih dolžinah (1,0 - 2,5 µm);
- grismska spektroskopija enega predmeta vvidni in infrardeči razpon (0,6 - 3,0 mikrona);
- interferometrija z maskiranjem zaslonke pri valovnih dolžinah 3,8 - 4,8 µm (kjer se pričakujejo prve zvezde in galaksije);
- snemanje v širokem razponu celotnega vidnega polja.
Ta instrument je ustvarila Kanadska vesoljska agencija. Po opravljenem kriogenem testiranju bo pripravljen tudi za integracijo v instrumentni prostor teleskopa.
Sončni ščit
Vesoljski teleskopi še niso opremljeni z njimi. Eden najbolj zastrašujočih vidikov vsakega lansiranja je uporaba popolnoma novega materiala. Namesto aktivnega hlajenja celotnega vesoljskega plovila z enkratno porabo hladilne tekočine, teleskop James Webb uporablja popolnoma novo tehnologijo, 5-slojni ščitnik za sončenje, ki bo uporabljen za odbijanje sončnega sevanja iz teleskopa. Pet 25-metrskih plošč bo povezanih s titanovimi palicami in nameščenih po postavitvi teleskopa. Zaščita je bila testirana v letih 2008 in 2009. Modeli v polnem obsegu, ki so sodelovali pri laboratorijskih testih, so naredili vse, kar naj bi počeli tukaj na Zemlji. To je čudovita inovacija.
To je tudi neverjeten koncept: ne samo blokirati sončno svetlobo in postaviti teleskop v senco, ampak to storiti tako, da se vsa toplota oddaja v nasprotni smeri usmerjenosti teleskopa. Vsaka od petih plasti v vakuumu prostora bo postala hladna, ko se bo oddaljila od zunanje, ki bo nekoliko toplejša od temperature.površina Zemlje - približno 350-360 K. Temperatura zadnje plasti naj pade na 37-40 K, kar je hladneje kot ponoči na površini Plutona.
Poleg tega so bili sprejeti pomembni varnostni ukrepi za zaščito pred težkim okoljem globokega vesolja. Ena od stvari, zaradi katerih je tukaj treba skrbeti, so drobni kamenčki v velikosti kamenčkov, zrnca peska, drobci prahu in še manjši, ki letijo skozi medplanetarni prostor s hitrostmi deset ali celo sto tisoč kilometrov na uro. Ti mikrometeoriti so sposobni narediti drobne, mikroskopske luknje v vsem, na kar naletijo: v vesoljska plovila, astronavtske obleke, teleskopska ogledala in drugo. Če ogledala dobijo le udrtine ali luknje, kar nekoliko zmanjša količino razpoložljive "dobre svetlobe", se lahko sončni ščit raztrga od roba do roba, zaradi česar je celotna plast neuporabna. Za boj proti temu pojavu je bila uporabljena briljantna ideja.
Celoten sončni ščit je razdeljen na odseke tako, da če je v enem, dveh ali celo treh od njih majhna reža, se plast ne bo več strgala, kot razpoka v vetrobranskem steklu. avto. Predelitev bo ohranila celotno strukturo nedotaknjeno, kar je pomembno za preprečitev degradacije.
Vesoljsko plovilo: montažni in nadzorni sistemi
To je najpogostejša komponenta, kot jo imajo vsi vesoljski teleskopi in znanstvene misije. Pri JWST je edinstven, a tudi popolnoma pripravljen. Generalnemu izvajalcu projekta, Northropu Grummanu, je ostalo le dokončati ščit, sestaviti teleskop in ga preizkusiti. Stroj bo pripravljen zalansiranje čez 2 leti.
10 let odkritja
Če bo šlo vse v redu, bo človeštvo na pragu velikih znanstvenih odkritij. Tančica nevtralnega plina, ki je doslej zakrivala pogled na najzgodnejše zvezde in galaksije, bo odpravljena z infrardečimi zmogljivostmi Webba in njegovo ogromno svetilnostjo. To bo največji in najbolj občutljiv teleskop doslej zgrajen z ogromnim razponom valovnih dolžin od 0,6 do 28 mikronov (človeško oko vidi 0,4 do 0,7 mikrona). Pričakuje se, da bo zagotovil desetletje opazovanj.
Po podatkih Nase bo življenjska doba misije Webb od 5,5 do 10 let. Omejen je s količino pogonskega goriva, potrebnega za vzdrževanje orbite, ter življenjsko dobo elektronike in opreme v težkem vesoljskem okolju. Orbitalni teleskop James Webb bo prenašal gorivo za celotno 10-letno obdobje, 6 mesecev po lansiranju pa bo izvedeno testiranje podpore pri letenju, kar zagotavlja 5 let znanstvenega dela.
Kaj bi lahko šlo narobe?
Glavni omejevalni dejavnik je količina goriva na krovu. Ko se konča, se bo satelit oddaljil od Lagrangeove točke L2 in vstopil v kaotično orbito v neposredni bližini Zemlje.
Pridi s tem, lahko se zgodijo druge težave:
- degradacija ogledal, ki bo vplivala na količino zbrane svetlobe in ustvarila artefakte slike, vendar ne bo škodilo nadaljnjemu delovanju teleskopa;
- odpoved dela ali celotnega solarnega zaslona, kar bo povzročilo povečanjetemperaturo vesoljskega plovila in zožiti območje uporabne valovne dolžine na zelo blizu infrardeče (2-3 µm);
- Odpoved sistema za hlajenje instrumentov srednjega IR, zaradi česar je neuporaben, vendar ne vpliva na druge instrumente (0,6 do 6 µm).
Najtežji preizkus, ki čaka teleskop James Webb, je izstrelitev in vstavljanje v dano orbito. Te situacije so bile preizkušene in uspešno zaključene.
revolucija v znanosti
Če bo teleskop James Webb deloval, bo od leta 2018 do 2028 dovolj goriva za napajanje. Poleg tega obstaja možnost dolivanja goriva, kar bi lahko podaljšalo življenjsko dobo teleskopa še za eno desetletje. Tako kot Hubble deluje že 25 let, bi JWST lahko zagotovil generacijo revolucionarne znanosti. Oktobra 2018 bo nosilna raketa Ariane 5 v orbito izstrelila prihodnost astronomije, ki je po več kot 10 letih trdega dela pripravljena začeti obroditi sadove. Prihodnost vesoljskih teleskopov je skoraj tu.
