Med hver ekstra centimeter med blenderåpning, hvert ekstra sekund av observasjonstid og hvert ekstra atom med atmosfærisk rot fjernet fra teleskopets synsfelt, kan universet sees bedre, dypere og klarere.
25 år med Hubble
Da Hubble-teleskopet begynte å operere i 1990, innledet det en ny æra innen astronomi – verdensrommet. Det var ikke lenger kamp med atmosfæren, ingen mer bekymring for skyer eller elektromagnetisk flimmer. Alt som krevdes var å utplassere satellitten til målet, stabilisere den og samle fotoner. I løpet av 25 år begynte romteleskoper å dekke hele det elektromagnetiske spekteret, og gjorde det for første gang mulig å se universet ved hver bølgelengde av lys.
Men ettersom kunnskapen vår har økt, har også forståelsen av det ukjente blitt større. Jo lenger vi ser inn i universet, jo dypere ser vi fortiden: den begrensede tiden siden Big Bang, kombinert med lysets begrensede hastighet, gir en grense for hva vi kan observere. Dessuten virker selve utvidelsen av rommet mot oss ved å strekke bølgelengdenstjernenes lys når det beveger seg gjennom universet til øynene våre. Til og med Hubble-romteleskopet, som gir oss det dypeste, mest betagende bildet av universet vi noen gang har oppdaget, er begrenset i denne forbindelse.
Ulempene ved Hubble
Hubble er et fantastisk teleskop, men det har en rekke grunnleggende begrensninger:
- Bare 2,4 m i diameter, begrenser oppløsningen.
- Til tross for at den er dekket med reflekterende materialer, blir den konstant utsatt for direkte sollys, som varmer den opp. Dette betyr at den på grunn av termiske effekter ikke kan observere lysbølgelengder større enn 1,6 µm.
- Kombinasjonen av begrenset blenderåpning og bølgelengdene den er følsom for betyr at teleskopet kan se galakser som ikke er eldre enn 500 millioner år.
Disse galaksene er vakre, fjerne og eksisterte da universet bare var rundt 4 % av sin nåværende alder. Men det er kjent at stjerner og galakser eksisterte enda tidligere.
For å se dette må teleskopet ha høyere følsomhet. Dette betyr å flytte til lengre bølgelengder og lavere temperaturer enn Hubble. Det er derfor romteleskopet James Webb bygges.
Prospects for Science
James Webb Space Telescope (JWST) er designet for å overvinne nettopp disse begrensningene: med en diameter på 6,5 m samler teleskopet 7 ganger mer lys enn Hubble. Han åpnerhøyoppløselig ultraspektroskopi fra 600 nm til 6 µm (4 ganger bølgelengden som Hubble kan se), for å gjøre observasjoner i det midt-infrarøde området av spekteret med høyere følsomhet enn noen gang før. JWST bruker passiv kjøling til Plutos overflatetemperatur og er i stand til aktivt å kjøle midt-infrarøde instrumenter ned til 7K.
Han vil tillate:
- observer de tidligste galaksene som noen gang er dannet;
- se gjennom nøytral gass og undersøk de første stjernene og reioniseringen av universet;
- utfør spektroskopisk analyse av de aller første stjernene (populasjon III) dannet etter Big Bang;
- få fantastiske overraskelser som oppdagelsen av de tidligste supermassive sorte hullene og kvasarene i universet.
JWSTs nivå av vitenskapelig forskning er ulikt noe tidligere, og det er grunnen til at teleskopet ble valgt som NASAs flaggskipoppdrag på 2010-tallet.
Vitenskapelig mesterverk
Fra et teknisk synspunkt er det nye James Webb-teleskopet et ekte kunstverk. Prosjektet har kommet langt: det har vært budsjettoverskridelser, forsinkelser i tidsplanen og fare for at prosjektet kanselleres. Etter inngripen fra den nye ledelsen endret alt seg. Prosjektet fungerte plutselig som smurt, midler ble bevilget, feil, feil og problemer ble tatt i betraktning, og JWST-teamet begynte å passe inn ialle frister, tidsplaner og budsjettrammer. Lanseringen av enheten er planlagt til oktober 2018 på Ariane-5-raketten. Teamet holder seg ikke bare til timeplanen, de har ni måneder igjen til å gjøre rede for alle uforutsette hendelser for å sikre at alt er pakket og klart for den datoen.
James Webb-teleskopet består av 4 hoveddeler.
Optisk blokk
Inkluderer alle speil, hvorav de atten primære segmenterte gullbelagte speilene er de mest effektive. De skal brukes til å samle fjernt stjernelys og fokusere det på instrumenter for analyse. Alle disse speilene er nå klare og feilfrie, laget rett etter planen. Når de er satt sammen, vil de bli foldet sammen til en kompakt struktur som skal skytes opp mer enn 1 million km fra jorden til L2 Lagrange-punktet, og deretter automatisk utplasseres for å danne en bikakestruktur som vil samle lys med ultralang rekkevidde i årene som kommer. Dette er en virkelig vakker ting og det vellykkede resultatet av den titaniske innsatsen til mange spesialister.
Nær-infrarødt kamera
Webb er utstyrt med fire vitenskapelige instrumenter som er 100 % komplette. Teleskopets hovedkamera er et nær-IR-kamera som spenner fra synlig oransje lys til dyp infrarødt lys. Det vil gi enestående bilder av de tidligste stjernene, de yngste galaksene som fortsatt er i ferd med å dannes, de unge stjernene i Melkeveien og nærliggende galakser, hundrevis av nye objekter i Kuiperbeltet. Hun eroptimalisert for direkte avbildning av planeter rundt andre stjerner. Dette vil være hovedkameraet som brukes av de fleste observatører.
Nær infrarød spektrograf
Dette verktøyet skiller ikke bare lys i separate bølgelengder, men er i stand til å gjøre dette for mer enn 100 separate objekter samtidig! Dette instrumentet vil være en universell Webba-spektrograf som kan operere i 3 forskjellige spektroskopimoduser. Den ble bygget av European Space Agency, men mange komponenter, inkludert detektorer og et batteri med flere porter, ble levert av Space Flight Center. Goddard (NASA). Dette apparatet har blitt testet og er klart til installasjon.
Mid-infrarødt instrument
Enheten skal brukes til bredbåndsavbildning, det vil si at den vil produsere de mest imponerende bildene fra alle Webb-instrumenter. Fra et vitenskapelig ståsted vil det være mest nyttig for å måle protoplanetariske skiver rundt unge stjerner, måle og avbilde Kuiper-belteobjekter og støv oppvarmet av stjernelys med enestående presisjon. Det vil være det eneste instrumentet som er kryogenisk avkjølt til 7 K. Sammenlignet med Spitzer-romteleskopet vil dette forbedre resultatene med en faktor på 100.
Slitless Near-IR Spectrograph (NIRISS)
Enheten lar deg produsere:
- vidvinkelspektroskopi i nær infrarøde bølgelengder (1,0 - 2,5 µm);
- grism-spektroskopi av ett objekt isynlig og infrarød rekkevidde (0,6–3,0 mikron);
- blendermaskerende interferometri ved bølgelengder på 3,8 - 4,8 µm (hvor de første stjernene og galaksene forventes);
- fotografering med bred rekkevidde av hele synsfeltet.
Dette instrumentet ble laget av den kanadiske romfartsorganisasjonen. Etter å ha bestått gjennom kryogenisk testing, vil den også være klar for integrering i instrumentrommet til teleskopet.
Solskjerm
Romteleskoper er ennå ikke utstyrt med dem. En av de mest skremmende aspektene ved hver lansering er bruken av helt nytt materiale. I stedet for å aktivt kjøle ned hele romfartøyet med en engangs-forbrukskjølevæske, bruker James Webb-teleskopet en helt ny teknologi, et 5-lags solskjold som vil bli utplassert for å reflektere solstråling fra teleskopet. Fem 25-meters ark vil kobles sammen med titanstenger og installeres etter at teleskopet er utplassert. Beskyttelse ble testet i 2008 og 2009. Fullskalamodellene som deltok i laboratorietestene gjorde alt de skulle her på jorden. Dette er en vakker innovasjon.
Det er også et utrolig konsept: ikke bare å blokkere lyset fra solen og plassere teleskopet i skygge, men å gjøre det på en slik måte at all varmen utstråles i motsatt retning av teleskopets orientering. Hvert av de fem lagene i rommets vakuum vil bli kaldt når det beveger seg bort fra det ytre, som vil være litt varmere enn temperaturen.jordens overflate - ca. 350-360 K. Temperaturen på det siste laget bør synke til 37-40 K, som er kaldere enn om natten på overflaten av Pluto.
I tillegg er det tatt betydelige forholdsregler for å beskytte mot det tøffe miljøet på dype rom. En av tingene du bør bekymre deg for her er små småsteinstore småsteiner, sandkorn, støvflekker og enda mindre som flyr gjennom det interplanetære rommet med hastigheter på titalls eller til og med hundretusenvis av kilometer i timen. Disse mikrometeorittene er i stand til å lage små, mikroskopiske hull i alt de møter: romfartøy, astronautdrakter, teleskopspeil og mer. Hvis speilene kun får bulker eller hull, noe som reduserer mengden "godt lys" som er tilgjengelig, så kan solskjermen rives fra kant til kant, og gjøre hele laget ubrukelig. En strålende idé ble brukt for å bekjempe dette fenomenet.
Hele solskjermingen er delt inn i seksjoner på en slik måte at hvis det er et lite gap i en, to eller til og med tre av dem, vil ikke laget rive ytterligere, som en sprekk i frontruten på en bil. Partisjonering vil holde hele strukturen intakt, noe som er viktig for å forhindre nedbrytning.
Spacecraft: monterings- og kontrollsystemer
Dette er den vanligste komponenten, slik alle romteleskoper og vitenskapsoppdrag har. Hos JWST er det unikt, men også helt klart. Alt som var igjen for prosjektets hovedentreprenør, Northrop Grumman, var å fullføre skjoldet, sette sammen teleskopet og teste det. Maskinen vil være klar tillansering om 2 år.
10 år med oppdagelser
Hvis alt går rett, vil menneskeheten stå på terskelen til store vitenskapelige oppdagelser. Sløret av nøytral gass som så langt har skjult utsikten til de tidligste stjernene og galaksene vil bli eliminert av de infrarøde egenskapene til Webb og dens enorme lysstyrke. Det vil være det største, mest følsomme teleskopet som noen gang er bygget, med et enormt bølgelengdeområde på 0,6 til 28 mikron (det menneskelige øyet ser 0,4 til 0,7 mikron). Det forventes å gi et tiår med observasjoner.
I følge NASA vil levetiden til Webb-oppdraget være fra 5,5 til 10 år. Den er begrenset av mengden drivmiddel som trengs for å opprettholde bane og levetiden til elektronikken og utstyret i det tøffe miljøet i verdensrommet. James Webb Orbital Telescope vil bære drivstoff i hele 10-årsperioden, og 6 måneder etter lansering vil det bli utført flystøttetesting, som garanterer 5 års vitenskapelig arbeid.
Hva kan gå g alt?
Den viktigste begrensende faktoren er mengden drivstoff om bord. Når den avsluttes, vil satellitten drive bort fra L2 Lagrange-punktet og gå inn i en kaotisk bane i umiddelbar nærhet av jorden.
Kom med dette, andre problemer kan skje:
- nedbrytning av speil, som vil påvirke mengden oppsamlet lys og skape bildeartefakter, men vil ikke skade den videre driften av teleskopet;
- feil på deler av eller hele solskjermen, noe som vil føre til en økningromfartøyets temperatur og begrense det brukbare bølgelengdeområdet til svært nær infrarødt (2-3 µm);
- Mid-IR instrument kjølesystem feil, noe som gjør det ubrukelig, men påvirker ikke andre instrumenter (0,6 til 6 µm).
Den vanskeligste testen som venter James Webb-teleskopet er oppskytingen og innsettingen i en gitt bane. Disse situasjonene ble testet og fullført.
Revolution in science
Hvis James Webb-teleskopet er i drift, vil det være nok drivstoff til å drive det fra 2018 til 2028. I tillegg er det potensialet for tanking, noe som kan forlenge levetiden til teleskopet med ytterligere et tiår. Akkurat som Hubble har vært i drift i 25 år, kan JWST gi en generasjon revolusjonerende vitenskap. I oktober 2018 vil bæreraketten Ariane 5 starte i bane om astronomiens fremtid, som etter mer enn 10 år med hardt arbeid er klar til å begynne å bære frukter. Fremtiden til romteleskoper er nesten her.
