James Webb Space Telescope: laukaisupäivä, laitteet

Kahden ylimääräisen aukon senttimetriä kohti, joka toinen tarkkailuaika ja jokainen ylimääräinen ilmakehän kohina poistettu teleskooppikyselystä, on parempi, syvempi ja ymmärrettävämpi nähdä maailmankaikkeus.

25-vuotias "Hubble"

Kun Hubble-kaukoputki aloitti toimintansa vuonna 1990, hän avasi uuden aikakauden avaruustutkimuksessa. Ei enää tarvinnut taistella tunnelmaa vastaan, pelätä pilviä tai sähkömagneettista välkkymistä. Kaikki, mitä tarvittiin, oli ottaa satelliitti käyttöön kohteeseen, vakauttaa se ja kerätä fotoneja. 25 vuoden ajan avaruusteleskoopit alkoivat kattaa koko sähkömagneettisen spektrin, minkä ansiosta voimme tarkastella maailmankaikkeutta ensimmäistä kertaa jokaisella valon aallonpituudella.

Mutta tietomme kasvaessa tuntemamme tuntemuksemme on kasvanut. Mitä edelleen tarkastelemme Universumia, sitä syvempi menneisyys, jonka äärellinen määrä, kun Big Bang yhdistyy äärelliseen valonopeuteen, tarjoaa rajan mitä voimme havaita. Lisäksi itse tilan laajentuminen toimii meitä vastaan, venyttelee tähtien valon aallonpituutta, kun se kulkee maailmankaikkeutta silmiimme. Jopa Hubble-avaruusteleskooppi, joka antaa meille syvimmän, jännittävin kuvan universumista, jonka olemme koskaan löytäneet, on tässä suhteessa rajoitettu.

Hubble-haitat

Hubble on hämmästyttävä teleskooppi, mutta sillä on useita perusrajoituksia:

• Vain 2,4 metrin halkaisija, mikä rajoittaa sen tarkkuutta.
• Huolimatta päällystämisestä heijastavia materiaaleja vastaan se altistuu jatkuvasti suoralle auringonvalolle, joka kuumenee. Tämä tarkoittaa, että lämpövaikutusten vuoksi se ei pysty havaitsemaan valon aallonpituutta yli 1,6 μm.
• Rajoitettujen valojen ja aallonpituuksien yhdistelmä, johon se on herkkä, tarkoittaa, että teleskooppi voi nähdä galaksit, jotka ovat vanhempia kuin 500 miljoonaa vuotta vanha.

Nämä galaksit ovat kauniita, kaukana ja olemassa, kun maailmankaikkeus oli vain noin 4% nykyisestä ikäisyydestään. Mutta tiedetään, että tähdet ja galaksit olivat olemassa jo aikaisemmin.

Tämän näkemiseksi teleskoopilla on oltava suurempi herkkyys. Tämä tarkoittaa siirtymistä pitempiin aallonpituuksiin ja alempaan lämpötilaan kuin Hubble. Siksi James Webb Space Telescope on luotu.

Tulevaisuuden näkymät

James Webb Space Telescope (JWST) on suunniteltu voittamaan nämä rajoitukset: halkaisijaltaan 6,5 metriä teleskooppi mahdollistaa kerättävän 7 kertaa enemmän valoa kuin Hubble. Se mahdollistaa erittäin korkean resoluution spektroskopian 600 nm: stä 6 μm: iin (4 kertaa pitempään kuin aallonpituus, jota Hubble voi nähdä), tekemään havaintoja spektrin keskimmäisellä infrapunavyöhykkeellä korkeammalla herkkyydellä kuin koskaan ennen. JWST käyttää passiivista jäähdytystä Plutonin pintalämpötilaan ja pystyy aktiivisesti jäähtämään infrapunalaitteita jopa 7 K. James Webbin teleskooppi antaa mahdollisuuden tehdä tieteen tavoilla, joita kukaan ei ole aiemmin tehnyt.

Se sallii:

• Noudata aikaisimpia galaksija, jotka ovat koskaan muodostuneet;
• Katso neutraalin kaasun läpi ja koetele ensimmäiset tähdet ja universumin uudelleenionisointi;
• Suorita Big Bangin jälkeen muodostuneiden ensimmäisten tähtien (väestö III) spektroskooppinen analyysi;
• Hanki hämmästyttäviä yllätyksiä, kuten maailmankaikkeuden varhaisimmat supermassiiviset mustat aukot ja kvasaarit.

JWST: n tieteellisen tutkimuksen taso ei ole samanlainen kuin aiemmin, joten teleskooppi valittiin NASAn lippulaivaoperaatioksi 2010-luvulla.

Tieteellinen mestariteos

Teknisesti James Webbin uusi teleskooppi on todellinen taideteos. Hanke meni pitkälle: talousarvion ylitykset, jälkimarkkinat ja hankkeen peruuttamisen vaara. Uuden johtajuuden jälkeen kaikki muuttui. Hanke yhtäkkiä toimi kellon kaltaisena, varoja kohdennettiin, virheitä, virheitä ja ongelmia otettiin huomioon, ja JWST-tiimi alkoi sopeutua kaikkiin ehtoihin, aikatauluihin ja budjettikehyksiin. Laukaisu on ajoitettu lokakuun 2018 Ariane-5-rakettina. Joukkue ei noudata aikataulua, sillä on yhdeksän kuukautta varauksessa, jotta kaikki odottamattomat tilanteet otetaan huomioon, jotta kaikki kerätään ja valmistellaan tähän päivään.

James Webb -teleskooppi koostuu neljästä pääosasta.

Optinen lohko

Sisältää kaikki peilit, joista tehokkain kahdeksantoista ensisijaista segmentoitua kullatut peilit. Niitä käytetään kerätä kaukana tähtien valoa ja keskittää se analysointivälineisiin. Kaikki nämä peilit ovat nyt valmiita ja moitteetonta, valmistettu täsmälleen aikataulussa. Kokoonpanon päätyttyä ne asetetaan täyteen kompaktiseen muotoon, joka käynnistetään yli miljoonan kilometrin etäisyydelle maasta Lagrangian pisteeseen L2 ja sitten kääntyy automaattisesti ympärilleen muodostaen hunajakenno-rakenteen, joka kertyy pitkään pitkästä valosta monta vuotta. Tämä on todella kaunis asia ja menestyksekäs tulos monien asiantuntijoiden titaanitehokkuudesta.

Lähellä oleva infrapunakamera

Webbillä on neljä tieteellistä työkalua, jotka ovat jo 100% valmiita. Teleskoopin pääkamera on lähes IR-alueen kamera: näkyvästä oranssinvärisestä valaistuksesta syvään infrapunaan. Se tarjoaa ennennäkemättömiä kuvia aikaisimmista tähdistä, nuorimmista galaksieista, jotka ovat vielä muodostamisprosessissa, Linnunradan nuorilla tähdillä ja lähialueen galaksien, satoja uusia esineitä Kuiper-vyöllä. Se on optimoitu muiden tähtien ympärille suunnattujen planeettojen suoralle kuvaukselle. Tämä on tärkein kamera, jota useimmat tarkkailijat käyttävät.

Lähellä infrapunaspektrofonia

Tämä työkalu jakaa valon vain erillisille aallonpituuksille, mutta pystyy tekemään tämän yli 100 erilliselle kohteelle samaan aikaan! Tämä laite on universaali spektrograph "Webba", joka pystyy työskentelemään 3 eri spektroskoopilla. Euroopan avaruusjärjestö on rakentanut sen , mutta Space Flight Center tarjoaa monia komponentteja, mukaanlukien ilmaisimet ja monitoimilaitteet. Goddard (NASA). Tämä laite on testattu ja se on valmis asennettavaksi.

Keskitason infrapuna-instrumentti

Laitetta käytetään laajakaistan visualisointiin, eli sen avulla saadaan kaikista Webb-työkaluista vaikuttavat kuvat. Tieteellisesti se on hyödyllisintä mittaamaan protoplanetariaalisia levyjä nuorten tähtien ympärillä, mittaamaan ja visualisoimaan ennennäkemättömällä tarkkuudella Kuiper-hihnan ja pölyn kohteet tähtien valossa. Se on ainoa väline, jossa kryogeeninen jäähdytys on 7 K. Spitzer-avaruusteleskooppiin verrattuna tämä parantaa tuloksia 100 kertaa.

Neutraali IR-spektri (NIRISS)

Laite tuottaa:

• Laajakulmaspektroskopia lähellä infrapunaa aallonpituusalueella (1,0 - 2,5 μm);
• Yhden kohteen objektiivinen spektroskopia näkyvissä ja infrapuna-alueella (0,6 - 3,0 μm);
• Aukko-masking interferometria aallonpituuksilla 3,8 - 4,8 μm (jossa ensimmäiset tähdet ja galaksit ovat odotettavissa);
• Laaja-alainen tutkimus koko näkökentästä.

Tämä työkalu on luonut Kanadan avaruusjärjestö. Sen jälkeen, kun se on läpäissyt kryogeenisen testin, se on myös valmis integroitumaan teleskoopin instrumenttikoteloon.

aurinkoverho

Avaruokatkoopeita ei ole vielä varustettu niillä. Yksi laukaisun pelokkaimmista osista on täysin uuden materiaalin käyttö. Sen sijaan, että koko avaruusalusta jäähdytettäisiin aktiivisesti käyttämällä kertakäyttöistä kuluttavaa kylmäainetta, James Webb -teleskooppi käyttää täysin uutta tekniikkaa - 5-kerroksinen aurinkovoidetta, joka otetaan käyttöön kaukoputken auringon säteilyä ajatellen. Viisi 25 metriä olevaa arkkia liitetään titaanisangoilla ja asennetaan teleskoopin käyttöönoton jälkeen. Suojaus testattiin vuosina 2008 ja 2009. Laboratoriokokeisiin osallistuneet täysimittaiset mallit tekivät kaiken, mitä heidän oli tehtävä täällä maan päällä. Tämä on kaunis innovaatio.

Lisäksi se on myös uskomaton käsite: älä vain estä auringon valoa ja aseta teleskooppi varjossa, vaan tee se niin, että kaikki lämpö säteilee teleskoopin suuntaan vastakkaiseen suuntaan. Kukin kosmoksen tyhjössä olevista viidestä kerroksesta kylmenee, kun se liikkuu ulko- puolelta, mikä on hieman lämpimämpää kuin maapallon pintalämpötila - noin 350-360 K. Viimeisen kerroksen lämpötilan pitäisi laskea 37-40 k: aan, mikä on kylmempi kuin yöllä pinnalla Pluto.

Lisäksi on toteutettu merkittäviä varotoimia suojatakseen syvän tilan epäedulliseen ympäristöön. Yksi huolestuttavista asioista on pienet pikkukivet, joiden koko on kiviä, hiekkahiukkasia, pölyhiukkasia ja jopa vähemmän, lentäen planeettavälitilaa nopeammin kymmeniä tai jopa satoja tuhansia kilometrejä tunnissa. Nämä mikrometeoriitit pystyvät tekemään pieniä, mikroskooppisia reikiä kaikessa, mitä he kohtaavat: avaruusalustat, kosmonautit sopivat, teleskooppeilien ja paljon muuta. Jos peilit saavat vain hampaita tai reikiä, mikä vähentää hieman "hyvän valon" määrää, aurinkosuojan voi repeytyä reunasta reunaan, mikä tekee koko kerroksen hyödytön. Loistava idea käytettiin tämän ilmiön torjuntaan.

Koko aurinkosuojus oli jaettu osiin niin, että jos yksi, kaksi tai jopa kolme niistä on pieni aukko, kerros ei rikkoudu, kuten halkeama auton tuulilasiin. Jakautuminen säilyttää koko koko rakenteen, mikä on tärkeää hajoamisen estämiseksi.

Avaruusalus: kokoonpano- ja valvontajärjestelmät

Tämä on yleisin osa, sillä on olemassa kaikki avaruusteleskoopit ja tieteelliset tehtävät. JWST: ssa se on ainutlaatuinen, mutta täysin valmis. Kaikki, mitä Northrop Grumman -hankkeen pääurakoitsijan on tehtävä, on viimeistellä suojus, koota teleskooppi ja testata se. Laite on valmis aloittamaan 2 vuoden kuluttua.

10 vuotta löytöjä

Jos kaikki menee oikein, ihmiskunta on suurien tieteellisten löydösten partaalla. Nebla-kaasun infrapuna-ominaisuudet ja sen valtava aukko poistavat neutraalin kaasun verhon, joka on tähän asti peittänyt aikaisimmat tähdet ja galaksit. Se on suurin, herkin teleskooppi, jolla on valtava aallonpituusalue 0,6-28 mikronia (ihmisen silmä näkee 0,4-0,7 mikronia) koskaan rakennettu. Odotetaan, että se tarjoaa vuosikymmenen havaintoja.

NASA: n mukaan Webba-tehtävän kesto on 5,5-10 vuotta. Sitä rajoittaa polttoaineen määrä, jota tarvitaan kiertoradan ylläpitämiseen ja elektroniikan ja laitteiden käyttöikää vaikeissa olosuhteissa. James Webbin orbitaaliteleskooppi kuljettaa polttoainevarastoa koko 10 vuoden ajan ja 6 kuukautta lanseerauksen jälkeen toteutetaan lennon tukitestaus, joka takaa viisi vuotta tieteellistä työtä.

Mikä voi mennä pieleen?

Päärajoittava tekijä on aluksella olevan polttoaineen määrä. Kun se on ohi, satelliitti siirtyy pois Lagrange-pisteestä L2, joka tulee ulos kaoottiseksi kiertoradaksi maan välittömään läheisyyteen.

Komea tästä saattaa olla muita ongelmia:

• Peilien hajoaminen, joka vaikuttaa kerättyjen valon määrästä ja tuottaa kuvan esineitä, mutta joka ei vahingoita teleskoopin toimintaa;
• Aurinkokennon osan tai koko aurinkokenno, joka johtaa avaruusaluksen lämpötilan nousuun ja kapea käytetty aallonpituusalue hyvin lähellä infrapunaa (2-3 μm);
• Keskimmäisen IR-alueen instrumentin jäähdytysjärjestelmän jakautuminen, joka tekee siitä käyttökelvoton, mutta ei vaikuta muihin välineisiin (0,6-6 mikronia).

Vaikein testi James Webbin kaukoputkesta odottaa käynnistää ja käynnistää tietyn kiertoradan. Nämä tilanteet testattiin ja menestyksekkäästi läpäisty.

Vallankumoustiede

Jos James Webb -teleskooppi toimii normaalissa tilassa, polttoainetta on riittävästi sen toiminnan varmistamiseksi vuosina 2018-2028. Lisäksi on mahdollista tankata polttoainetta, mikä voi kasvattaa teleskoopin elinikää vielä yhden vuosikymmenen ajan. Aivan kuten Hubble oli hyödynnetty 25 vuotta, JWST voisi tarjota sukupolven vallankumouksellinen tiede. Lokakuussa 2018 Ariane-5-laukaisukiekko kiertää tähtitieteen tulevaisuuden, joka yli kymmenen vuoden kovan työn jälkeen on valmis alkamaan tuottaa hedelmää. Tulevaisuuden avaruusteleskoopit ovat lähes tulleet.