Iga lisasentimeetrise ava, iga täiendava vaatlusaja sekundi ja iga täiendava atmosfäärilise segaduse aatomiga, mis eemaldatakse teleskoobi vaateväljast, on universum näha paremini, sügavam alt ja selgem alt.
25 aastat Hubble'i
Kui Hubble'i teleskoop 1990. aastal tööd alustas, juhatas see astronoomias sisse uue ajastu – kosmose. Polnud enam võitlust atmosfääriga, polnud enam muret pilvede või elektromagnetilise virvenduse pärast. Kõik, mida oli vaja, oli satelliit sihtmärgile suunata, stabiliseerida ja footoneid koguda. 25 aasta jooksul hakkasid kosmoseteleskoobid katma kogu elektromagnetilise spektri, võimaldades esimest korda näha universumit igal valguse lainepikkusel.
Kuid kui meie teadmised on kasvanud, on kasvanud ka meie arusaam tundmatust. Mida kaugemale me universumisse vaatame, seda sügavamat minevikku näeme: Suurest Paugust möödunud piiratud aeg koos piiratud valguse kiirusega seab piiri sellele, mida saame vaadelda. Veelgi enam, ruumi paisumine ise töötab meile vastu, venitades lainepikkusttähtede valgus, kui see liigub läbi universumi meie silmadeni. Isegi Hubble'i kosmoseteleskoop, mis annab meile universumist sügavaima ja hingematvama pildi, mille oleme kunagi avastanud, on selles osas piiratud.
Hubble'i puudused
Hubble on hämmastav teleskoop, kuid sellel on mitmeid põhimõttelisi piiranguid:
- Ainult 2,4 m läbimõõduga, mis piirab selle eraldusvõimet.
- Vaatamata sellele, et see on kaetud peegeldavate materjalidega, on see pidev alt otsese päikesevalguse käes, mis soojendab seda. See tähendab, et termiliste mõjude tõttu ei saa see jälgida valguse lainepikkusi, mis on suuremad kui 1,6 µm.
- Piiratud ava ja selle tundlike lainepikkuste kombinatsioon tähendab, et teleskoop suudab näha galaktikaid, mis ei ole vanemad kui 500 miljonit aastat.
Need galaktikad on ilusad, kauged ja eksisteerisid siis, kui universum oli vaid umbes 4% oma praegusest vanusest. Kuid on teada, et tähed ja galaktikad eksisteerisid isegi varem.
Selle nägemiseks peab teleskoobil olema suurem tundlikkus. See tähendab liikumist pikematele lainepikkustele ja madalamatele temperatuuridele kui Hubble. Seetõttu ehitatakse James Webbi kosmoseteleskoopi.
Teaduse väljavaated
James Webbi kosmoseteleskoop (JWST) on loodud just nendest piirangutest üle saama: 6,5-meetrise läbimõõduga teleskoop kogub 7 korda rohkem valgust kui Hubble. Ta avabkõrge eraldusvõimega ultraspektroskoopia 600 nm kuni 6 µm (4 korda suurem lainepikkus, mida Hubble näeb), et teha vaatlusi spektri keskmises infrapuna piirkonnas kõrgema tundlikkusega kui kunagi varem. JWST kasutab passiivset jahutust Pluuto pinnatemperatuurini ja on võimeline aktiivselt jahutama keskmist infrapunainstrumente kuni 7K-ni.
Ta lubab:
- vaatlege kõige varasemaid galaktikaid, mis eales tekkinud;
- vaadake läbi neutraalse gaasi ja uurige esimesi tähti ja universumi reioniseerumist;
- teostage pärast Suurt Pauku tekkinud kõige esimeste tähtede (III populatsioon) spektroskoopilist analüüsi;
- saage hämmastavaid üllatusi, nagu universumi kõige varasemate supermassiivsete mustade aukude ja kvasarite avastamine.
JWST teadusuuringute tase on varasemaga võrreldes erinev, mistõttu valiti teleskoop NASA 2010. aastate lipulaevaks.
Teaduslik meistriteos
Tehnilisest vaatenurgast on uus James Webbi teleskoop tõeline kunstiteos. Projekt on jõudnud kaugele: on olnud eelarve ületamist, ajakava hilinemist ja oht, et projekt jääb ära. Pärast uue juhtkonna sekkumist kõik muutus. Projekt töötas ühtäkki nagu kellavärk, raha eraldati, vigu, tõrkeid ja probleeme võeti arvesse ning JWST meeskond hakkas sobimakõiki tähtaegu, ajakavasid ja eelarveraamistikke. Seadme käivitamine on kavandatud 2018. aasta oktoobriks raketil Ariane-5. Meeskond ei pea mitte ainult ajakavast kinni, vaid neil on jäänud üheksa kuud, et arvestada kõigi ettenägematute juhtumitega, et kõik oleks selleks kuupäevaks pakitud ja valmis.
James Webbi teleskoop koosneb 4 põhiosast.
Optiline plokk
Hõlmab kõiki peegleid, millest kõige tõhusamad on kaheksateist peamist segmenteeritud kullatud peeglit. Neid kasutatakse kauge tähevalguse kogumiseks ja analüüsimiseks mõeldud instrumentidele keskendumiseks. Kõik need peeglid on nüüd valmis ja veatud, valmistatud täpselt ajakava järgi. Pärast kokkupanemist volditakse need kompaktseks struktuuriks, mis saadetakse Maast enam kui 1 miljoni km kaugusele L2 Lagrange'i punkti, ja seejärel automaatselt kasutusele võtta, et moodustada kärgstruktuuri, mis kogub ultrapika ulatusega valgust veel aastaid. See on tõesti ilus asi ja paljude spetsialistide titaanlike pingutuste edukas tulemus.
Lähi-infrapunakaamera
Webb on varustatud nelja teadusliku instrumendiga, mis on 100% komplekteeritud. Teleskoobi põhikaamera on peaaegu IR-kaamera, mis ulatub nähtavast oranžist valgusest sügava infrapunani. See pakub enneolematuid pilte kõige varasematest tähtedest, kõige noorematest, alles kujunemisjärgus olevatest galaktikatest, Linnutee ja lähedalasuvate galaktikate noortest tähtedest, sadadest uutest Kuiperi vöö objektidest. Ta onoptimeeritud teisi tähti ümbritsevate planeetide otseseks pildistamiseks. See on põhikaamera, mida enamik vaatlejaid kasutab.
Lähi-infrapunaspektrograaf
See tööriist mitte ainult ei eralda valgust erinevateks lainepikkusteks, vaid on võimeline seda tegema rohkem kui 100 erineva objekti jaoks korraga! See instrument on universaalne Webba spektrograaf, mis on võimeline töötama kolmes erinevas spektroskoopia režiimis. Selle ehitas Euroopa Kosmoseagentuur, kuid paljud komponendid, sealhulgas detektorid ja mitmevärava aku, pakkus kosmoselennukeskus. Goddard (NASA). Seda seadet on testitud ja see on installimiseks valmis.
Kesk-infrapunainstrument
Seadet kasutatakse lairibapildistamiseks, see tähendab, et see toodab kõigist Webbi instrumentidest kõige muljetavaldavamaid pilte. Teaduslikust seisukohast on see kõige kasulikum noorte tähtede ümber olevate protoplanetaarsete ketaste mõõtmisel, Kuiperi vöö objektide ja tähevalgusest kuumutatud tolmu enneolematu täpsusega mõõtmisel ja pildistamisel. See on ainus instrument, mida jahutatakse krüogeenselt temperatuurini 7 K. Võrreldes Spitzeri kosmoseteleskoobiga parandab see tulemusi 100 korda.
Piludeta lähi-IR spektrograaf (NIRISS)
Seade võimaldab teil toota:
- lainurkspektroskoopia lähiinfrapuna lainepikkustel (1,0–2,5 µm);
- ühe objekti grism-spektroskoopianähtav ja infrapuna vahemik (0,6–3,0 mikronit);
- ava varjav interferomeetria lainepikkustel 3,8–4,8 µm (kus on oodata esimesi tähti ja galaktikaid);
- kogu vaatevälja laiaulatuslik pildistamine.
Selle instrumendi lõi Kanada Kosmoseagentuur. Pärast krüogeense testimise läbimist on see valmis ka teleskoobi instrumendikambrisse integreerimiseks.
Päikesekaitse
Kosmoseteleskoobid pole veel nendega varustatud. Üks kõige hirmutavamaid aspekte iga käivitamise juures on täiesti uue materjali kasutamine. Selle asemel, et kogu kosmoselaeva ühekordselt tarbitava jahutusvedelikuga aktiivselt jahutada, kasutab James Webbi teleskoop täiesti uut tehnoloogiat, 5-kihilist päikesevarju, mis võetakse kasutusele teleskoobi päikesekiirguse peegeldamiseks. Viis 25-meetrist lehte ühendatakse titaanvarrastega ja paigaldatakse pärast teleskoobi kasutuselevõttu. Kaitset testiti 2008. ja 2009. aastal. Laboratoorsetes katsetes osalenud täismahus mudelid tegid kõik, mida nad siin Maal tegema pidid. See on ilus uuendus.
See on ka uskumatu kontseptsioon: mitte ainult blokeerida Päikese valgust ja asetada teleskoop varju, vaid teha seda nii, et kogu soojus kiirgaks teleskoobi orientatsioonile vastupidises suunas. Kõik viiest kihist ruumivaakumis muutuvad külmaks, kui see eemaldub välispinnast, mis on temperatuurist veidi soojem. Maa pind - umbes 350-360 K. Viimase kihi temperatuur peaks langema 37-40 K-ni, mis on külmem kui öösel Pluuto pinnal.
Lisaks on võetud olulisi ettevaatusabinõusid, et kaitsta süvakosmose karmi keskkonna eest. Üks asi, mille pärast siin muret tunda, on pisikesed kiviklibu suurused kivikesed, liivaterad, tolmutäpid ja veelgi väiksemad, mis lendavad läbi planeetidevahelise ruumi kümnete või isegi sadade tuhandete kilomeetrite tunnis. Need mikrometeoriidid on võimelised tegema pisikesi mikroskoopilisi auke kõiges, millega nad kokku puutuvad: kosmoseaparaadid, astronautide ülikonnad, teleskoobipeeglid ja palju muud. Kui peeglitel tekivad ainult mõlgid või augud, mis veidi vähendab saadaoleva "hea valguse" hulka, võib päikesekaitsekilp servast servani rebeneda, muutes kogu kihi kasutuks. Selle nähtuse vastu võitlemiseks kasutati geniaalset ideed.
Kogu päikesekaitsekilp on jagatud osadeks nii, et kui ühes, kahes või isegi kolmes on väike vahe, ei rebene kiht edasi, nagu mõra tuuleklaasis. auto. Jaotamine hoiab kogu struktuuri puutumatuna, mis on oluline degradeerumise vältimiseks.
Kosmoseaparaat: montaaži- ja juhtimissüsteemid
See on kõige levinum komponent, nagu kõik kosmoseteleskoobid ja teadusmissioonid. JWST-s on see ainulaadne, kuid ka täiesti valmis. Projekti peatöövõtjal Northrop Grummanil jäi üle vaid kilp valmis ehitada, teleskoop kokku panna ja katsetada. Masin on selleks valmisturule 2 aasta pärast.
10 aastat avastamist
Kui kõik läheb õigesti, on inimkond suurte teaduslike avastuste lävel. Seni kõige varasemate tähtede ja galaktikate vaadet varjanud neutraalse gaasi loor kõrvaldatakse Webbi infrapunavõime ja selle tohutu heledusega. Sellest saab suurim ja tundlikum teleskoop, mis eales ehitatud, tohutu lainepikkuste vahemikuga 0,6-28 mikronit (inimsilm näeb 0,4-0,7 mikronit). Eeldatakse, et see annab vaatlusi kümne aasta jooksul.
NASA andmetel on Webbi missiooni eluiga 5,5–10 aastat. Seda piirab orbiidi säilitamiseks vajaliku raketikütuse kogus ning elektroonika ja seadmete eluiga karmis kosmosekeskkonnas. James Webbi orbita alteleskoop kannab kütust kogu 10-aastase perioodi jooksul ja 6 kuud pärast käivitamist viiakse läbi lennutoe testimine, mis tagab 5-aastase teadusliku töö.
Mis võib valesti minna?
Peamine piirav tegur on pardal oleva kütuse kogus. Kui see lõpeb, triivib satelliit L2 Lagrange'i punktist eemale, sisenedes kaootilisele orbiidile Maa vahetus läheduses.
Tule kaasa, võib juhtuda muid probleeme:
- peeglite halvenemine, mis mõjutab kogutava valguse hulka ja tekitab kujutise artefakte, kuid ei kahjusta teleskoobi edasist tööd;
- päikeseekraani osa või kogu rike, mis toob kaasa suurenemisekosmoselaeva temperatuuri ja kasutatava lainepikkuse vahemiku kitsendamine väga lähedale infrapunale (2–3 µm);
- Mid-IR instrumendi jahutussüsteemi rike, mis muudab selle kasutuskõlbmatuks, kuid ei mõjuta teisi instrumente (0,6–6 µm).
Kõige keerulisem katse, mis James Webbi teleskoopi ees ootab, on start ja sisestamine antud orbiidile. Neid olukordi testiti ja need viidi eduk alt lõpule.
Revolutsioon teaduses
Kui James Webbi teleskoop töötab, on aastatel 2018–2028 selle toiteks piisav alt kütust. Lisaks on võimalik tankida, mis võib pikendada teleskoobi eluiga veel kümnendi võrra. Nii nagu Hubble on tegutsenud 25 aastat, võib JWST pakkuda põlvkonda revolutsioonilist teadust. 2018. aasta oktoobris saadab kanderakett Ariane 5 astronoomia tuleviku orbiidile, mis pärast enam kui 10 aastat kestnud rasket tööd on valmis vilja kandma. Kosmoseteleskoopide tulevik on peaaegu käes.
