Nowy teleskop Jamesa Webba. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba: wszystko, co musisz wiedzieć o następcy Hubble'a. Dlaczego potrzebne są teleskopy kosmiczne?

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Źródło: NASA.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) jest jeszcze daleko od wystrzelenia swojej misji, ale jego błyszczące złote zwierciadło osiągnęło już status ikony. To segmentowe zwierciadło przypomina oko owada, a w przyszłości, gdy „oko” rozpocznie swoją pracę w punkcie Lagrange’a (L2), dostarczy ludzkości szczegółowych danych o naszym Wszechświecie. Lustro teleskopu zostało już zmontowane i znajduje się w sterylnym pomieszczeniu Centrum loty kosmiczne Goddarda, co daje nam możliwość zobaczenia, jak będzie wyglądał teleskop, gdy rozpocznie swoją misję.

Nawet jeśli nic nie wiesz o JWST, jego możliwościach ani misji, będziesz pod wrażeniem od samego patrzenia na to. Widać, że jest to instrument zaawansowany technologicznie i jedyny w swoim rodzaju. Właściwie można go nawet pomylić z przykładem sztuki. Niestety widziałem mniej atrakcyjne kreacje Sztuka współczesna, A ty?

Oczywiście wielu z Was zdaje sobie sprawę z tego, że JWST prześcignie swojego poprzednika, Kosmiczny Teleskop Hubble'a. Jest to całkiem zrozumiałe, biorąc pod uwagę fakt, że Hubble został wystrzelony w kwietniu 1990 roku. Ale w jaki sposób JWST może pokonać Hubble'a i jakie są jego główne cele?

Główne cele misji JWST można podzielić na cztery obszary:

1. Obserwacje w podczerwieni, które można porównać do wehikułu czasu. Dają nam wgląd w pierwsze gwiazdy i galaktyki, które powstały we Wszechświecie ponad 13 miliardów lat temu;
2. Badanie porównawcze jasnych galaktyk spiralnych i eliptycznych, a także słabszych wczesnych galaktyk;
3. Sondowanie przestrzeni kosmicznej, co pozwala nam patrzeć przez chmury gazu i pyłu w celu badania powstawania gwiazd i planet;
4. Badanie egzoplanet i ich atmosfer, a także odkrycie tam biomarkerów.

To całkiem imponująca lista, nawet w epoce, w której ludzie korzystają z technologii i postęp naukowy oczywiście. Ale wraz z tymi zaplanowanymi celami niewątpliwie nie zabraknie niespodzianek. Domyślam się, że może to być głupie, ale mimo to spróbujmy.

Uważamy, że proces abiogenezy na Ziemi nastąpił dość szybko, ale niestety nie mamy z czym porównać. Czy znajdziemy analogie badając odległe egzoplanety i ich atmosfery, czy rzucimy światło na warunki niezbędne do powstania życia? Wydaje się to niewiarygodne, ale kto wie.

Jesteśmy pewni, że Wszechświat się rozszerza i istnieją na to całkiem przekonujące dowody. Czy dowiemy się czegoś nowego o tym procesie? Albo znajdziemy coś, co rzuci światło na ciemną materię lub ciemna energia i ich rola w życiu wczesnego Wszechświata?

JWST. Źródło: NASA.

Oczywiście nie wszystko musi być niesamowite, aby było ekscytujące. Znalezienie dowodów, które potwierdzą współczesne teorie również intrygujące. I „James Webb” musi dostarczyć nam ten dowód.

Nie ma wątpliwości, że JWST będzie w stanie przebić teleskop Hubble'a. Ale dla pokolenia lub dwóch ludzi Hubble zawsze będzie miał szczególne miejsce. Zadziwił i zaintrygował wielu z nas zapierającymi dech w piersiach zdjęciami mgławic, galaktyk i innych obiektów podczas słynnej misji Deep Field oraz, oczywiście, swoimi badaniami naukowymi. Hubble jest prawdopodobnie pierwszym teleskopem, który osiągnął status gwiazdy.

James Webb prawdopodobnie nigdy nie otrzyma specjalnego statusu, jaki uzyskał Hubble. To coś w stylu: „Beatles może być tylko jeden” lub „jedyny w swoim rodzaju”. Ale JWST będzie znacznie potężniejszym instrumentem i ujawni nam wiele, czego Hubble nie był w stanie uzyskać.

Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, JWST będzie monumentalnym osiągnięciem technologicznym dla całej ludzkości. Jego zdolność do zaglądania przez chmury gazu i pyłu lub cofania się w czasie i pokazywania nam początków Wszechświata uczyni z niego potężne narzędzie naukowe.

Z każdym dodatkowym centymetrem apertury, każdą dodatkową sekundą obserwacji i każdym dodatkowym atomem zakłóceń atmosferycznych usuniętym z pola widzenia teleskopu, Wszechświat będzie widziany lepiej, głębiej i wyraźniej.

25 lat Hubble’a

Kiedy w 1990 roku teleskop Hubble'a zaczął działać, zapoczątkował nową erę w astronomii - erę kosmiczną. Nie było już potrzeby walki z atmosferą, martwienia się chmurami czy migotaniem elektromagnetycznym. Wystarczyło skierować satelitę w stronę 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 rośnie także nasze rozumienie nieznanego. Im dalej patrzymy we Wszechświat, tym głębiej widzimy przeszłość: skończoną ilość czasu, jaki upłynął od tego momentu wielki wybuch w połączeniu ze skończoną prędkością światła stanowi granicę tego, co możemy zaobserwować. Co więcej, sama ekspansja przestrzeni działa przeciwko nam, rozciągając gwiazdy podróżujące przez Wszechświat w kierunku naszych oczu. Nawet Kosmiczny Teleskop Hubble'a, który daje nam najgłębszy i najbardziej spektakularny obraz Wszechświata, jaki kiedykolwiek odkryliśmy, jest pod tym względem ograniczony.

Wady Hubble'a

Hubble to niesamowity teleskop, ale ma wiele podstawowych ograniczeń:

• Tylko 2,4 m średnicy, co ją ogranicza
• Mimo że jest pokryty materiałami odblaskowymi, jest stale pod bezpośrednim wpływem promienie słoneczne które go podgrzewają. Oznacza to, że ze względu na efekty termiczne nie może obserwować fal świetlnych o długości większej niż 1,6 mikrona.
• Połączenie ograniczonej apertury i długości fal, na które jest czuły, oznacza, że ​​teleskop może widzieć galaktyki nie starsze niż 500 milionów lat.

Galaktyki te są piękne, odległe i istniały, gdy Wszechświat miał zaledwie około 4% swojego obecnego wieku. Wiadomo jednak, że gwiazdy i galaktyki istniały jeszcze wcześniej.

Aby widzieć, musisz mieć większą wrażliwość. Oznacza to przejście na dłuższe fale i nie tylko niskie temperatury niż Hubble. Dlatego właśnie powstaje Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.

Perspektywy nauki

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) zaprojektowano właśnie z myślą o przezwyciężeniu tych ograniczeń: przy średnicy 6,5 m teleskop może zebrać 7 razy więcej światła niż Hubble. Otwiera to możliwości ultraspektroskopii wysoka rozdzielczość od 600 nm do 6 mikronów (4 razy większa długość fali, którą widzi Hubble), obserwując obszar średniej podczerwieni widma z większą czułością niż kiedykolwiek wcześniej. JWST wykorzystuje pasywne chłodzenie temperatury powierzchni Plutona i jest w stanie aktywnie chłodzić instrumenty średniej podczerwieni do 7 K. Teleskop Jamesa Webba umożliwi naukę w sposób, jakiego nikt wcześniej nie zrobił.

Pozwoli to:

• obserwować najwcześniejsze galaktyki, jakie kiedykolwiek powstały;
• przejrzeć gaz obojętny i zbadać pierwsze gwiazdy oraz rejonizację Wszechświata;
• przeprowadzić analizę spektroskopową pierwszych gwiazd (populacja III) powstałych po Wielkim Wybuchu;
• zdobądź niesamowite niespodzianki, takie jak odkrycie pierwszych kwazarów we Wszechświecie.

Poziom badania naukowe JWST różni się od wszystkiego, co było dotychczas, dlatego teleskop został wybrany na flagową misję NASA w 2010 roku.

Naukowe arcydzieło

Z technicznego punktu widzenia, nowy teleskop James Webb to prawdziwe dzieło sztuki. Projekt przeszedł długą drogę: wystąpiły przekroczenia budżetu, opóźnienia w harmonogramie i ryzyko anulowania projektu. Po interwencji nowego kierownictwa wszystko się zmieniło. Projekt nagle zaczął działać jak w zegarku, przydzielono środki, uwzględniono błędy, awarie i problemy, a zespół JWST zaczął dotrzymywać wszelkich terminów, harmonogramów i limitów budżetowych. Wystrzelenie urządzenia zaplanowano na październik 2018 roku na rakiecie Ariane 5. Zespół nie tylko przestrzega harmonogramu, ale ma dziewięć miesięcy na uwzględnienie wszelkich sytuacji awaryjnych, aby upewnić się, że wszystko zostanie zmontowane i gotowe do tego terminu.

Teleskop Jamesa Webba składa się z 4 głównych części.

Blok optyczny

Obejmuje wszystkie lustra, z których najbardziej skutecznych jest osiemnaście głównych, segmentowych, pozłacanych lusterek. Posłużą do zbierania światła odległych gwiazd i skupiania go na instrumentach do analizy. Wszystkie te lustra są teraz kompletne i nieskazitelne, a prace wykonano zgodnie z harmonogramem. Po złożeniu zostaną złożone w zwartą konstrukcję i wystrzelone na odległość ponad 1 miliona km od Ziemi do punktu Lagrange'a L2, a następnie automatycznie rozłożone, tworząc strukturę plastra miodu, która długie lata zbierze ultra wysokie belki. 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% gotowe. Główna kamera teleskopu to kamera pracująca w bliskiej podczerwieni, od widzialnego światła pomarańczowego po głęboką podczerwień. Zapewni niespotykane dotąd obrazy najwcześniejszych gwiazd, najmłodszych galaktyk znajdujących się jeszcze w procesie formowania, młodych gwiazd droga Mleczna i pobliskich galaktyk, setki nowych obiektów w Pasie Kuipera. Jest zoptymalizowany do bezpośredniego obrazowania planet krążących wokół innych gwiazd. Będzie to główna kamera używana przez większość obserwatorów.

Spektrograf bliskiej podczerwieni

To narzędzie nie tylko rozdziela światło na poszczególne długości fal, ale jest w stanie to zrobić dla ponad 100 pojedynczych obiektów jednocześnie! Urządzeniem tym będzie uniwersalny spektrograf „Webba”, który może pracować w 3 różne tryby spektroskopia. Został zbudowany, ale wiele komponentów, w tym detektory i baterię wielobramkową, dostarczyło Centrum Lotów Kosmicznych. Goddarda (NASA). Urządzenie zostało przetestowane i jest gotowe do montażu.

Instrument średniej podczerwieni

Instrument będzie używany do obrazowania szerokopasmowego, co oznacza, że ​​będzie generował najbardziej imponujące obrazy ze wszystkich instrumentów Webba. Z naukowego punktu widzenia będzie najbardziej przydatny w pomiarach dysków protoplanetarnych wokół młodych gwiazd, pomiarach i obrazowaniu z niespotykaną dotąd precyzją obiektów Pasa Kuipera i pyłu podgrzewanego przez światło gwiazd. Będzie to jedyny instrument z chłodzeniem kriogenicznym do 7 K. W porównaniu do Kosmicznego Teleskopu Spitzera poprawi to wyniki 100-krotnie.

Spektrograf bezszczelinowy w bliskiej podczerwieni (NIRISS)

Urządzenie pozwoli Ci wyprodukować:

• spektroskopia szerokokątna w zakresie długości fali bliskiej podczerwieni (1,0 - 2,5 µm);
• spektroskopia grism jednego obiektu w zakresie widzialnym i zasięg podczerwieni(0,6 - 3,0 µm);
• interferometria maskująca aperturę w zakresie długości fali 3,8–4,8 mikrona (gdzie spodziewane są pierwsze gwiazdy i galaktyki);
• szerokozakresowa fotografia całego pola widzenia.

Instrument ten został stworzony przez Kanadyjską Agencję Kosmiczną. Po przejściu testów kriogenicznych będzie także gotowy do integracji z przedziałem przyrządowym teleskopu.

Urządzenie chroniące przed słońcem

Teleskopy kosmiczne nie zostały jeszcze w nie wyposażone. Jednym z najbardziej zniechęcających aspektów każdej premiery jest wykorzystanie zupełnie nowego materiału. Zamiast aktywnie chłodzić cały statek kosmiczny za pomocą jednorazowego, podlegającego zużyciu płynu chłodzącego, Teleskop Jamesa Webba wykorzystuje go całkowicie Nowa technologia- 5-warstwowy filtr przeciwsłoneczny, który można rozwinąć w celu odbicia Promieniowanie słoneczne z teleskopu. Pięć 25-metrowych arkuszy zostanie połączonych tytanowymi prętami i zamontowanych po rozłożeniu teleskopu. Zabezpieczenie zostało przetestowane w latach 2008 i 2009. Pełnowymiarowe modele testowane w laboratorium spełniły wszystko, co miały zrobić tu na Ziemi. To piękna innowacja.

To także niesamowita koncepcja: nie tylko zasłonić światło Słońca i umieścić teleskop w cieniu, ale zrobić to w taki sposób, aby całe ciepło promieniowało w kierunku przeciwnym do orientacji teleskopu. Każda z pięciu warstw próżni kosmicznej stanie się zimna w miarę oddalania się od zewnętrznej, która będzie nieco wyższa od temperatury powierzchni Ziemi – około 350-360 K. Temperatura ostatniej warstwy powinna spaść do 37- 40 K, czyli zimniej niż nocą na powierzchni Plutona.

Ponadto podjęto istotne środki ostrożności w celu ochrony przed niekorzystne środowisko głęboka przestrzeń. Należy się tu martwić drobnymi kamyczkami, wielkością kamyków, ziarenkami piasku, drobinkami pyłu i jeszcze mniejszymi, przelatującymi przez przestrzeń międzyplanetarną z prędkością dziesiątek, a nawet setek tysięcy km/h. Te mikrometeoryty są w stanie zrobić maleńkie, mikroskopijne dziury we wszystkim, co napotkają: statku kosmicznym, kombinezonach astronautów, zwierciadłach teleskopów i nie tylko. Jeśli w lusterkach pojawią się jedynie wgniecenia lub dziury, co nieznacznie zmniejsza ilość dostępnego „dobrego światła”, wówczas osłona przeciwsłoneczna może rozerwać się od krawędzi do krawędzi, czyniąc całą warstwę bezużyteczną. Zastosowano genialny pomysł, aby zwalczyć to zjawisko.

Cała osłona przeciwsłoneczna została podzielona na sekcje w taki sposób, że w przypadku niewielkiego rozdarcia w jednej, dwóch, a nawet trzech z nich, warstwa nie rozerwie się dalej, jak pęknięcie w przednia szyba samochód. Dzięki podziałowi cała konstrukcja pozostanie nienaruszona, co jest ważne, aby zapobiec degradacji.

Statek kosmiczny: systemy montażu i sterowania

Jest to najczęstszy element, podobnie jak wszystkie teleskopy kosmiczne i misje naukowe. JWST ma to wyjątkowe, ale i całkowicie gotowe. Generalnemu wykonawcy projektu, firmie Northrop Grumman, pozostało już tylko dokończenie tarczy, złożenie teleskopu i jego przetestowanie. Urządzenie będzie gotowe do startu za 2 lata.

10 lat odkryć

Jeśli wszystko pójdzie dobrze, ludzkość będzie na skraju wielkości odkrycia naukowe. Kurtyna gazu obojętnego, która do tej pory zasłaniała widok najwcześniejszych gwiazd i galaktyk, zostanie wyeliminowana dzięki możliwościom Webba w zakresie podczerwieni i jego ogromnemu współczynnikowi apertury. Będzie to największy i najczulszy teleskop o szerokim zakresie długości fal od 0,6 do 28 mikronów (ludzkie oko widzi od 0,4 do 0,7 mikrona), jaki kiedykolwiek zbudowano. Oczekuje się, że dostarczy to obserwacji obejmujących dekadę.

Według NASA misja Webba potrwa od 5,5 do 10 lat. Jest ona ograniczona ilością paliwa potrzebnego do utrzymania orbity oraz żywotnością elektroniki i sprzętu w trudnych warunkach kosmicznych. Teleskop Orbitalny Jamesa Webba będzie miał zapas paliwa na całe 10 lat, a 6 miesięcy po starcie zostanie przeprowadzony test wsparcia lotu, co gwarantuje 5 lat pracy naukowej.

Co mogłoby pójść źle?

Głównym czynnikiem ograniczającym jest ilość paliwa na pokładzie. Kiedy się zakończy, satelita oddali się od L2, wchodząc na chaotyczną orbitę w bliskiej odległości od Ziemi.

Oprócz tego mogą wystąpić inne problemy:

• degradacja zwierciadeł, co wpłynie na ilość zbieranego światła i spowoduje artefakty obrazu, ale nie zaszkodzi dalszej pracy teleskopu;
• awaria części lub całości ekranu słonecznego, co spowoduje wzrost temperatury statku kosmicznego i zawęzi użyteczny zakres długości fal do obszaru bardzo bliskiej podczerwieni (2-3 mikrony);
• awaria układu chłodzenia instrumentu średniej podczerwieni, czyniąca go bezużytecznym, ale nie wpływająca na inne instrumenty (0,6 do 6 µm).

Najtrudniejszym testem, jaki czeka teleskop Jamesa Webba, jest wystrzelenie i umieszczenie go na danej orbicie. Są to sytuacje, które zostały przetestowane i zakończyły się sukcesem.

Rewolucja w nauce

Jeśli teleskop Webba będzie działał normalnie, będzie wystarczająco dużo paliwa, aby mógł działać w latach 2018–2028. Ponadto istnieje możliwość tankowania, co mogłoby wydłużyć żywotność teleskopu o kolejną dekadę. Tak jak Hubble działał przez 25 lat, tak JWST może zapewnić całemu pokoleniu rewolucyjną naukę. W październiku 2018 r. rakieta nośna Ariane 5 wyniesie na orbitę przyszłość astronomii, która po ponad 10 latach ciężkiej pracy jest teraz gotowa zacząć przynosić owoce. Przyszłość teleskopów kosmicznych już prawie nadeszła.

MOSKWA, 17 grudnia – RIA Nowosti. Obserwatorium orbitalne Jamesa Webba zostanie wysłane w przestrzeń kosmiczną na pokładzie europejskiej rakiety nośnej Ariane 5, która wystartuje w przestrzeń bliską Ziemi prawdopodobnie w październiku 2018 r. z portu kosmicznego Kourou, podaje służba prasowa ESA.

Dziś wg dyrektor generalny ESA, Johan-Dietrich Werner i dyrektor programu JWST w NASA, Eric Smith, europejska i amerykańska agencja kosmiczna podpisali umowę z Arianespace, która przewiduje wysłanie Jamesa Webba w przestrzeń kosmiczną na pokładzie europejskiej rakiety nośnej.

Nowy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) jest oficjalnym następcą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, który znajduje się na orbicie od 25 lat. Początkowo nowe urządzenie Wystrzelenie misji zaplanowano na 2014 r., ale znaczne przekroczenie kosztów i opóźnienia w harmonogramie zmusiły NASA do przesunięcia przewidywanej daty startu misji, najpierw na wrzesień 2015 r., a następnie na październik 2018 r.

Projekt Jamesa Webba obejmuje ogromne lustro o średnicy 6,5 metra (średnica zwierciadła Hubble'a wynosi 2,4 metra) oraz osłonę przeciwsłoneczną wielkości kortu tenisowego. Lustro i osłona, ze względu na swoje wymiary, zostaną dostarczone do rakiety nośnej złożone, a następnie rozłożone po wystrzeleniu teleskopu w przestrzeń kosmiczną. Duże wymiary teleskopu i tarczy, jak zauważyła ESA, przesądziły o wyborze Ariane 5 jako systemu do wystrzelenia go w przestrzeń kosmiczną.

Naukowcy: pierwsze gwiazdy Wszechświata żyły w bliskich i super jasnych rodzinachDuże i niezwykle jasne gwiazdy, które rozbłysły w pierwszych chwilach życia Wszechświata, nie były samotnikami, jak wcześniej sądzono, ale żyły w bliskich rodzinach gwiazd, których całkowita jasność mogła być setki milionów razy większa niż jasność moc Słońca.

Teraz montaż teleskopu wszedł w końcową fazę, a inżynierowie odpowiedzialnej za jego powstanie firmy Lockheed Martin montują sześciokątne zwierciadła Jamesa Webba, których polerowanie zakończono cztery lata temu. Jak dotąd NASA i firma z branży lotniczej zainstalowały pięć z 18 sześciokątnych elementów zwierciadła głównego teleskopu, a także niektóre zwierciadła wtórne i instrumenty naukowe.

Główną różnicą między Hubble'em a Jamesem Webbem jest zakres działania: instrumenty Hubble'a zbierają informacje promienie podczerwone, w świetle widzialnym i ultrafiolecie, natomiast James Webb będzie pracował głównie w zakresie podczerwieni. Pod tym względem nowy teleskop można również uznać za następcę największego na świecie kosmicznego obserwatorium podczerwieni Spitzera, wystrzelonego przez NASA 25 sierpnia 2003 roku.

Teleskop będzie zlokalizowany w przestrzeń kosmiczna w punkcie Lagrange'a L2, położonym 1,5 miliona km od naszej planety. W nim Ziemia prawie całkowicie się zasłania światło słoneczne, bez zakłócania obserwacji, ponieważ nieoświetlona strona jest zwrócona w stronę L2. Siły grawitacyjne Ziemi i Słońca zapewnią względny bezruch teleskopu względem tych dwóch ciał niebieskich.

Drobne zmiany w lokalizacji Jamesa Webba, aby zapobiec opuszczeniu tego obszaru bezpieczeństwo radiacyjne, zostaną wykonane przy użyciu silników korekcyjnych. Będąc w cieniu Ziemi, teleskop będzie mógł pracować bez sztucznego chłodzenia.

Osobiście doszedłem do wniosku, że teleskop Jamesa Webba wiąże się ze zbyt dużą inwencją, zbyt dużym ryzykiem i jest projektem nie do przyjęcia.– to bezpośrednie słowa szefa niezależnej komisji kontrolnej Toma Younga na posiedzeniu komisji astronomii i astrofizyki rady ds. badanie przestrzeni kosmicznej Narodowa Akademia Nauk Stanów Zjednoczonych, 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 to najciekawszy projekt, co powinno dać nauce nowe możliwości, z drugiej strony przekroczenie terminów i koszty osiągnęły iście astronomiczne wartości. Generalnie historia projektu skłania do zastanowienia się nad terminowością wdrażania technologii i kryteriami, kiedy lepiej się zatrzymać. I wreszcie, lekcji „Jamesa Webba” absolutnie trzeba się nauczyć, zaczynając od wielu rzeczy większy projekt księżycowa stacja orbitalna.

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. Ale wstępne szacunki koszty wzrosły 19-krotnie, a warunki skróciły 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 dokonać 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 detektora przestrzeni fale grawitacyjne z kilku satelitów oraz 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.

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 modelami Ciemna materia- niewidzialna tajemnicza substancja wykrywana przez wpływ grawitacyjny - i ich cykle życia i śmierci informacja zwrotna, co wpłynęło na powstanie pierwszych galaktyk. A ponieważ supermasywne gwiazdy z krótki okres Przy życiu o masie około 30 do 300 mas Słońca (i milionach razy jaśniejszym) te pierwsze gwiazdy eksplodowałyby jako supernowe, a następnie zapadały się, tworząc czarne dziury, które ostatecznie zajmowały centra większości masywnych galaktyk.

Zobaczenie tego wszystkiego jest z pewnością wyczynem dla narzędzi, które do tej pory stworzyliśmy. Dzięki nowym narzędziom i statek kosmiczny, 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. Skierowany spód w kierunku Słońca, od dołu „tratwa” 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 (przypominająca ludzki włos) folia polimerowa produkowana przez firmę DuPont, która jest w stanie zachować stabilność właściwości mechaniczne w warunkach ekstremalnego ciepła i wibracji. Jeśli chcesz, możesz zagotować wodę po jednej stronie osłony i przechowywać w niej azot stan ciekły inny. 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 zdobi wygląd pudełko i pomaga upewnić się, że wszystko jest zorientowane 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. Ta struktura odrzuca rozproszone światło i kieruje światło ze zwierciadła wtórnego na przyrządy znajdujące 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 zakresie 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 narodziny pierwszych gwiazd i galaktyk, przeprowadzanie przeglądów pobliskich galaktyk i lokalnych obiektów przemieszczających się przez Pas Kuipera – przestrzenie lodowych ciał obracających się poza orbitą Neptuna, w których mieści się także Pluton i inne planety karłowate.

NIRCam wyposażony jest także w koronograf, który pozwoli kamerze obserwować cienkie halo otaczające jasne gwiazdy, blokując ich oślepiające światło - niezbędne narzędzie 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, dzieląc 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 to uprościć 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, blokując światło ponad jasne gwiazdy. Dzięki tej matrycy NIRSpec będzie pierwszym spektrografem kosmicznym umożliwiającym obserwację setek obiektów różne obiekty 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 ujawniają 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 przesuniętych 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. Szerokopasmowy aparat będzie w stanie to zrobić więcej typów zdjęcia, za które kochamy Hubble’a.

Również obserwacje w podczerwieni ważne wartości zrozumieć Wszechświat. Pył i gaz mogą blokować widzialne światło gwiazdy w gwiezdnym żłobku, ale podczerwień - nie. Co więcej, gdy Wszechświat się rozszerza, a galaktyki oddalają się od siebie, ich światło „rozciąga się” i ulega przesunięciu ku czerwieni, przechodząc w widmo fal długich fale elektromagnetyczne jak podczerwień. Im dalej galaktyka, tym szybciej się oddala i wyższa wartość nabywa swoje przesunięcie ku czerwieni - taka jest 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.