Nowe teleskopy. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba: wszystko, co musisz wiedzieć o następcy Hubble'a. Zwiedzanie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba

Zbliża się moment, na który wszyscy astronomowie na świecie z niecierpliwością czekają od wielu lat. Mówimy o wystrzeleniu nowego teleskopu kosmicznego Jamesa Webba, który uważany jest za swego rodzaju następcę słynnego Hubble'a.

Dlaczego potrzebne są teleskopy kosmiczne?

Zanim zaczniemy rozważać cechy techniczne, zastanówmy się, dlaczego w ogóle potrzebne są teleskopy kosmiczne i jakie mają zalety w stosunku do kompleksów znajdujących się na Ziemi. Faktem jest, że atmosfera ziemska, a zwłaszcza zawarta w niej para wodna, pochłania lwią część promieniowania pochodzącego z kosmosu. To oczywiście bardzo utrudnia badanie odległych światów.

Ale atmosfera naszej planety z jej zniekształceniami i zachmurzeniem, a także hałas i wibracje na powierzchni Ziemi nie są przeszkodą dla teleskopu kosmicznego. W przypadku automatycznego Obserwatorium Hubble'a, ze względu na brak wpływu atmosfery, jego rozdzielczość jest około 7–10 razy większa niż teleskopów znajdujących się na Ziemi. Wiele zdjęć odległych mgławic i galaktyk, których nie widać na nocnym niebie gołym okiem, uzyskano dzięki Hubble'owi. W ciągu 15 lat pracy na orbicie teleskop otrzymał ponad milion zdjęć 22 tysięcy obiektów niebieskich, w tym licznych gwiazd, mgławic, galaktyk i planet. W szczególności przy pomocy Hubble'a naukowcy udowodnili, że proces powstawania planet zachodzi w pobliżu większości źródeł światła naszej Galaktyki.

Jednak wystrzelony w 1990 roku Hubble nie będzie trwał wiecznie, a jego możliwości techniczne są ograniczone. Rzeczywiście, w ciągu ostatnich dziesięcioleci nauka poczyniła ogromny postęp i teraz możliwe jest stworzenie znacznie bardziej zaawansowanych urządzeń, które mogą ujawnić wiele tajemnic Wszechświata. Takim właśnie urządzeniem stanie się James Webb.

Możliwości Jamesa Webba

Jak już widzieliśmy, pełne badanie przestrzeni kosmicznej bez urządzeń takich jak Hubble jest niemożliwe. Spróbujmy teraz zrozumieć koncepcję „Jamesa Webba”. To urządzenie jest orbitalnym obserwatorium w podczerwieni. Inaczej mówiąc, jego zadaniem będzie badanie promieniowania cieplnego obiektów kosmicznych. Pamiętajmy, że wszystkie ciała stałe i ciekłe, ogrzane do określonej temperatury, emitują energię w widmie podczerwonym. W tym przypadku długości fal emitowane przez ciało zależą od temperatury ogrzewania: im wyższa temperatura, tym krótsza długość fali i większe natężenie promieniowania.

Do głównych zadań przyszłego teleskopu należy wykrywanie światła pierwszych gwiazd i galaktyk, które pojawiły się po Wielkim Wybuchu. Jest to niezwykle trudne, gdyż światło poruszające się przez miliony i miliardy lat ulega znaczącym zmianom. Zatem widzialne promieniowanie danej gwiazdy może zostać całkowicie pochłonięte przez chmurę pyłu. W przypadku egzoplanet jest to jeszcze trudniejsze, ponieważ obiekty te są niezwykle małe (oczywiście według standardów astronomicznych) i „słabym”. Dla większości planet średnia temperatura rzadko przekracza 0°C, a w niektórych przypadkach może spaść poniżej –100°C. Wykrycie takich obiektów jest bardzo trudne. Jednak sprzęt zainstalowany na Teleskopie Jamesa Webba umożliwi identyfikację egzoplanet, których temperatury powierzchni sięgają 300 K (co jest porównywalne ze wskaźnikiem Ziemi), położonych dalej niż 12 jednostek astronomicznych od swoich gwiazd i w odległości do 15 stopni świetlnych lat od nas.

Nowy teleskop został nazwany na cześć drugiego szefa NASA. James Webb stał na czele amerykańskiej agencji kosmicznej od 1961 do 1968 roku. To na jego barkach spoczywała kontrola nad realizacją pierwszych załogowych startów w kosmos w Stanach Zjednoczonych. Wniósł znaczący wkład w program Apollo, którego celem było wylądowanie człowieka na Księżycu.

W sumie możliwe będzie obserwowanie planet znajdujących się wokół kilkudziesięciu gwiazd „sąsiadujących” z naszym Słońcem. Co więcej, „James Webb” będzie mógł zobaczyć nie tylko same planety, ale także ich satelity. Innymi słowy, możemy spodziewać się rewolucji w badaniu egzoplanet. A może nawet nie sam. Jeśli mówimy o Układzie Słonecznym, to tutaj również mogą nastąpić nowe ważne odkrycia. Faktem jest, że czuły sprzęt teleskopu będzie w stanie wykryć i zbadać obiekty w układzie o temperaturze –170°C.

Możliwości nowego teleskopu pozwolą zrozumieć wiele procesów zachodzących u zarania istnienia Wszechświata – zajrzeć do samych jego początków. Rozważmy to zagadnienie bardziej szczegółowo: jak wiadomo, gwiazdy oddalone od nas o 10 lat świetlnych widzimy dokładnie tak samo, jak 10 lat temu. W rezultacie obserwujemy obiekty znajdujące się w odległości ponad 13 miliardów lat świetlnych, tak jak pojawiły się niemal natychmiast po Wielkim Wybuchu, który, jak się uważa, miał miejsce 13,7 miliarda lat temu. Instrumenty zainstalowane na nowym teleskopie pozwolą zobaczyć 800 milionów dalej niż Hubble, który ustanowił wówczas rekord. Będzie zatem możliwe zobaczenie Wszechświata takim, jaki był zaledwie 100 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Być może zmieni to wyobrażenia naukowców na temat struktury Wszechświata. Pozostaje tylko czekać na rozpoczęcie pracy teleskopu, które zaplanowano na rok 2019. Przewiduje się, że urządzenie będzie działać przez 5–10 lat, więc czasu na nowe odkrycia będzie mnóstwo.

Urządzenie ogólne

Do wystrzelenia Jamesa Webba chcą wykorzystać rakietę nośną Ariane 5, stworzoną przez Europejczyków. Ogólnie rzecz biorąc, pomimo dominującej roli amerykańskiego departamentu kosmicznego, projekt można nazwać międzynarodowym. Sam teleskop został opracowany przez amerykańskie firmy Northrop Grumman i Ball Aerospace, a w sumie w programie wzięli udział eksperci z 17 krajów. Oprócz specjalistów z USA i UE, znaczący wkład wnieśli także Kanadyjczycy.

Po wystrzeleniu urządzenie będzie znajdować się na orbicie halo w punkcie Lagrange'a L2 układu Słońce-Ziemia. Oznacza to, że w przeciwieństwie do Hubble'a nowy teleskop nie będzie krążył wokół Ziemi: ciągłe „migotanie” naszej planety może zakłócać obserwacje. Zamiast tego James Webb będzie okrążał Słońce. Jednocześnie, aby zapewnić efektywną komunikację z Ziemią, będzie ona poruszać się wokół gwiazdy synchronicznie z naszą planetą. Odległość Jamesa Webba od Ziemi wyniesie 1,5 miliona km: ze względu na tak dużą odległość nie będzie możliwa jego modernizacja ani naprawa jak Hubble'a. Dlatego niezawodność jest na pierwszym miejscu w całej koncepcji Jamesa Webba.

Ale czym jest nowy teleskop? Przed nami statek kosmiczny o wadze 6,2 tony. Żeby było jasne, Hubble waży 11 ton – prawie dwa razy więcej. Jednocześnie Hubble był znacznie mniejszy - można go porównać do autobusu (nowy teleskop ma długość porównywalną do kortu tenisowego, a wysokość do trzypiętrowego domu). Największą częścią teleskopu jest tarcza słoneczna, która ma 20 metrów długości i 7 metrów szerokości. Wygląda jak ogromny, warstwowy tort. Do wykonania osłony wykorzystano specjalną specjalną folię polimerową, pokrytą z jednej strony cienką warstwą aluminium, a z drugiej metalicznym krzemem. Pustki między warstwami osłony termicznej są wypełnione próżnią: komplikuje to przenoszenie ciepła do „serca” teleskopu. Celem tych czynności jest ochrona przed światłem słonecznym i schłodzenie ultraczułych matryc teleskopu do –220° C. Bez tego teleskop zostanie „oślepiony” blaskiem podczerwonym jego części i trzeba będzie o tym zapomnieć obserwując odległe obiekty.

To, co najbardziej rzuca się w oczy, to lustro nowego teleskopu. Konieczne jest skupienie wiązek światła - lustro je prostuje i tworzy wyraźny obraz, a zniekształcenia kolorów są eliminowane. James Webb otrzyma zwierciadło główne o średnicy 6,5 m. Dla porównania ta sama wartość dla Hubble'a wynosi 2,4 m. Średnicę zwierciadła głównego dla nowego teleskopu wybrano nie bez powodu - właśnie takiej jest potrzeba mierzyć światło najodleglejszych galaktyk. Trzeba powiedzieć, że czułość teleskopu, a także jego rozdzielczość, zależą od wielkości powierzchni lustra (w naszym przypadku jest to 25 m²), które zbiera światło z odległych obiektów kosmicznych.

Do lustra Webba zastosowano specjalny rodzaj berylu, który jest drobnym proszkiem. Umieszczony jest w pojemniku ze stali nierdzewnej, a następnie sprasowany w płaski kształt. Po wyjęciu stalowego pojemnika kawałek berylu jest cięty na dwie części, tworząc półfabrykaty luster, z których każdy służy do utworzenia jednego segmentu. Każdy z nich jest szlifowany i polerowany, a następnie schładzany do temperatury –240°C. Następnie doprecyzowuje się wymiary segmentu, następuje jego ostateczne polerowanie i nakładanie złota na przednią część. Na koniec segment jest ponownie testowany w temperaturach kriogenicznych.

Naukowcy rozważali kilka opcji, z czego mogłoby być wykonane lustro, ale ostatecznie eksperci wybrali beryl, lekki i stosunkowo twardy metal, którego koszt jest bardzo wysoki. Jednym z powodów podjęcia tego kroku było to, że beryl zachowuje swój kształt w temperaturach kriogenicznych. Samo lustro ma kształt koła – pozwala to na możliwie najmniejsze skupienie światła na detektorach. Gdyby na przykład James Webb miał owalne lustro, obraz byłby wydłużony.
Zwierciadło główne składa się z 18 segmentów, które zostaną otwarte po wystrzeleniu pojazdu na orbitę. Gdyby był solidny, to umieszczenie teleskopu na rakiecie Ariane 5 byłoby po prostu fizycznie niemożliwe. Każdy z segmentów ma kształt sześciokąta, co pozwala na maksymalne wykorzystanie przestrzeni. Elementy lustrzane są w kolorze złotym. Złocenie zapewnia najlepsze odbicie światła w zakresie podczerwieni: złoto skutecznie odbija promieniowanie podczerwone o długości fali od 0,6 do 28,5 mikrometra. Grubość warstwy złota wynosi 100 nanometrów, a całkowita waga powłoki to 48,25 grama.

Przed 18 segmentami na specjalnym uchwycie zamontowane jest zwierciadło wtórne, które odbierze światło ze zwierciadła głównego i skieruje je na instrumenty naukowe znajdujące się z tyłu urządzenia. Zwierciadło wtórne jest znacznie mniejsze od zwierciadła głównego i ma wypukły kształt.

Jak w przypadku wielu ambitnych projektów, cena Teleskopu Jamesa Webba okazała się wyższa niż oczekiwano. Początkowo eksperci planowali, że obserwatorium kosmiczne będzie kosztować 1,6 miliarda dolarów, ale nowe szacunki mówią, że koszt może wzrosnąć do 6,8 miliarda. Z tego powodu w 2011 roku chcieli nawet porzucić projekt, ale potem zdecydowano się wrócić do jego realizacji . A teraz „Jamesowi Webbowi” nie zagraża niebezpieczeństwo.

Instrumenty naukowe

Do badania obiektów kosmicznych na teleskopie zainstalowane są następujące instrumenty naukowe:

- NIRCam (kamera bliskiej podczerwieni)
- NIRSpec (spektrograf bliskiej podczerwieni)
- MIRI (instrument średniej podczerwieni)
- FGS/NIRISS (precyzyjny czujnik naprowadzania i urządzenie do obrazowania w bliskiej podczerwieni oraz spektrograf bez szczeliny)

Teleskop Jamesa Webba / ©wikimedia

NIRCam

Główną jednostką obrazującą jest kamera bliskiej podczerwieni NIRCam. Są to swego rodzaju „główne oczy” teleskopu. Zakres działania kamery wynosi od 0,6 do 5 mikrometrów. Wykonane przez niego zdjęcia będą następnie badane przez inne instrumenty. To właśnie za pomocą NIRCam naukowcy chcą zobaczyć światło najwcześniejszych obiektów we Wszechświecie na początku ich powstawania. Ponadto instrument pomoże badać młode gwiazdy w naszej Galaktyce, tworzyć mapę ciemnej materii i wiele więcej. Ważną cechą NIRCam jest obecność koronografu, który pozwala zobaczyć planety wokół odległych gwiazd. Stanie się to możliwe dzięki tłumieniu światła tego ostatniego.

NIRSpec

Za pomocą spektrografu bliskiej podczerwieni możliwe będzie zebranie informacji dotyczących zarówno właściwości fizycznych obiektów, jak i ich składu chemicznego. Spektrografia zajmuje bardzo dużo czasu, ale dzięki technologii mikroprzesłon będzie można obserwować setki obiektów na obszarze nieba o wymiarach 3×3 minuty kątowe. Każda komórka mikrobramkowa NIRSpec posiada pokrywę, która otwiera się i zamyka pod wpływem pola magnetycznego. Komórka ma indywidualną kontrolę: w zależności od tego, czy jest zamknięta, czy otwarta, informacja o badanym fragmencie nieba jest dostarczana lub odwrotnie, blokowana.

MIRI

Instrument średniej podczerwieni działa w zakresie 5–28 mikrometrów. Urządzenie to zawiera kamerę z czujnikiem o rozdzielczości 1024x1024 pikseli, a także spektrograf. Trzy układy detektorów arsenu i krzemu sprawiają, że MIRI jest najczulszym instrumentem w arsenale Teleskopu Jamesa Webba. Oczekuje się, że instrument średniej podczerwieni będzie w stanie rozróżnić nowe gwiazdy, wiele nieznanych wcześniej obiektów Pasa Kuipera, przesunięcie ku czerwieni bardzo odległych galaktyk i tajemniczą hipotetyczną Planetę X (znaną również jako dziewiąta planeta Układu Słonecznego). . Nominalna temperatura robocza MIRI wynosi 7 K. Sam pasywny układ chłodzenia nie jest w stanie tego zapewnić: stosuje się do tego dwa poziomy. Najpierw teleskop schładza się do 18 K za pomocą rurki pulsacyjnej, a następnie temperaturę obniża się do 7 K za pomocą adiabatycznego dławiącego wymiennika ciepła.

FGS/NIRISS

FGS/NIRISS składa się z dwóch instrumentów – precyzyjnego czujnika wskazującego, kamery bliskiej podczerwieni i spektrografu bezszczelinowego. W rzeczywistości NIRISS powiela funkcje NIRCam i NIRSpec. Działając w zakresie 0,8–5,0 mikrometrów, urządzenie wykryje „pierwsze światło” od odległych obiektów, kierując na nie sprzęt. NIRISS będzie także przydatny do wykrywania i badania egzoplanet. Jeśli chodzi o precyzyjny czujnik wskazujący FGS, to sprzęt ten będzie służył do nakierowania samego teleskopu, aby móc uzyskać lepsze obrazy. Kamera FGS umożliwia utworzenie obrazu z dwóch sąsiadujących ze sobą obszarów nieba, z których każdy ma wymiary 2,4 × 2,4 minuty kątowej. Odczytuje również informacje 16 razy na sekundę z małych grup po 8 x 8 pikseli: to wystarczy, aby zidentyfikować odpowiednią gwiazdę odniesienia z 95% prawdopodobieństwem w dowolnym miejscu na niebie, w tym na dużych szerokościach geograficznych.

Sprzęt zainstalowany na teleskopie umożliwi wysokiej jakości komunikację z Ziemią i przesyłanie danych naukowych z prędkością 28 Mbit/s. Jak wiemy, nie wszystkie pojazdy badawcze mogą pochwalić się taką możliwością. Na przykład amerykańska sonda Galileo przesyłała informacje z prędkością zaledwie 160 bps. Nie przeszkodziło to jednak naukowcom w zdobyciu ogromnej ilości informacji o Jowiszu i jego satelitach.

Nowy statek kosmiczny zapowiada się na godnego następcę Hubble'a i pozwoli nam odpowiedzieć na pytania, które do dziś pozostają tajemnicą. Wśród możliwych odkryć „Jamesa Webba” znajduje się odkrycie światów podobnych do Ziemi i nadających się do zamieszkania. Dane uzyskane przez teleskop mogą przydać się przy projektach rozważających możliwość istnienia obcych cywilizacji.

Dzień wcześniej wydał oświadczenie, które ponownie zmartwiło wielu naukowców, pomieszało im karty, a teraz doprowadzi do zwiększonego wydatkowania środków budżetowych.

Stany Zjednoczone po raz kolejny, teraz o prawie rok, odkładają wystrzelenie długo oczekiwanej misji Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

Powołując się na szereg problemów technicznych i błędów, których można było uniknąć, kierownictwo NASA stwierdziło, że start został przełożony z 2019 r. na maj 2020 r.

NASA nie ma jednak innego wyjścia, gdyż wszystkie błędy w projekcie trzeba poprawić na ziemi, bo w przeciwieństwie do teleskopu Hubble'a, nie będzie możliwości naprawy teleskopu na orbicie.

„W zasadzie mamy tylko jedną szansę, aby wszystko zrobić, zanim polecimy w kosmos” – powiedział Thomas Zurbuchen, zastępca dyrektora ds. nauki NASA. „Teraz wygląda na to, że mamy okazję to zrobić, zanim przekroczymy linię mety”.

Zasadniczo wyposażenie teleskopu jest już zmontowane w dwóch oddzielnych częściach. Pierwszy to sam teleskop, składający się z lustra o średnicy 6,5 metra, złożonego z 18 sześciokątnych segmentów oraz czterech instrumentów naukowych.

Druga część to część serwisowa, w której znajdują się układy zasilania oraz osłona przeciwsłoneczna, która powinna rozkładać się w przestrzeni i tworzyć cień wielkości kortu tenisowego, aby zapobiec nagrzewaniu się teleskopu pod wpływem promieni słonecznych. To właśnie ta część, produkowana w fabryce Northrop Grumman w Kalifornii, miała poważne problemy. Tym samym odkryto nieszczelne zawory w układzie napędowym i trudności podczas próbnego rozłożenia osłony ochronnej.

„Popełniliśmy kilka błędów” – powiedział Zurbuchen. Między innymi okazało się, że podczas próbnego rozłożenia ekran składający się z pięciu warstw Kaptonu rozdarł się w kilku miejscach. W sumie zidentyfikowano siedem pęknięć, z których dwa miały długość ponad 10 cm.

A kable, które miały je naprężyć, okazały się za słabe i mogły pęknąć w przestrzeni.

NASA i Northrop Grumman już wiedzą, jak rozwiązać te problemy, ale ich naprawienie będzie teraz wymagało dodatkowych miesięcy pracy.

Agencja zdecydowała się powołać niezależną komisję rewizyjną, na której czele stoi weteran NASA Thomas Young, która będzie nadzorować montaż teleskopu i latem prześle raport do Kongresu. Jednocześnie agencja nie ukrywa się już

że dodatkowa praca wymagałaby więcej niż 8 miliardów dolarów przeznaczonych na tę misję przez Kongres.

Decyzja NASA wywołała już ostrą reakcję zarówno naukowców, jak i polityków. „Dzisiejsze ogłoszenie, że wystrzelenie teleskopu ponownie zostało opóźnione i będzie kosztować ponad 8 miliardów dolarów, jest smutne i nie do przyjęcia... Te ciągłe opóźnienia i przekroczenia kosztów podważają zaufanie do NASA i jej głównego wykonawcy, firmy Northrop Grumman. NASA musi dotrzymać obietnic złożonych podatnikom” – powiedział szef Komisji Nauki Izby Reprezentantów USA.

Naukowcy obawiają się, że w związku z oczekiwanym przekroczeniem kosztów teleskop Webba może zagrozić wystrzeleniu innych misji astronomicznych, w szczególności misji WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope), zaplanowanej na lata 2020. XX wieku.

„Webb może być teleskopem, który zabije astrofizykę NASA” – ostrzegł Brian Keating, kosmolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.

który w 2010 roku nazwał projekt teleskopem, który „zjadł astronomię”.

Ostatnie przełożenie długo cierpiącej i kosztownej misji wymiany Kosmicznego Teleskopu Hubble'a nie było wielkim zaskoczeniem. W lutym US Government Accountability Office w swoim raporcie określiło rozpoczęcie misji zaplanowanej na marzec-czerwiec jako „raczej niewykonalne” i zapowiedziało groźbę przekroczenia budżetu.

Teleskop Jamesa Webba, którego wystrzelenie pierwotnie zaplanowano na 2007 rok, ma długą historię opóźnień w uruchomieniu i wzrostu kosztów. Prace nad nowym teleskopem rozpoczęły się w 1996 roku, a jego koszt oszacowano na 500 milionów dolarów.

Głównymi celami teleskopu powinny być badania kosmologiczne, zagadnienia powstawania gwiazd i planet oraz poszukiwanie planet wokół innych gwiazd. Planowano przeznaczyć znaczną część czasu obserwacji na wnioski naukowców zajmujących się inną tematyką.

Webb będzie zaglądał w widmo bliskiej i średniej podczerwieni, korzystając ze swojej pozycji w punkcie L2 za Księżycem oraz osłon słonecznych, które blokują natrętne światło Słońca, Ziemi i Księżyca, korzystnie wpływając na chłodzenie urządzenia. Naukowcy mają nadzieję zobaczyć pierwsze gwiazdy we wszechświecie, powstawanie i zderzenia młodych galaktyk oraz narodziny gwiazd w układach protoplanetarnych, które mogą zawierać chemiczne składniki życia.

Te pierwsze gwiazdy mogą okazać się kluczem do zrozumienia struktury Wszechświata. Teoretycznie to, gdzie i jak powstają, jest bezpośrednio powiązane z pierwszymi wzorami ciemnej materii – niewidzialnej, tajemniczej substancji wykrytej przez wpływy grawitacyjne – a ich cykle życia i śmierci powodują sprzężenie zwrotne, które wpłynęło na powstawanie pierwszych galaktyk. A ponieważ krótkotrwałe supermasywne gwiazdy mają masę około 30 do 300 mas naszego Słońca (i miliony razy jaśniejszą), te pierwsze gwiazdy mogły eksplodować jako supernowe, a następnie zapaść się, tworząc czarne dziury, które stopniowo zajmowały centra większości gwiazd. masywne galaktyki.

Zobaczenie tego wszystkiego jest z pewnością wyczynem dla narzędzi, które do tej pory stworzyliśmy. Dzięki nowym instrumentom i statkom kosmicznym będziemy mogli zobaczyć jeszcze więcej.

Zwiedzanie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba

Webb wygląda jak tratwa w kształcie rombu wyposażona w gruby, zakrzywiony maszt i żagiel – jeśli zbudowana jest przez gigantyczne pszczoły żywiące się berylem. Skierowana dolną częścią w stronę Słońca „tratwa” od dołu składa się z tarczy - warstw Kaptonu oddzielonych szczelinami. Każda warstwa jest oddzielona szczeliną próżniową zapewniającą efektywne chłodzenie i razem chronią główny reflektor i instrumenty.

Kapton to bardzo cienka (jak na ludzki włos) folia polimerowa wyprodukowana przez firmę DuPont, która jest w stanie zachować stabilne właściwości mechaniczne w warunkach ekstremalnych temperatur i wibracji. Jeśli chcesz, możesz zagotować wodę po jednej stronie osłony, a azot w postaci płynnej po drugiej. Całkiem nieźle się też składa, co jest istotne przy startowaniu.

„Kil” statku składa się z konstrukcji przechowującej osłonę przeciwsłoneczną podczas startu oraz paneli słonecznych zasilających pojazd. Pośrodku znajduje się pudełko zawierające wszystkie najważniejsze funkcje wspierające Webba, w tym zasilanie, kontrolę położenia, komunikację, dowodzenie, przetwarzanie danych i kontrolę termiczną. Antena rozjaśnia wygląd pudełka i pomaga upewnić się, że wszystko jest skierowane we właściwym kierunku. Na jednym końcu osłony termicznej, prostopadle do niej, znajduje się trymer momentu obrotowego, który kompensuje nacisk wywierany przez fotony na urządzenie.

Po kosmicznej stronie tarczy znajduje się „żagiel”, gigantyczne zwierciadło Webba, część osprzętu optycznego oraz pudełko z wyposażeniem. Po wystrzeleniu 18 sześciokątnych sekcji berylu rozłoży się, tworząc jedno duże zwierciadło główne o średnicy 6,5 metra.

Naprzeciwko tego lustra, utrzymywanego w miejscu przez trzy wsporniki, znajduje się zwierciadło wtórne, które skupia światło ze zwierciadła głównego w tylnym podsystemie optycznym, czyli skrzynce w kształcie klina wystającej ze środka zwierciadła głównego. Konstrukcja ta odbija światło rozproszone i kieruje światło ze zwierciadła wtórnego do instrumentów znajdujących się w tylnej części „masztu”, który również wspiera segmentową konstrukcję zwierciadła głównego.

Gdy pojazd zakończy sześciomiesięczny okres rozruchu, będzie działał przez 5–10 lat, a może i dłużej, w zależności od zużycia paliwa, ale będzie zbyt daleko, aby można go było naprawić. Tak naprawdę Hubble stanowi pod tym względem pewien wyjątek. Jednak podobnie jak Hubble i inne wspólne obserwatoria, misją Webba będzie współpraca z wybranymi w drodze konkursu projektami naukowców z całego świata. Wyniki zostaną następnie uwzględnione w badaniach i danych dostępnych w Internecie.

Przyjrzyjmy się bliżej narzędziom, które umożliwiają wykonanie wszystkich tych badań.

Instrumenty: poza zasięgiem wzroku

Chociaż Webb widzi coś w widmie widzialnym (światło czerwone i złote), Webb jest zasadniczo dużym teleskopem na podczerwień.

Jego główną kamerą termowizyjną jest kamera bliskiej podczerwieni NIRCam, widzi w zakresie 0,6-5,0 mikronów (bliska podczerwień). Będzie w stanie wykryć światło podczerwone od narodzin pierwszych gwiazd i galaktyk, prowadzić badania pobliskich galaktyk i lokalnych obiektów przemieszczających się przez Pas Kuipera – obszar lodowych ciał krążących poza Neptunem, w którym znajduje się także Pluton i inne karły planety.

NIRCam wyposażony jest także w koronograf, który pozwoli kamerze obserwować cienkie halo otaczające jasne gwiazdy, blokując ich oślepiające światło – co jest niezbędnym narzędziem do identyfikacji egzoplanet.

Spektrograf bliskiej podczerwieni działa w tym samym zakresie długości fal co NIRCam. Podobnie jak inne spektrografy, analizuje właściwości fizyczne obiektów takich jak gwiazdy, rozdzielając emitowane przez nie światło na widma, których struktura zmienia się w zależności od temperatury, masy i składu chemicznego obiektu.

NIRSpec będzie badał tysiące starożytnych galaktyk z emisją tak słabą, że pojedynczy spektrograf będzie potrzebował setek godzin na wykonanie tej pracy. Aby uprościć to trudne zadanie, spektrograf jest wyposażony w niezwykłe urządzenie: siatkę 62 000 pojedynczych żaluzji, każda o wymiarach około 100 na 200 mikronów (szerokość kilku ludzkich włosów), z których każdą można otwierać i zamykać w celu zablokowania światło jaśniejszych gwiazd. Dzięki tej matrycy NIRSpec będzie pierwszym spektrografem kosmicznym, który będzie w stanie obserwować setki różnych obiektów jednocześnie.

Precyzyjny czujnik prowadzenia i spektrograf bez szczeliny (FGS-NIRISS) to zasadniczo dwa czujniki umieszczone razem. NIRISS obejmuje cztery mody, każdy powiązany z inną długością fali. Obejmują one spektroskopię bezszczelinową, która tworzy widmo za pomocą pryzmatu i siatki zwanej grysem, które razem tworzą wzory interferencyjne, które mogą ujawnić światło egzoplanetarne na tle światła gwiazdy.

FGS to czuła i nieruchoma kamera, która wykonuje zdjęcia nawigacyjne i przesyła je do systemów kontroli położenia, które utrzymują teleskop skierowany we właściwym kierunku.

Najnowszy instrument Webba rozszerza swój zakres od widma bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni, co jest przydatne do obserwacji obiektów z przesunięciem ku czerwieni, a także planet, komet, asteroid, nagrzanego słońcem pyłu i dysków protoplanetarnych. Instrument ten jest zarówno kamerą, jak i spektrografem MIRI obejmuje najszerszy zakres długości fal, 5-28 mikronów. Jego szerokopasmowa kamera będzie w stanie uchwycić więcej obrazów Hubble’a, które tak uwielbiamy.

Ponadto obserwacje w podczerwieni mają ważne implikacje dla zrozumienia Wszechświata. Pył i gaz mogą blokować światło widzialne gwiazd w żłobku gwiazdowym, ale światło podczerwone nie. Co więcej, gdy Wszechświat się rozszerza, a galaktyki oddalają się od siebie, ich światło ulega „rozciągnięciu” i przesunięciu ku czerwieni, przechodząc w długofalowe widmo fal elektromagnetycznych, takich jak podczerwień. Im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej się oddala i tym większe staje się jej przesunięcie ku czerwieni – na tym polega wartość teleskopu Webba.

Widmo podczerwone może również dostarczyć wielu informacji na temat atmosfer egzoplanet i tego, czy zawierają one składniki molekularne powiązane z życiem. Na Ziemi parę wodną, ​​metan i dwutlenek węgla nazywamy „gazami cieplarnianymi”, ponieważ pochłaniają one ciepło. Ponieważ tendencja ta sprawdza się wszędzie, naukowcy mogą wykorzystać Webba do wykrywania znanych substancji w atmosferach odległych światów, obserwując wzorce absorpcji substancji za pomocą spektrografów.

Osobiście doszedłem do wniosku, że teleskop Jamesa Webba wiąże się ze zbyt dużą inwencją, zbyt dużym ryzykiem i jest projektem nie do przyjęcia.– takie były bezpośrednie słowa szefa niezależnej komisji kontrolnej Toma Younga na posiedzeniu Komisji Astronomii i Astrofizyki Rady Badań Kosmicznych Narodowej Akademii Nauk USA 29 października. Od razu jednak wyjaśnił, że nie jest przeciwnikiem teleskopu i nie ma wątpliwości, że projekt można zakończyć sukcesem. Rzeczywiście stan rzeczy budzi sprzeczne uczucia – z jednej strony jest to bardzo ciekawy projekt, który powinien dać nauce nowe możliwości, z drugiej zaś przekroczenia czasu i kosztów osiągnęły iście astronomiczne wartości. Generalnie historia projektu skłania do zastanowienia się nad terminowością wdrażania technologii i kryteriami, kiedy lepiej się zatrzymać. I wreszcie, rozpoczynając znacznie większy projekt księżycowej stacji orbitalnej, koniecznie trzeba wyciągnąć wnioski z lekcji „Jamesa Webba”.

Zdjęcie: NASA/Desiree Stover

Aby wypowiedź Younga była bardziej jasna, warto doprecyzować kontekst. W 2010 roku, kiedy projekt Teleskopu Jamesa Webba po raz kolejny naruszył wcześniej ogłoszone harmonogramy i koszty, senator Barbara Mikulski zażądała powołania niezależnej komisji recenzyjnej. Bazując na wynikach swojej pracy NASA zrestrukturyzowała projekt i zapewniła Kongres USA, że koszt nie przekroczy 8 miliardów dolarów, a teleskop zostanie wystrzelony nie później niż jesienią 2018 roku. Jednak jesienią 2017 roku terminy zostały przesunięte do 2019 r., a wiosną 2018 r. – do 2020 r. NASA, nie czekając na gniew senatora, samodzielnie powołała nową, niezależną komisję. W jej skład wchodzili autorytatywni eksperci z zakresu lotnictwa i kosmonautyki, a jej szefem został Tom Young, który pracował w Lockheed Martin.

Tom Young, zdjęcie NASA/Bill Ingalls

Komisja zakończyła prace w maju 2018 r., a swoje sprawozdanie złożyła 31 maja. Opierając się na szacunkach pracochłonności i harmonogramu realizacji projektu w różnych warunkach, rekomendowała wyznaczenie daty startu na marzec 2021 r. Efektem tego byłoby przekroczenie ustalonego przez Kongres pułapu 8 miliardów. W raporcie zawarto także 32 zalecenia dotyczące doskonalenia procesów.

Przejdźmy teraz do jesieni 2018 roku. 29 października odbyło się posiedzenie Komisji Astronomii i Astrofizyki Rady Badań Kosmicznych Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych. Nic dziwnego, że wystąpił tam Tom Young. Portal SpaceNews cytuje jego wypowiedź:

Są ludzie, którzy będą wspierać JWST za wszelką cenę, i są tacy, którzy go wspierają, ale są oburzeni wydłużeniem czasu i kosztami. Wierzę, że projekt nie zostanie zamknięty, a proces polityczny nie zrobi teleskopowi nic złego.

Dodał też, że nie może wykluczyć „ubocznych szkód” dla innych programów NASA, ale nie przewidział konkretnych decyzji. Wyjaśnienie: NASA i administracja USA rozważają obecnie opóźnienie lub odwołanie teleskopu na podczerwień WFIRST w celu przesłania pieniędzy na rzecz JWST.

Wiem, że rozpoczynamy teraz projekty, przy których James Webb będzie wyglądał na małego. A te misje muszą uwzględniać doświadczenie JWST. Myślę, że w najbliższej dekadzie będziemy musieli rozwikłać ten problem.

Young mówił także o trudnościach z przekonaniem NASA o słuszności zaleceń. Wiele wysiłku trzeba było włożyć, aby udowodnić, że NASA może i powinna kontrolować przygotowania do lotu europejskiej rakiety Ariane 5, na której miał zostać wystrzelony teleskop. Początkowo NASA twierdziła, że ​​jest to niemożliwe, jednak przedstawicielom komisji udało się ostatecznie przekonać agencję.

Gdyby ten program nie miał dużego potencjału naukowego i nie poruszał kwestii przywództwa USA, myślę, że zostałby zamknięty.

Wybitny koszmar

Pierwotnie Teleskop Jamesa Webba miał kosztować 500 milionów dolarów i wynieść w przestrzeń kosmiczną w 2007 roku. Jednak początkowe szacunki kosztów wzrosły 19 razy, a ramy czasowe przesunęły się o 14 lat.

Ilustracja autorstwa Granta Tremblaya

Można się spodziewać, że teraz szkoda byłoby wyrzucić wydane już miliardy dolarów, więc James Webb zostanie wystrzelony i, miejmy nadzieję, stanie się doskonałym teleskopem. Jednak jego odpowiedniki z dużych strategicznych misji kosmicznych NASA odnoszą znacznie większe sukcesy. Na przykład wystrzelona w tym roku Parker Solar Probe kosztowała zaledwie półtora miliarda. A misje mniejszego kalibru z niewielkimi budżetami wyglądają całkiem nieźle na tle Jamesa Webba – TESS, który niedawno zaczął pracować na orbicie i odkrył już pierwsze egzoplanety, kosztował 200 milionów, oszczędzając 40 i został ukończony dwa miesiące wcześniej niż zaplanowany. Prosta matematyka mówi, że kosztem JWST można by wystrzelić prawie 50 urządzeń z budżetem TESS, sześć analogów Parker Solar Probe czy 3 analogi łazika Curiosity. Podejrzewam, że w tym przypadku byłoby więcej korzyści naukowych.

Osobny smutny humor polega na tym, że analiza przesunięć podaje datę premiery w 2026 roku. Kalkulacja oczywiście nie jest poważna, ale w okolicach 2021 roku warto o tym pamiętać.

Ilustracja autorstwa Coreya S. Powella

Końcowe przemyślenia

Smutna historia „Jamesa Webba” prowadzi do kilku wniosków:

Skoku technologicznego lepiej dokonywać na stosunkowo tanich urządzeniach testowych. NASA miała doskonałe doświadczenia z sondą Deep Space 1, która przetestowała dwanaście nowych technologii, które następnie z sukcesem wykorzystano w kolejnych misjach. Nawiasem mówiąc, sonda kosztowała tylko nieco ponad dwieście milionów dolarów według dzisiejszych cen. Europejska Agencja Kosmiczna ma jasny przykład – sukces LISA Pathfinder. Urządzenie to pokazuje możliwość stworzenia kosmicznego detektora fal grawitacyjnych z kilku satelitów, a fakt, że ich konstrukcja nie będzie zbytnio różnić się od już działającego urządzenia, zwiększa dokładność oszacowania czasu i kosztów projektu. Tak, oczywiście, można zarzucić, że „mini-JWST” nie będzie zbyt przydatny, ale to kwestia zaprojektowania urządzenia i wymyślenia dla niego zadań. Praktyka jest kryterium prawdy i dopiero pomyślne wdrożenie technologii pokazuje jej prawdziwą gotowość i koszt.

Płynny i niezauważalny wzrost kosztów i harmonogramów projektu może zajść bardzo daleko i konieczne jest posiadanie jasnych kryteriów pozwalających ocenić, kiedy sytuacja wykracza poza rozsądny poziom. Nawiasem mówiąc, ta rada jest uniwersalna, zwłaszcza że ludzka psychika ma irracjonalne unikanie strat (pamiętajcie eksperyment Maxa Bazermana z banknotem dwudziestodolarowym na aukcji). Konkretnie w przypadku Jamesa Webba w latach 2010-11 koszt stopniowo rósł z 5 do 6,5, a następnie do 8 miliardów. I do tego czasu wydali około 3 miliardów, które oczywiście szkoda było wyrzucić. A do 2011 roku nie ma rozwidlenia dróg z audytem i szansą na zamknięcie projektu. Koszt w roku 2006 szacuje się na 3,3 miliarda, czyli mniej niż w przypadku Hubble'a, co obecnie wygląda na bardzo wyraźną ilustrację.

Pomysł budowy nowego, potężnego teleskopu kosmicznego zrodził się prawie 20 lat temu, w 1996 roku, kiedy amerykańscy astronomowie opublikowali raport HST and Beyond, w którym poruszono kwestię tego, dokąd astronomia powinna dalej zmierzać. Niedługo wcześniej, w 1995 roku, w pobliżu gwiazdy podobnej do naszego Słońca odkryto pierwszą egzoplanetę. To podekscytowało społeczność naukową – w końcu istniała szansa, że ​​gdzieś może istnieć świat przypominający Ziemię – dlatego badacze poprosili NASA o zbudowanie teleskopu, który nadawałby się między innymi do wyszukiwania i badania egzoplanet. Tutaj zaczyna się historia „Jamesa Webba”. Wystrzelenie tego teleskopu było stale opóźniane (pierwotnie planowano wysłać go w przestrzeń kosmiczną w 2011 r.), ale obecnie wydaje się, że zbliża się on do końca. Redakcyjny N+1 próbował dowiedzieć się, czego astronomowie mają nadzieję dowiedzieć się przy pomocy Webba, i rozmawiał z twórcami tego instrumentu.

Teleskopowi nadano nazwę James Webb w 2002 roku, wcześniej nosił on nazwę Teleskop Kosmiczny Nowej Generacji, w skrócie NGST, ponieważ nowy instrument będzie kontynuował badania rozpoczęte przez Hubble'a. Jeśli „” bada Wszechświat przede wszystkim w zakresie optycznym, wychwytując jedynie zakresy bliskiej podczerwieni i ultrafioletu, które graniczą z promieniowaniem widzialnym, wówczas „James Webb” skoncentruje się na podczerwonej części widma, gdzie widoczne są starsze i zimniejsze obiekty . Ponadto określenie „następna generacja” odnosi się do zaawansowanych technologii i rozwiązań inżynieryjnych, które zostaną zastosowane w teleskopie.

Proces wytwarzania zwierciadła teleskopu

Fragment lustra teleskopu

Proces wytwarzania zwierciadła teleskopu

Fragment lustra teleskopu

Fragment lustra teleskopu

Fragment lustra teleskopu

Być może najbardziej niestandardowym i złożonym z nich jest zwierciadło główne Jamesa Webba o średnicy 6,5 metra. Naukowcy postanowili nie budować większej wersji zwierciadła Hubble'a, ponieważ ważyłoby to za dużo, więc wpadli na eleganckie rozwiązanie tej sytuacji: postanowili złożyć zwierciadło z 18 oddzielnych segmentów. Wykorzystano do nich lekki i wytrzymały metalowy beryl, na który nałożono cienką warstwę złota. W rezultacie lustro waży 705 kilogramów, a jego powierzchnia wynosi 25 metrów kwadratowych. Lustro Hubble'a waży 828 kilogramów i ma powierzchnię 4,5 metra kwadratowego.

Kolejnym ważnym elementem teleskopu, który ostatnio sprawiał inżynierom wiele kłopotów, jest rozkładana osłona termiczna potrzebna do ochrony instrumentów Jamesa Webba przed przegrzaniem. Na niskiej orbicie okołoziemskiej, pod bezpośrednim działaniem promieni słonecznych, obiekty mogą nagrzać się do 121 stopni Celsjusza. Instrumenty Jamesa Webba są zaprojektowane do pracy w dość niskich temperaturach, dlatego też potrzebna była osłona termiczna, aby chronić je przed słońcem.

Rozmiarami porównywalny jest do kortu tenisowego, czyli 21 x 14 metrów, więc w rozłożonej formie nie da się go wysłać do punktu Lagrange'a L2 (gdzie będzie pracował teleskop). I tu zaczynają się główne trudności – jak dostarczyć tarczę na miejsce, nie uszkadzając jej? Najbardziej logicznym rozwiązaniem okazało się złożenie go na czas lotu, a następnie rozłożenie, gdy James Webb osiągnął punkt operacyjny.

Zewnętrzna strona tarczy, w której znajdują się antena, komputer pokładowy, żyroskopy i panel słoneczny, nagrzeje się, zgodnie z przewidywaniami naukowców, do 85 stopni Celsjusza. Ale po „nocnej” stronie, gdzie znajdują się główne instrumenty naukowe, będzie mroźno: około 233 stopnie poniżej zera. Pięć warstw osłony zapewni izolację termiczną – każda z nich jest zimniejsza od poprzedniej.

Rozkładana tarcza Jamesa Webba

Jakie instrumenty naukowe należy tak starannie chronić przed słońcem? Są cztery z nich: kamera bliskiej podczerwieni NIRCam, instrument średniej podczerwieni MIRI, spektrograf bliskiej podczerwieni NIRSpec i system FGS/NIRISS. Na poniższym obrazku wyraźnie widać, w jakim „świecie” zobaczą Wszechświat:

Zdjęcie pokazuje zasięg, jaki będą rejestrować instrumenty teleskopu

Naukowcy mają nadzieję odpowiedzieć na wiele fundamentalnych pytań za pomocą instrumentów naukowych. Przede wszystkim dotyczą one egzoplanet.

Chociaż teleskop Keplera odkrył do tej pory ponad 2500 egzoplanet, szacunki gęstości istnieją jedynie dla kilkuset. Tymczasem szacunki te pozwalają nam zrozumieć, do jakiego typu należy planeta. Jeśli ma niską gęstość, oczywiste jest, że mamy do czynienia z gazowym olbrzymem. Jeśli ciało niebieskie ma dużą gęstość, najprawdopodobniej jest to planeta skalista przypominająca Ziemię lub Marsa. Astronomowie mają nadzieję, że James Webb pomoże zebrać więcej danych na temat mas i średnic planet, co pomoże obliczyć ich gęstość i określić ich typ.

Centrum Lotów Kosmicznych NASA/Goddarda i Laboratorium Zaawansowanej Wizualizacji w Narodowym Centrum Zastosowań Superkomputerowych

Kolejne ważne pytanie dotyczy atmosfer egzoplanet. Hubble i Spitzer zebrali dane na temat otoczek gazowych około stu planet. Narzędzia Jamesa Webba zwiększą tę liczbę co najmniej trzykrotnie. Dzięki instrumentom naukowym i różnym trybom obserwacji astronomowie będą w stanie określić obecność ogromnej liczby substancji, w tym wody, metanu i dwutlenku węgla – nie tylko na dużych planetach, ale także na planetach ziemskich. Jednym z celów obserwacyjnych będzie lokalizacja siedmiu planet podobnych do Ziemi.

Największych wyników oczekuje się w przypadku młodych, nowo powstałych Jowiszy, które nadal emitują w podczerwieni. W szczególności w Układzie Słonecznym wraz ze spadkiem masy gazowych olbrzymów wzrasta zawartość metali (pierwiastków cięższych od wodoru i helu). Hubble pokazał kiedyś, że nie wszystkie układy planetarne przestrzegają tego prawa, ale nie ma jeszcze statystycznie wiarygodnej próbki - dostanie ją James Webb. Ponadto oczekuje się, że teleskop będzie badał także sub-Neptuny i superziemie.

Kolejnym ważnym celem dla teleskopu będą starożytne galaktyki. Dziś wiemy już całkiem sporo o pobliskich galaktykach, ale wciąż niewiele wiemy o tych, które pojawiły się w bardzo młodym Wszechświecie. Hubble może zobaczyć Wszechświat takim, jaki był 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a Obserwatorium Plancka zaobserwowało kosmiczne promieniowanie mikrofalowe, które pojawiło się 400 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. „James Webb” będzie musiał wypełnić lukę między nimi i dowiedzieć się, jak wyglądały galaktyki w pierwszych 3 procentach historii kosmosu.

Teraz astronomowie obserwują bezpośredni związek pomiędzy wielkością galaktyki a jej wiekiem – im starszy Wszechświat, tym więcej małych galaktyk zawiera. Jednak tendencja ta raczej się nie utrzyma, a naukowcy mają nadzieję określić jakiś „punkt zwrotny”, aby znaleźć dolną granicę wielkości galaktyk. Astronomowie chcą zatem odpowiedzieć na pytanie, kiedy pojawiły się pierwsze galaktyki.

Osobnym punktem jest badanie obłoków molekularnych i dysków protoplanetarnych. W przeszłości Spitzer mógł zaglądać jedynie w bezpośrednie sąsiedztwo Układu Słonecznego. Webb jest znacznie bardziej czuły i faktycznie będzie w stanie zobaczyć drugą krawędź Drogi Mlecznej, a także jej środek.

James Webb będzie także poszukiwał hipotetycznych gwiazd III populacji – są to bardzo ciężkie obiekty, w których nie ma prawie żadnych pierwiastków cięższych od helu, wodoru i litu. Zakłada się, że gwiazdy tego typu powinny powstać po Wielkim Wybuchu.

Para oddziałujących ze sobą galaktyk zwanych „antenami”

Dzisiaj premiera Jamesa Webba zaplanowana jest na czerwiec 2019 r. Początkowo przewidywano, że teleskop wystartuje w przestrzeń kosmiczną wczesną wiosną, ale misja została opóźniona o kilka miesięcy z powodu problemów technicznych. Christine Pulliam, zastępca dyrektora naukowego projektu, odpowiedziała na pytania N+1 o samym teleskopie i trudnościach w jego konstrukcji.

Pewnie zadaję oczywiste pytanie, ale co czyni Jamesa Webba wyjątkowym?

Webb pozwoli nam zobaczyć Wszechświat takim, jakiego nigdy wcześniej nie widzieliśmy. Będzie prowadził obserwacje w zakresie podczerwieni, czyli na innych długościach fal niż Hubble, i będzie mógł patrzeć dalej niż Spitzer i w inne obszary niż Herschel. Wypełni luki i pomoże stworzyć całościowy obraz Wszechświata. Szeroko zakrojone obserwacje w zakresie podczerwieni pomogą nam dostrzec powstające gwiazdy i planety. W końcu zostaną nam ujawnione pierwsze galaktyki, co pomoże poskładać w całość całą kosmologiczną historię. Niektórzy lubią mówić, że teleskopy to wehikuły czasu i jest to bardzo dobre określenie. Kiedy patrzymy w przestrzeń, widzimy przeszłość, ponieważ światło potrzebuje czasu, aby dotrzeć do Ziemi. Zobaczymy Wszechświat, gdy był niezwykle młody – a to pomoże nam zrozumieć, jak powstał i jak działa Wszechświat. Jeśli mówimy o czymś bliższym ludzkości, zobaczymy, jak powstały gwiazdy, jak powstały egzoplanety, a nawet będziemy w stanie scharakteryzować ich atmosfery.

Tak, kwestia atmosfer odległych planet niepokoi wielu ludzi. Jakich wyników się spodziewasz?

Mieliśmy misje takie jak Kepler, które szukały kandydatów. Dzięki nim znamy dziś tysiące egzoplanet. Teraz James Webb przyjrzy się już znanym obiektom i zbada ich atmosfery. W szczególności dotyczy to planet-olbrzymów - ciał niebieskich wielkości od Neptuna do super-Jowisza. Niezwykle ważne jest dla nas zrozumienie, w jaki sposób powstają takie obiekty, jak ewoluują i jakie są systemy, których są częścią. Na przykład, jeśli widzimy układ kilku planet, ważne jest, abyśmy ustalili, czy może tam znajdować się woda i gdzie jej szukać.

Właściwie zdefiniowanie strefy mieszkalnej?

Dokładnie. Dla różnych gwiazd będzie to wyglądało inaczej. James Webb pomoże nam scharakteryzować odległe planety i zrozumieć, jak wyjątkowy jest nasz dom.

Oczekuje się, że misja teleskopu potrwa około dziesięciu lat. Jakie są jednak realne prognozy? Wszyscy pamiętamy Voyagery, które nadal działają i wysyłają dane na Ziemię, choć nikt tego nie planował.

Żywotność narzędzia wynosi pięć lat i mamy nadzieję, że wytrzyma tak długo. Jeśli podamy bardziej odważne szacunki, będzie to dziesięć lat. Jesteśmy ograniczeni ilością chłodziwa potrzebnego do utrzymania działania systemów teleskopowych. Nie sądzę, że James Webb będzie w stanie przetrwać 29 lat jak Hubble.

Tak, James Webb będzie zbyt daleko od Ziemi, w drugim punkcie Lagrange'a. Czy sądzisz, że w przyszłości technologia pozwoli nam polecieć do teleskopu i naprawić go, jeśli się zepsuje?

Nie można wykluczyć takiej możliwości. W tym przypadku teleskop posiada montaż na ramię robota, które można zamontować na Webbie. Konserwacja teleskopu nie była jednak planowana od samego początku, dlatego nie należy pokładać w nim zbyt wielkich nadziei. Biorąc pod uwagę, że instrument będzie działał jedynie przez 5-10 lat, jest mało prawdopodobne, że będziemy mieli czas, aby zrobić krok do przodu na tyle, aby wysłać do niego statek kosmiczny.

Czy James Webb będzie mógł współpracować z innymi statkami kosmicznymi? Przykładowo Centrum Kosmonautyki i Astronomii Uniwersytetu Kolorado proponuje stworzenie dla niego zewnętrznego koronografu. W 2013 roku mówiono o możliwości współpracy z teleskopem – czy w ogóle są takie plany?

Nie powiedziałbym, że obecnie rozważamy taką możliwość. Jeśli się nie mylę, za ten projekt odpowiada Webb Cash, ale istnieje też inny projekt Star Shield, a także kilka innych grup tworzących podobne narzędzia. Obecnie nie ma konkretnych planów połączenia Jamesa Webba z innym instrumentem, chociaż hipotetycznie mógłby on współpracować z dowolnym obserwatorium kosmicznym.

Jak planujesz rozłożyć czas obserwacji?

Teraz astronomowie z całego świata przesyłają nam swoje propozycje, a po ich sprawdzeniu otrzymamy przybliżony plan. Naukowcy, którzy dzisiaj pomagają projektować i budować Jamesa Webba, mają zarezerwowany „gwarantowany czas obserwacji” – jest to swego rodzaju podziękowanie za ich pracę. Naukowcy ci będą badać galaktyki i egzoplanety, na przykład planety układu TRAPPIST. Częściowo sami wybieramy cele, aby przetestować możliwości Jamesa Weba. Kiedy budowaliśmy teleskop, dopiero zaczynaliśmy myśleć o egzoplanetach, ale teraz jest to bardzo obiecujący obszar astronomii i musimy wymyślić, jak wykorzystać Jamesa Webba do badania planet poza Układem Słonecznym. Tym właśnie będą się zajmować zespoły, które w pierwszym roku będą prowadzić obserwacje. Jesienią okaże się, co „zobaczymy” w pierwszym roku.

Ultragłębokie Pole Hubble'a

Dlaczego daty premiery znów się przesuwają? Krążą pogłoski o problemach finansowych i problemach z systemem lusterek.

Faktem jest, że Webb jest bardzo trudnym teleskopem i po raz pierwszy rozwiązaliśmy tak złożony problem. Urządzenie składa się z kilku głównych elementów: lusterek, przyrządów, ogromnej tarczy i mechanizmów chłodzących. Wszystkie te elementy trzeba zbudować, przetestować, połączyć, przetestować jeszcze raz – to oczywiście wymaga czasu. Musimy także upewnić się, że wszystko zrobiliśmy poprawnie, że wszystkie części pasują do siebie, że start się powiedzie i że wszystkie elementy zostaną poprawnie rozłożone. Opóźnienia wynikają z dużej liczby kroków i konieczności dokładnej weryfikacji.

To znaczy, teraz przeprowadzałeś testy i zdałeś sobie sprawę, że nie pasujesz do pierwotnego harmonogramu?

Tak. Tak naprawdę mamy jeszcze dużo wolnego czasu. Początkowo wiedzieliśmy, że wszystko będzie dobrze, ale przyznaliśmy, że z jakiegoś powodu przygotowania mogą się opóźnić. Dodatkowo, gdy będziemy gotowi do wystrzelenia pojazdu, będziemy musieli także uzgodnić konkretny termin z ESA, która jest właścicielem rakiety Ariane. Pomyśleliśmy więc – po co się spieszyć?

Powiedz nam, jakie testy musi i przechodzi teleskop?

System OTISS (Optical Telescope and Instrument Assembly) został niedawno przetestowany w Centrum Kosmicznym im. Lyndona Johnsona. Został schłodzony do ekstremalnie niskich temperatur roboczych, a następnie przetestowano całą optykę i sam teleskop. Naukowcy niedawno wyjęli system z komory chłodzącej, podgrzali go, a teraz OTISS pojedzie do kalifornijskiego parku kosmicznego Redando Beach, gdzie zostanie podłączony do osłony przeciwsłonecznej. Ponadto trwają obecnie prace nad samą tarczą, specjaliści przeprowadzają liczne kontrole. Po przymocowaniu wszystkich elementów do tarczy, zostanie ona złożona i rozłożona, aby upewnić się, że działa bez zarzutu, a następnie zostaną przeprowadzone dalsze testy, m.in. test wibracji, z jakimi będzie się spotykał teleskop podczas lotu na rakiecie. Wystrzelenie w przestrzeń kosmiczną to poważny test dla pojazdu, dlatego inżynierowie chcą mieć pewność, że wszystkie jego elementy przetrwają lot. Następnie badacze przygotują Jamesa Webba do wystrzelenia, załadują go na barkę i wylecą do portu kosmicznego w Gujanie Francuskiej na początku 2019 roku.

A co z resztą narzędzi? O ile wiem, nie wspomniałeś o wszystkim. Czy zostały już poddane wstępnej selekcji?

Tak, przeszły już wszystkie testy i są teraz zamontowane na teleskopie. To osobne instrumenty, które poprowadzą liczne badania naukowe – spektrograf badający niebo w zakresie średniej podczerwieni, kamera. Poza tym wszystkie narzędzia mają różne tryby, dlatego musimy sprawdzić, czy rzeczywiście działają tak, jak zakładaliśmy. To bardzo ważne - należy „potrząśnić” urządzeniem i upewnić się, że kąt widzenia pozostaje taki sam.

Kiedy powinniśmy spodziewać się pierwszych efektów?

Najprawdopodobniej pierwsze dane pojawią się dopiero pod koniec przyszłego roku lub na początku 2020 roku. Od premiery do otrzymania pierwszych informacji upłynie około sześciu miesięcy. W tym czasie teleskop się rozłoży, a my upewnimy się, że się otworzył i działa normalnie. Następnie urządzenia będą musiały ostygnąć, zajmie to dość dużo czasu. Na Ziemi James Webb ma temperaturę pokojową, ale kiedy wystrzelimy go w przestrzeń kosmiczną, będziemy musieli poczekać, aż jego instrumenty osiągną temperaturę roboczą. Następnie oddamy je do użytku: obecnie zaplanowano szereg „ćwiczeń szkoleniowych” – kilka rutynowych obserwacji i kontroli różnych trybów pracy, które pozwolą upewnić się, że wszystko działa tak, jak powinno. Ponieważ nie mamy daty startu, a co za tym idzie nie wiemy, co znajdzie się w polu widzenia teleskopu, do obserwacji nie został wybrany konkretny obiekt. Najprawdopodobniej skalibrujemy instrumenty teleskopu na jakiejś odległej gwieździe. To wszystko są procesy wewnętrzne – najpierw musimy się upewnić, że w ogóle cokolwiek widzimy.

Kiedy jednak upewnimy się, że wszystkie instrumenty działają, przejdziemy bezpośrednio do eksperymentów naukowych. Zespół naukowców specjalizujących się w obrazowaniu określi, które cele będą wyglądać naprawdę urzekająco i urzekają odbiorców. Prace wykonają ci sami artyści, którzy pracowali nad zdjęciami Hubble'a – osoby z wieloletnim doświadczeniem w obróbce zdjęć astronomicznych. Dodatkowo zostaną przeprowadzone dodatkowe testy sprzętu.

Po opublikowaniu pierwszych zdjęć będziemy mieli nieco ponad rok na obserwacje naukowe. Są wśród nich znane już programy do badania bardzo odległych galaktyk, kwazarów, egzoplanet i Jowisza. Ogólnie rzecz biorąc, astronomowie będą obserwować wszystko, co tylko mogą, od obszarów aktywnego formowania się gwiazd po lód w dyskach protoplanetarnych. Badania te są ważne dla nas wszystkich: reszta społeczności naukowej będzie mogła zapoznać się z wynikami innych zespołów i zrozumieć, gdzie powinni dalej się udać.

Krystyna Ulasowicz