С всеки допълнителен сантиметър бленда, всяка допълнителна секунда от времето за наблюдение и всеки допълнителен атом атмосферен бъркот, отстранен от зрителното поле на телескопа, Вселената може да се види по-добре, по-дълбоко и по-ясно.
25 години Хъбъл
Когато телескопът Хъбъл започна да работи през 1990 г., той постави началото на нова ера в астрономията - космоса. Нямаше повече борба с атмосферата, нямаше повече притеснения за облаци или електромагнитно трептене. Всичко, което се изискваше, беше да се разгърне сателитът до целта, да се стабилизира и да се съберат фотони. В рамките на 25 години космическите телескопи започнаха да покриват целия електромагнитен спектър, позволявайки за първи път да видите Вселената при всяка дължина на вълната на светлината.
Но с нарастването на нашите знания се увеличава и разбирането ни за неизвестното. Колкото по-далеч се вглеждаме във Вселената, толкова по-дълбоко виждаме миналото: ограниченото време от Големия взрив, съчетано с ограничената скорост на светлината, предоставя ограничение на това, което можем да наблюдаваме. Освен това самото разширяване на пространството работи срещу нас, като разтяга дължината на вълнатасветлината на звездите, докато пътува през вселената към очите ни. Дори космическият телескоп Хъбъл, който ни дава най-дълбокото и спиращо дъха изображение на Вселената, което някога сме откривали, е ограничен в това отношение.
Недостатъци на Хъбъл
Хъбъл е невероятен телескоп, но има редица фундаментални ограничения:
- Само 2,4 м в диаметър, което ограничава разделителната способност.
- Въпреки че е покрит с отразяващи материали, той е постоянно изложен на пряка слънчева светлина, която го нагрява. Това означава, че поради термични ефекти, той не може да наблюдава дължини на вълната на светлината, по-големи от 1,6 µm.
- Комбинацията от ограничен отвор и дължините на вълната, към които е чувствителен, означава, че телескопът може да вижда галактики не по-стари от 500 милиона години.
Тези галактики са красиви, далечни и са съществували, когато Вселената е била само около 4% от сегашната си възраст. Но е известно, че звездите и галактиките са съществували още по-рано.
За да видите това, телескопът трябва да има по-висока чувствителност. Това означава преминаване към по-дълги дължини на вълната и по-ниски температури от Хъбъл. Ето защо се изгражда космическият телескоп Джеймс Уеб.
Перспективи за наука
Космическият телескоп на Джеймс Уеб (JWST) е проектиран да преодолее точно тези ограничения: с диаметър от 6,5 m, телескопът събира 7 пъти повече светлина от Хъбъл. Той отваряултраспектроскопия с висока разделителна способност от 600 nm до 6 µm (4 пъти дължината на вълната, която Хъбъл може да види), за да се правят наблюдения в средната инфрачервена област на спектъра с по-висока чувствителност от всякога. JWST използва пасивно охлаждане до повърхностната температура на Плутон и е в състояние активно да охлажда средно инфрачервени инструменти до 7K.
Той ще позволи:
- наблюдавайте най-ранните галактики, образувани някога;
- вижте през неутрален газ и изследвайте първите звезди и реионизацията на Вселената;
- извършете спектроскопски анализ на първите звезди (популация III), образувани след Големия взрив;
- получете невероятни изненади като откриването на най-ранните свръхмасивни черни дупки и квазари във Вселената.
Нивото на научни изследвания на JWST не прилича на нищо в миналото, поради което телескопът беше избран за водеща мисия на НАСА през 2010-те.
Научен шедьовър
От техническа гледна точка новият телескоп James Webb е истинско произведение на изкуството. Проектът измина дълъг път: имаше превишаване на бюджета, забавяне на графика и опасност проектът да бъде анулиран. След намесата на новото ръководство всичко се промени. Проектът изведнъж заработи като часовник, средствата бяха разпределени, грешките, неуспехите и проблемите бяха взети под внимание и екипът на JWST започна да се вписва ввсички срокове, графици и бюджетни рамки. Изстрелването на устройството е насрочено за октомври 2018 г. на ракетата Ariane-5. Екипът не само се придържа към графика, но му остават девет месеца, за да отчетат всички непредвидени ситуации, за да гарантират, че всичко е опаковано и готово за тази дата.
Телескопът James Webb се състои от 4 основни части.
Оптичен блок
Включва всички огледала, от които осемнадесетте основни сегментирани позлатени огледала са най-ефективни. Те ще бъдат използвани за събиране на далечна звездна светлина и фокусиране върху инструменти за анализ. Всички тези огледала вече са готови и безупречни, направени точно по график. Веднъж сглобени, те ще бъдат сгънати в компактна структура, за да бъдат изстреляни на повече от 1 милион км от Земята до точката на Лагранж L2 и след това автоматично да се разгърнат, за да образуват структура от пчелна пита, която ще събира светлина с ултра дълъг обсег за години напред. Това е наистина красиво нещо и успешният резултат от титаничните усилия на много специалисти.
Блиска инфрачервена камера
Webb е оборудван с четири научни инструмента, които са 100% завършени. Основната камера на телескопа е почти IR камера, варираща от видима оранжева светлина до дълбока инфрачервена. Той ще предостави безпрецедентни изображения на най-ранните звезди, най-младите галактики, които все още са в процес на формиране, младите звезди на Млечния път и близките галактики, стотици нови обекти в пояса на Кайпер. Тя еоптимизиран за директно изобразяване на планети около други звезди. Това ще бъде основната камера, използвана от повечето наблюдатели.
Близо инфрачервен спектрограф
Този инструмент не само разделя светлината на отделни дължини на вълната, но е в състояние да прави това за повече от 100 отделни обекта едновременно! Този инструмент ще бъде универсален Webba спектрограф, който може да работи в 3 различни режима на спектроскопия. Той е построен от Европейската космическа агенция, но много компоненти, включително детектори и батерия с няколко порта, са предоставени от Центъра за космически полети. Годард (НАСА). Този уред е тестван и е готов за инсталиране.
Средно инфрачервен инструмент
Устройството ще се използва за широколентови изображения, тоест ще произвежда най-впечатляващите изображения от всички инструменти на Webb. От научна гледна точка, той ще бъде най-полезен при измерване на протопланетни дискове около млади звезди, измерване и изобразяване на обекти от пояса на Кайпер и прах, нагрят от звездна светлина с безпрецедентна прецизност. Това ще бъде единственият инструмент, който ще бъде криогенно охладен до 7 K. В сравнение с космическия телескоп Spitzer, това ще подобри резултатите с коефициент 100.
Близък IR спектрограф без прорези (NIRISS)
Устройството ще ви позволи да произвеждате:
- широкоъгълна спектроскопия в близките инфрачервени дължини на вълната (1,0 - 2,5 µm);
- гризма спектроскопия на един обект ввидим и инфрачервен обхват (0,6 - 3,0 микрона);
- интерферометрия с маскиране на апертура при дължини на вълната от 3,8 - 4,8 µm (където се очакват първите звезди и галактики);
- заснемане в широк обхват на цялото зрително поле.
Този инструмент е създаден от Канадската космическа агенция. След преминаване през криогенни тестове, той също ще бъде готов за интегриране в инструменталното отделение на телескопа.
Слънчев щит
Космическите телескопи все още не са оборудвани с тях. Един от най-плашещите аспекти на всяко стартиране е използването на напълно нов материал. Вместо активно охлаждане на целия космически кораб с еднократна консумативна охлаждаща течност, телескопът James Webb използва изцяло нова технология, 5-слоен слънчев щит, който ще бъде разгърнат, за да отразява слънчевата радиация от телескопа. Пет 25-метрови листа ще бъдат свързани с титаниеви пръти и монтирани след разгръщането на телескопа. Защитата е тествана през 2008 и 2009 г. Пълномащабните модели, които участваха в лабораторните тестове, направиха всичко, което трябваше да направят тук, на Земята. Това е красива иновация.
Това също е невероятна концепция: не просто да блокирате светлината от Слънцето и да поставите телескопа в сянка, но да го направите по такъв начин, че цялата топлина да се излъчва в посока, обратна на ориентацията на телескопа. Всеки от петте слоя във вакуума на пространството ще стане студен, когато се отдалечи от външния, който ще бъде малко по-топъл от температурата.повърхността на Земята - около 350-360 K. Температурата на последния слой трябва да падне до 37-40 K, което е по-студено, отколкото през нощта на повърхността на Плутон.
В допълнение са взети значителни предпазни мерки за защита срещу суровата среда на дълбокия космос. Едно от нещата, за които трябва да се притеснявате тук, са малки камъчета с размери на камъче, пясъчни зърна, прах и дори по-малки, летящи през междупланетното пространство със скорост от десетки или дори стотици хиляди километри в час. Тези микрометеорити са способни да правят малки, микроскопични дупки във всичко, което срещат: космически кораби, костюми на астронавти, огледала на телескопи и др. Ако огледалата имат само вдлъбнатини или дупки, което леко намалява количеството налична "добра светлина", тогава слънчевият щит може да се разкъса от ръб до ръб, което прави целия слой безполезен. Една брилянтна идея беше използвана за борба с това явление.
Целият слънчев щит е разделен на секции по такъв начин, че ако има малка празнина в една, две или дори три от тях, слоят няма да се разкъса допълнително, като пукнатина в предното стъкло на кола. Разделянето ще запази цялата структура непокътната, което е важно за предотвратяване на деградация.
Космически кораб: системи за сглобяване и управление
Това е най-често срещаният компонент, както всички космически телескопи и научни мисии. В JWST той е уникален, но и напълно готов. Всичко, което беше останало на главния изпълнител на проекта, Northrop Grumman, беше да завърши щита, да сглоби телескопа и да го тества. Машината ще бъде готова застартира след 2 години.
10 години откритие
Ако всичко върви както трябва, човечеството ще бъде на прага на велики научни открития. Завесата от неутрален газ, която досега е закривала гледката към най-ранните звезди и галактики, ще бъде елиминирана от инфрачервените възможности на Webb и огромната му светимост. Това ще бъде най-големият и най-чувствителен телескоп, създаван някога, с огромен диапазон на дължина на вълната от 0,6 до 28 микрона (човешкото око вижда 0,4 до 0,7 микрона). Очаква се да осигури десетилетие на наблюдения.
Според НАСА животът на мисията Webb ще бъде от 5,5 до 10 години. То е ограничено от количеството гориво, необходимо за поддържане на орбита, и живота на електрониката и оборудването в суровата среда на космоса. Орбиталният телескоп James Webb ще носи гориво за целия 10-годишен период и 6 месеца след стартирането ще бъдат извършени тестове за поддръжка на полети, което гарантира 5 години научна работа.
Какво може да се обърка?
Основният ограничаващ фактор е количеството гориво на борда. Когато приключи, спътникът ще се отдалечи от точката на Лагранж L2, навлизайки в хаотична орбита в непосредствена близост до Земята.
Ела с това, могат да се случат и други проблеми:
- деградация на огледалата, което ще повлияе на количеството събрана светлина и ще създаде артефакти на изображението, но няма да повреди по-нататъшната работа на телескопа;
- отказ на част или на целия слънчев екран, което ще доведе до увеличениетемпература на космическия кораб и стесни обхвата на използваемата дължина на вълната до много близката инфрачервена (2-3 µm);
- Неизправност на системата за охлаждане на инструмента за средна IR, което я прави неизползваема, но не засяга други инструменти (0,6 до 6 µm).
Най-трудният тест, който очаква телескопа James Webb, е изстрелването и вкарването в дадена орбита. Тези ситуации бяха тествани и успешно завършени.
Революция в науката
Ако телескопът Джеймс Уеб работи, ще има достатъчно гориво за захранването му от 2018 до 2028 г. Освен това има потенциал за зареждане с гориво, което би могло да удължи живота на телескопа с още едно десетилетие. Точно както Хъбъл работи от 25 години, JWST може да осигури поколение на революционна наука. През октомври 2018 г. ракетата-носител Ariane 5 ще изведе в орбита бъдещето на астрономията, което след повече от 10 години упорита работа е готово да започне да дава плодове. Бъдещето на космическите телескопи е почти тук.
