Med varje extra centimeter av bländare, varje extra sekund av observationstid och varje extra atom av atmosfärisk klotter borttagen från teleskopets synfält, kan universum ses bättre, djupare och tydligare.
25 år av Hubble
När Hubble-teleskopet började fungera 1990 inledde det en ny era inom astronomi - rymden. Det var inget mer slagsmål med atmosfären, ingen mer oro för moln eller elektromagnetiskt flimmer. Allt som krävdes var att placera ut satelliten till målet, stabilisera den och samla in fotoner. Inom 25 år började rymdteleskop täcka hela det elektromagnetiska spektrumet, vilket gjorde det möjligt för första gången att se universum vid varje ljusvåglängd.
Men i takt med att vår kunskap har ökat, har också vår förståelse för det okända ökat. Ju längre vi tittar in i universum, desto djupare ser vi det förflutna: den begränsade tiden sedan Big Bang, i kombination med ljusets ändliga hastighet, ger en gräns för vad vi kan observera. Dessutom verkar själva utvidgningen av rymden mot oss genom att sträcka ut våglängdenstjärnornas ljus när det färdas genom universum till våra ögon. Även rymdteleskopet Hubble, som ger oss den djupaste, mest hisnande bilden av universum vi någonsin har upptäckt, är begränsad i detta avseende.
Nackdelar med Hubble
Hubble är ett fantastiskt teleskop, men det har ett antal grundläggande begränsningar:
- Endast 2,4 m i diameter, vilket begränsar upplösningen.
- Trots att den är täckt med reflekterande material utsätts den ständigt för direkt solljus, vilket värmer upp den. Detta innebär att den på grund av termiska effekter inte kan observera ljusvåglängder större än 1,6 µm.
- Kombinationen av begränsad bländare och de våglängder som den är känslig för gör att teleskopet kan se galaxer som inte är äldre än 500 miljoner år.
Dessa galaxer är vackra, avlägsna och existerade när universum bara var cirka 4 % av sin nuvarande ålder. Men det är känt att stjärnor och galaxer existerade ännu tidigare.
För att se detta måste teleskopet ha en högre känslighet. Detta innebär att man flyttar till längre våglängder och lägre temperaturer än Hubble. Det är därför rymdteleskopet James Webb byggs.
Prospects for Science
James Webb rymdteleskop (JWST) är designat för att övervinna just dessa begränsningar: med en diameter på 6,5 m samlar teleskopet 7 gånger mer ljus än Hubble. Han öppnarhögupplöst ultraspektroskopi från 600 nm till 6 µm (4 gånger den våglängd som Hubble kan se), för att göra observationer i det mellaninfraröda området av spektrumet med högre känslighet än någonsin tidigare. JWST använder passiv kylning till Plutos yttemperatur och kan aktivt kyla mellaninfraröda instrument ner till 7K.
Han tillåter:
- observera de tidigaste galaxerna som någonsin bildats;
- se genom neutral gas och undersök de första stjärnorna och universums återjonisering;
- utför spektroskopisk analys av de allra första stjärnorna (population III) som bildades efter Big Bang;
- få fantastiska överraskningar som upptäckten av de tidigaste supermassiva svarta hålen och kvasarerna i universum.
JWST:s nivå av vetenskaplig forskning liknar inte något tidigare, vilket är anledningen till att teleskopet valdes som NASA:s flaggskeppsuppdrag på 2010-talet.
vetenskapligt mästerverk
Från en teknisk synvinkel är det nya James Webb-teleskopet ett verkligt konstverk. Projektet har kommit långt: det har skett budgetöverskridanden, förseningar i tidsplanen och risken för att projektet ställs in. Efter det nya ledarskapets ingripande förändrades allt. Projektet fungerade plötsligt som en klocka, medel tilldelades, fel, misslyckanden och problem togs i beaktande och JWST-teamet började passa in ialla deadlines, tidsplaner och budgetramar. Uppskjutningen av enheten är planerad till oktober 2018 på Ariane-5-raketen. Teamet håller sig inte bara till schemat, de har nio månader kvar på sig att redogöra för alla oförutsedda händelser för att säkerställa att allt är packat och klart för det datumet.
James Webb-teleskopet består av fyra huvuddelar.
Optiskt block
Inkluderar alla speglar, av vilka de arton primära segmenterade guldpläterade speglarna är de mest effektiva. De kommer att användas för att samla avlägset stjärnljus och fokusera det på instrument för analys. Alla dessa speglar är nu klara och felfria, gjorda enligt schemat. När de väl är sammansatta kommer de att vikas till en kompakt struktur som ska skjutas upp mer än 1 miljon km från jorden till L2 Lagrange-punkten, och sedan automatiskt distribueras för att bilda en bikakestruktur som kommer att samla in ljus med ultralång räckvidd i många år framöver. Det här är en riktigt vacker sak och det framgångsrika resultatet av många specialisters enorma ansträngningar.
Nära infraröd kamera
Webb är utrustad med fyra vetenskapliga instrument som är 100 % kompletta. Teleskopets huvudkamera är en nära-IR-kamera som sträcker sig från synligt orange ljus till djupt infrarött. Det kommer att ge oöverträffade bilder av de tidigaste stjärnorna, de yngsta galaxerna som fortfarande håller på att bildas, Vintergatans unga stjärnor och närliggande galaxer, hundratals nya objekt i Kuiperbältet. Hon äroptimerad för direkt avbildning av planeter runt andra stjärnor. Detta kommer att vara huvudkameran som används av de flesta observatörer.
Nära infraröd spektrograf
Det här verktyget separerar inte bara ljus i separata våglängder, utan kan göra detta för mer än 100 separata objekt samtidigt! Detta instrument kommer att vara en universell Webba-spektrograf som kan fungera i 3 olika spektroskopilägen. Den byggdes av European Space Agency, men många komponenter, inklusive detektorer och ett batteri med flera grindar, tillhandahölls av Space Flight Center. Goddard (NASA). Denna apparat har testats och är redo att installeras.
Mellan-infrarött instrument
Enheten kommer att användas för bredbandsavbildning, det vill säga den kommer att producera de mest imponerande bilderna från alla Webb-instrument. Ur vetenskaplig synvinkel kommer den att vara mest användbar för att mäta protoplanetära skivor runt unga stjärnor, mäta och avbilda Kuiperbältsobjekt och damm som värms upp av stjärnljus med oöverträffad precision. Det kommer att vara det enda instrumentet som kryogeniskt kyls till 7 K. Jämfört med rymdteleskopet Spitzer kommer detta att förbättra resultaten med en faktor 100.
Slitless Near-IR Spectrograph (NIRISS)
Enheten låter dig producera:
- vidvinkelspektroskopi i de nära infraröda våglängderna (1,0 - 2,5 µm);
- grismaspektroskopi av ett objekt isynligt och infrarött område (0,6 - 3,0 mikron);
- bländarmaskerande interferometri vid våglängder på 3,8 - 4,8 µm (där de första stjärnorna och galaxerna förväntas);
- fotografering med bred räckvidd av hela synfältet.
Det här instrumentet skapades av Canadian Space Agency. Efter att ha genomgått kryogena tester kommer den också att vara redo för integration i teleskopets instrumentfack.
Solsköld
Rymteleskop har ännu inte utrustats med dem. En av de mest skrämmande aspekterna av varje lansering är användningen av helt nytt material. Istället för att aktivt kyla hela rymdfarkosten med en engångsförbrukbar kylvätska, använder James Webb-teleskopet en helt ny teknik, en 5-lagers solsköld som kommer att användas för att reflektera solstrålningen från teleskopet. Fem 25-meters ark kommer att kopplas ihop med titanstavar och installeras efter att teleskopet har utplacerats. Skyddet testades 2008 och 2009. De fullskaliga modellerna som deltog i laboratorietester gjorde allt de skulle göra här på jorden. Det här är en vacker innovation.
Det är också ett otroligt koncept: inte bara att blockera ljuset från solen och placera teleskopet i skugga, utan att göra det på ett sådant sätt att all värme strålar ut i motsatt riktning mot teleskopets orientering. Vart och ett av de fem skikten i rymdens vakuum kommer att bli kallt när det rör sig bort från det yttre, som blir något varmare än temperaturen.jordens yta - cirka 350-360 K. Temperaturen på det sista lagret bör sjunka till 37-40 K, vilket är kallare än på natten på Plutos yta.
Dessutom har betydande försiktighetsåtgärder vidtagits för att skydda mot den hårda miljön på djupet. En av sakerna att oroa sig för här är små småstensstora småstenar, sandkorn, dammfläckar och ännu mindre som flyger genom det interplanetära rymden med hastigheter på tiotals eller till och med hundratusentals kilometer i timmen. Dessa mikrometeoriter kan göra små, mikroskopiska hål i allt de möter: rymdfarkoster, astronautdräkter, teleskopspeglar och mer. Om speglarna bara får bucklor eller hål, vilket minskar mängden "bra ljus" som finns tillgängligt, så kan solskyddet slita från kant till kant, vilket gör hela lagret oanvändbart. En briljant idé användes för att bekämpa detta fenomen.
Hela solskyddet har delats in i sektioner på ett sådant sätt att om det finns en liten lucka i en, två eller till och med tre av dem, kommer lagret inte att slitas ytterligare, som en spricka i vindrutan på en bil. Partitionering kommer att hålla hela strukturen intakt, vilket är viktigt för att förhindra nedbrytning.
Rymdfarkost: monterings- och kontrollsystem
Detta är den vanligaste komponenten, som alla rymdteleskop och vetenskapsuppdrag har. Hos JWST är det unikt, men också helt klart. Allt som återstod för projektets huvudentreprenör, Northrop Grumman, var att färdigställa skölden, sätta ihop teleskopet och testa det. Maskinen kommer att vara redo förlanseras om två år.
10 år av upptäckt
Om allt går rätt, kommer mänskligheten att stå på tröskeln till stora vetenskapliga upptäckter. Slöjan av neutral gas som hittills har skymt sikten över de tidigaste stjärnorna och galaxerna kommer att elimineras av Webbs infraröda kapacitet och dess enorma ljusstyrka. Det kommer att bli det största, känsligaste teleskopet som någonsin byggts, med ett enormt våglängdsområde på 0,6 till 28 mikron (det mänskliga ögat ser 0,4 till 0,7 mikron). Det förväntas ge ett decennium av observationer.
Enligt NASA kommer Webb-uppdragets livslängd att vara från 5,5 till 10 år. Den begränsas av mängden drivmedel som behövs för att upprätthålla omloppsbana och livslängden för elektroniken och utrustningen i den hårda miljön i rymden. James Webb Orbital Telescope kommer att bära bränsle under hela 10-årsperioden, och 6 månader efter lanseringen kommer flygstödstester att utföras, vilket garanterar 5 års vetenskapligt arbete.
Vad kan gå fel?
Den huvudsakliga begränsande faktorn är mängden bränsle ombord. När den tar slut kommer satelliten att driva bort från L2 Lagrange-punkten och gå in i en kaotisk bana i omedelbar närhet av jorden.
Kom med det här, andra problem kan hända:
- nedbrytning av speglar, vilket kommer att påverka mängden uppsamlat ljus och skapa bildartefakter, men kommer inte att skada teleskopets fortsatta funktion;
- fel på en del av eller hela solpanelen, vilket kommer att leda till en ökningrymdfarkoststemperatur och begränsa det användbara våglängdsområdet till mycket nära infrarött (2-3 µm);
- Mellan-IR-instrumentets kylsystemfel, vilket gör det oanvändbart men påverkar inte andra instrument (0,6 till 6 µm).
Det svåraste testet som väntar på James Webb-teleskopet är uppskjutningen och införandet i en given omloppsbana. Dessa situationer testades och slutfördes framgångsrikt.
Revolution in science
Om James Webb-teleskopet är i drift kommer det att finnas tillräckligt med bränsle för att driva det från 2018 till 2028. Dessutom finns det potential för tankning, vilket kan förlänga teleskopets livslängd med ytterligare ett decennium. Precis som Hubble har varit i drift i 25 år kan JWST tillhandahålla en generation av revolutionerande vetenskap. I oktober 2018 kommer bärraketen Ariane 5 att skjuta upp i omloppsbana om astronomis framtid, som efter mer än 10 år av hårt arbete är redo att börja bära frukt. Framtiden för rymdteleskop är nästan här.
