Największy w historii i najważniejszy od 30 lat – dzisiaj startuje Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba

[KopalniaWiedzy.pl 358]

Dzisiaj pomiędzy godziną 13:20 a 13:52 czasu polskiego ma odbyć się start rakiety Ariane 5, która wyniesie Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST). Będzie to największy w historii i najważniejszy od 31 lat, od czasu wystrzelenia Teleskopu Hubble'a, instrument naukowy umieszczony przez człowieka w przestrzeni kosmicznej. Wbrew powszechnemu mniemaniu Teleskop Webba nie ma zastąpić Hubble'a, a go uzupełnić. Naukowcy na całym świecie wiążą olbrzymie oczekiwania z obserwatorium, w którego powstanie – obok NASA – zaangażowane są Europejska Agencja Kosmiczna i Kanadyjska Agencja Kosmiczna.

Start niezwykłego teleskopu można śledzić na żywo na kanale NASA na YouTube

Jak to się zaczęło...

NASA myślała o tym, co po Hubble'u jeszcze zanim teleskop ten trafił w przestrzeń kosmiczną. Podobnie zresztą jest i teraz, gdyż opracowywane są koncepcje kolejnych po JWST teleskopów kosmicznych. Wkrótce po wystrzeleniu Hubble'a okazało się, że instrument nie pracuje jak powinien. Przyspieszono więc planowanie kolejnego teleskopu kosmicznego. Później odbyła się słynna misja naprawcza do Hubble'a, a gdy teleskop dostarczył pierwszych zdjęć po naprawie, wszyscy oniemieliśmy. Zachwycone były i opinia publiczna, i międzynarodowa społeczność naukowa, i NASA. Na bazie tego sukcesu i powszechnego entuzjazmu NASA i współpracujący z nią specjaliści zaczęli opracowywać koncepcję teleskopu pracującego w podczerwieni. Taki teleskop mógłby zajrzeć w przestrzeń kosmiczną znacznie dalej niż Hubble. Mógłby zobaczyć światło pierwszych galaktyk. Pracujący głównie w świetle widzialnym Hubble nie ma takich możliwości, gdyż – jako „gorący” teleskop – jest oślepiany ciepłem generowanym przez własne instrumenty naukowe. Teleskop działający głównie w podczerwieni musi zaś być teleskopem „zimnym”.

Początki koncepcji JWST sięgają 1996 roku. Wówczas projekt był nazywany Next Generation Space Telescope. W 2002 roku, na kolejnym etapie rozwoju, przemianowano go na Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (James Webb Space Telescope), od nazwiska drugiego dyrektora NASA, który zarządzał agencją w czasie programu Apollo i za którego kadencji działalność naukowa stała się główną działalnością NASA.

Jeszcze na początku 2005 roku planowano, że JWST zostanie wystrzelony w 2011 roku. Jednak w sierpniu 2005 dokonano rewizji planów, wyznaczono datę startu na rok 2013, a koszty oszacowano na 4,5 miliarda USD, z czego 3,5 miliarda miały pochłonąć prace projektowo-badawcze, budowa teleskopu i jego wystrzelenie, a kolejny 1 miliard do koszt jego 10-letniej pracy na orbicie.

W roku 2010 uznano, że JWST zostanie wystrzelony w 2015 roku, z możliwością przesunięcia startu na nie później niż rok 2018. Trzy lata później wiedziano już, że całkowity koszt teleskopu i jego misji wyniesie co najmniej 8,8 miliarda USD.

Ostatni element JWST został wyprodukowany w listopadzie 2016 roku. Rozpoczęto intensywne testy. W marcu 2018 podczas próbnego montażu doszło do rozdarcia osłony przeciwsłonecznej teleskopu, okazało się też, że jej konstrukcja nie jest wystarczająco mocna. Start przesunięto na rok 2020. Jednak już w czerwcu 2018 roku powołana przez NASA Independent Review Board, której celem była ocena postępów prac nad teleskopem, zaleciła przesunięci startu na 30 czerwca 2021. W swoim raporcie IRB stwierdzała, że że 29-miesięczne opóźnienie pomiędzy październikiem 2018 a marcem 2021 wynika z pięciu czynników: ludzkich błędów, problemów niejako automatycznie wbudowanych w taki projekt, złożoność systemu, zbytni optymizm oraz brak doświadczenia w kluczowych obszarach, takich jak np. budowa osłony przed Słońcem.

Wśród najważniejszych błędów popełnionych przez ludzi wymieniono m.in. umycie zaworów niewłaściwym rozpuszczalnikiem, błędy w uzwojeniu przetworników ciśnieniowych oraz niewłaściwe zainstalowanie elementów montażowych osłony słonecznej przed jej kluczowym testem. Wszystkie tego typu drobne błędy spowodowały opóźnienie o 1,5 roku i zwiększyły koszty o około 600 milionów dolarów.

Cały teleskop został ostatecznie złożony 29 sierpnia 2019 roku. Wcześniej licznym wymagającym testom były poddawane jego poszczególne elementy. Po złożeniu czekały go kolejne testy. W końcu 21 grudnia 2020 roku osłona termiczna, co do której było najwięcej zastrzeżeń, przeszła ostatnie testy pełnego rozwinięcia i zwinięcia, a w marcu bieżącego roku zakończono ostatnie testy układów elektrycznych i komunikacyjnych. Pod koniec września JWST wyruszył w dwutygodniową drogę do Gujany Francuskiej, skąd zostanie wystrzelony. Ostateczny budżet JWST to niemal 10 miliardów dolarów.

Zadania

Główne obszary badawcze, którymi zajmie się Webb można podzielić na cztery kategorie:

Koniec wieków ciemnych: pierwsze światło i epoka rejonizacji

Przez około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był całkowicie nieprzezroczysty. Tworzyła go mieszanina gorących cząstek. W miarę jak się schładzał protony i neutrony zaczęły łączyć się w zjonizowane atomy wodoru oraz nieco helu. Atomy te zaczęły przyciągać elektrony. Wszechświat stał się przezroczysty i światło mogło w nim swobodnie się przemieszczać. A raczej mogłoby, gdyby istniały jakieś jego źródła. Obecnie nie wiemy jak wyglądały pierwsze gwiazdy, ani kiedy powstały. To jedne z pytań, na które ma odpowiedzieć Webb.

I właśnie dlatego, że chcemy zobaczyć pierwsze gwiazdy, JWST musi pracować w podczerwieni. Rozszerzanie się wszechświata powoduje, że zwiększa się odległość między obiektami. A im większa odległość dzieli źródło fali (np. gwiazdę) od jej odbiorcy, tym bardziej zwiększa się długość fali docierającej do odbiorcy. W przypadku światła mamy do czynienia ze zjawiskiem przesunięcia ku podczerwieni, gdyż podczerwień ma większą długość fali niż światło widzialne. Im dalej od nas w przestrzeni kosmicznej znajduje się świecący obiekt, tym bardziej czerwony się wydaje. Podobne zjawisko łatwo możemy zaobserwować na Ziemi odnośnie dźwięku. Wystarczy, że wsłuchamy się w syrenę jadącej w naszym kierunku karetki i zwrócimy uwagę, jak dźwięk zmienia się, gdy pojazd się do nas zbliża oraz gdy nas minie i się oddala.

Aby znaleźć pierwsze galaktyki Webb będzie musiał przeprowadzić badania w bliskiej podczerwieni, za którymi pójdą spektroskopia o niskiej rozdzielczości i fotometria w średniej podczerwieni. Do przyjrzenia się epoce rejonizacji konieczna będzie zaś wysokorozdzielcza spektroskopia w bliskiej podczerwieni.

Zanim jednak doszło do rejonizacji, nastąpiła era rekombinacji. Trwała ona od 240 do 300 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Wtedy to protony i neutrony zaczęły łączyć się w zjonizowane atomy wodoru i deuteru. Deuter utworzył później hel-4. Pierwiastki te zaczęły przyciągać elektrony, które uczyniły z nich obojętne atomy. W tym momencie wszechświat składał się z 3-krotnie większej ilości wodoru niż helu. I stał się przezroczysty. Epoka rekombinacji to najwcześniejszy okres istnienia wszechświata, który może obserwować za pomocą jakiejkolwiek formy światła. Satelity COBE i WAMP rejestrują obecnie mikrofalowe promieniowanie tła z tego okresu. Po epoce rekombinacji nastąpiły wieki ciemne, które zakończyła epoka rejonizacji.

Wedle obowiązujących obecnie teorii pierwsze gwiazdy były od 30 do 300 razy bardziej masywne od Słońca, istniały zaledwie kilka milionów lat, a ich żywot kończył się eksplozją supernowej. Potężne promieniowanie ultrafioletowe z tych pierwszych gwiazd jonizowało wodór wypełniających wszechświat. Epoka ta miała kluczowe znaczenie dla późniejszego formowania się większych obiektów, jak galaktyki. Dlatego też naukowcy chcieliby przyjrzeć się pierwszym gwiazdom, by lepiej zrozumieć, ja powstał wszechświat znany nam obecnie. Ponadto pierwsze gwiazdy mogły też tworzyć pierwsze czarne dziury. Te czarne dziury mogły z czasem wchłaniać materię i łączyć się ze sobą, tworząc supermasywne czarne dziury, obecnie w centrum niemal wszystkich masywnych galaktyk.

Tworzenie się galaktyk

Aby zrozumieć naturę i historię wszechświata, musimy zrozumieć jak zorganizowana jest w nim materia i jak organizacja ta zmieniała się przez miliardy lat. Naukowcy badają to zagadnienie zarówno w skali galaktyk, jak i cząstek subatomowych. Każda z tych skal niesie ze sobą niezwykle istotne informacje.

Zachwycając się pięknymi zdjęciami wykonanymi przez Hubble'a musimy pamiętać, że galaktyki i inne struktury w przestrzeni kosmiczne nie zawsze wyglądały w ten sposób. Wielkie galaktyki spiralne tworzyły się przez miliardy lat w różnych złożonych procesach, również zderzając się między sobą i się łącząc. Podobne zjawiska zachodziły w przypadku olbrzymich galaktyk eliptycznych.

Gdy jednak spojrzymy głęboko w przestrzeń kosmiczną zobaczymy zupełnie inny obraz. Obecnie naukowcy sądzą, że od czasu, gdy wszechświat ukończył 6 miliardów lat, niemal wszystkie masywne galaktyki doświadczyły przynajmniej jednego znaczącego połączenia się z inną galaktyką. Dlatego też gdy zajrzymy dalej w czasie zobaczymy wiele małych galaktyk „posklejanych” z jeszcze mniejszych elementów z wieloma obszarami gwiazdotwórczymi. JWST ma pomóc w odpowiedzi na pytanie, jak z takich niedużych zlepków galaktycznych, powstały dzisiejsze imponujące rozmiarami i wyglądem struktury. Teleskop Webba ma zobaczyć pierwsze galaktyki, dzięki czemu naukowcy mają nadzieję dowiedzieć się jak galaktyki rosły i ewoluowały. Zobaczą też, jak wyglądały pierwsze gwiazdy i poznają ich rodzaje. A dzięki tym obserwacjom dowiemy się, jak powstawały pierwiastki cięższe niż wodór i hel.

Współczesne modele komputerowe wskazują, że do tworzenia się galaktyk dochodzi, gdy łączy się ze sobą ciemna materia. To niewidzialna forma materii, której masa we wszechświecie jest pięciokrotnie większa niż materii widzialnej. To ona tworzy „rusztowanie” wszechświata. Sposób, w jaki łączy się ona ze sobą wpływa na formowanie się widocznych struktur w kosmosie. A większe struktury z widocznej materii wpływają z kolei na powstawanie i ewolucję gwiazd. Naukowcy uważają, że to interakcja pomiędzy gwiazdami, galaktykami a ciemną materią stworzyła wszechświat w takiej formie, w jakiej go obecnie widzimy.
Ewolucja i formowanie się galaktyk trwają do dzisiaj. Znamy wiele przykładów zderzających się galaktyk. Wiemy też, że taka kolizja czeka w przyszłości Drogę Mleczną. W naszym kierunku zbliża się bowiem galaktyka Andromedy i za miliardy lat dojdzie do zderzenia.

Narodziny gwiazd i układów protoplanetarnych

Jednym z najbardziej spektakularnych zdjęć wykonanych przez Hubble'a jest fotografia Filarów Stworzenia. W Filarach znajdują się gwiazdy, które nie na wszystkich zdjęciach są widoczne. Teleskop Hubble'a jest bowiem zoptymalizowany pod kątem pracy w świetle widzialnym, a światło to jest blokowane przez pył tworzący filary. Dopiero gdy pracuje w trybie bliskiej podczerwieni, możemy dostrzec gwiazdy ukryte w pyle.  Obecnie możemy sobie tylko wyobrażać, jak wspaniałe zdjęcie Filarów wykona Webb, który jest wyspecjalizowany w pracy w bliskiej podczerwieni i jest 100-krotnie potężniejszy niż Hubble.

Webb, dzięki temu, że pracuje w podczerwieni, rejestrując ciepło emitowane z różnych źródeł, pokaże nam to, co obecnie ukryte jest przed naszym wzrokiem za chmurami pyłu. Dostarczy też lepszych obrazów dysków protoplanetarnych, chmur gazu i pyłu wokół młodych gwiazd. Chmur, w których formują się planety. Teleskop ten jest tak potężny, że powinien pokazać i proces tworzenia się planet i pozwoli obserwować molekuły niezbędne do powstania życia.

Ludzkość obserwuje i bada gwiazdy od tysięcy lat. Jednak dopiero w ostatnich dziesięcioleciach zaczęliśmy poznawać wiele z ich tajemnic. Jeszcze 100 lat temu nie wiedzieliśmy, że w gwiazdach zachodzi fuzja jądrowa, a o tym, że we wszechświecie ciągle powstają nowe gwiazdy przekonaliśmy się mniej niż 50 lat temu. Wciąż nie wiemy, w jaki sposób chmury pyłu i gazu stają się gwiazdami, nie wiemy, dlaczego większość gwiazd powstaje w obszarach gwiazdotwórczych, ani jak dokładnie tworzą się układy planetarne. Chcielibyśmy dokładnie poznać proces tworzenia się cięższych niż wodór czy hel pierwiastków. Kolejne obserwacje gwiazd i planet udoskonalają naszą wiedzę, pozwalają naukowcom zmieniać, poprawiać i tworzyć nowe hipotezy oraz teorie. Jednak, żeby naprawdę zrozumieć w jaki sposób powstały planety czy gwiazdy, potrzebujemy większej liczby dokładniejszych obserwacji tych obiektów na różnych etapach ich ewolucji. Przede wszystkim zaś potrzebujemy obserwacji młodych gwiazd i dopiero tworzących się układów planetarnych.

Układy planetarne i początki życia

Dotychczas odkryliśmy tysiące planet poza Układem Słonecznym, a dzięki rozwijającej się wiedzy i coraz lepszej technice, naukowcy potrafią znajdować coraz mniejsze planety, coraz bardziej podobne do Ziemi. Okazało się, że wszechświat jest pełen planet.

Do zrozumienia Ziemi i życia potrzebna nam jest wiedza o powstawaniu i ewolucji planet. Wciąż nie wiemy, czy wszystkie planety w układach planetarnych formują się w miejscach, w których je widzimy, czy też powstają na obrzeżach układów i z czasem przemieszczają się bliżej gwiazdy. Nie wiemy, w jaki sposób osiągają ostateczną orbitę,ani jak wielkie planety wpływają na te mniejsze. W Układzie Słonecznym są pozostałości po czasach, gdy się on formował. Teleskop Webba pozwoli nam obserwować układy planetarne znacznie młodsze od naszego, dzięki temu będziemy mogli porównać to, co widać tam, z tym, co widzimy tutaj.

Zbadamy skład dysków protoplanetarnych, będziemy mogli bezpośrednio porównać warunki panujące w różnych układach.
Jednym z głównych zadań Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba będzie badanie atmosfer planet pozasłonecznych. Webb będzie szukał w nich sygnatur elementów potrzebnych do istnienia życia. Wykorzysta w tym celu spektroskopię, technikę pomiaru intensywności światła o różnych długościach fali.

Gdy planeta przechodzi na tle swojej gwiazdy, światło gwiazdy przenika przez jej atmosferę. Różne pierwiastki w różny sposób reagują na światło, absorbując fotony o konkretnej energii. Badając całe spektrum światła i znajdując miejsca, w których doszło do absorpcji fotonów, naukowcy są w stanie określi pierwiastki obecne w atmosferze, zatem zbadać jej budowę. A jako, że w podczerwieni można zaobserwować najwięcej takich specjalnych cech spektrum światła, JWST świetnie nadaje się do obserwacji tego typu. Ostatecznym celem jest znalezienie planety o atmosferze podobnej do ziemskiej.

Jednak Webb nie ma badać wyłącznie egzoplanet, gwiazd i galaktyk. Naukowcy chcą dzięki niemu dowiedzieć się więcej o samym Układzie Słonecznym. Dlatego też teleskop będzie obserwował Marsa i wielkie planety, pomoże w badaniach Plutona, Eris, asteroid, komet czy obiektów z Pasa Kuipera. Pozwoli na zweryfikowanie i poszerzenie naszej wiedzy, którą zdobyliśmy dotychczas dzięki marsjańskim łazikom czy sondom wysyłanym w dalekie zakątki Układu Słonecznego.

Jak on to zrobi

Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba zbudowany jest z trzech zasadniczych elementów: Integrated Science Instrument Module (ISIM, Zintegrowany Moduł Instrumentów Naukowych), Optical Telescope Element (OTE, Element Optyczny Teleskopu) oraz Spacecraft Element (platforma nośna) na który składają się pojazd kosmiczny i osłona przeciwsłoneczna. W ISIM znajdują się cztery instrumenty naukowe Webba. Dane dla nich zapewniają „oczy” teleskopu czyli OTE. Osłona przeciwsłoneczna ma odseparować „gorącą” stronę Teleskopu czyli całą platformę nośną, która będzie skierowana w stronę Słońca, od strony „zimnej” czyli OTE i ISIM. Zadaniem osłony przeciwsłonecznej będzie zapewnienie jak najniższej temperatury pracy elementów optycznych i naukowych. Dlatego też ochroni je ona nie tylko od ciepła słonecznego, ale również od ciepła Ziemi i ciepła generowanego przez pojazd kosmiczny. Temperatura pracy OTE i ISIM nie może być wyższa niż -223,15 stopni Celsjusza.
W samym zaś pojeździe kosmicznym znajdują się podzespoły zasilania, kontroli położenia, komunikacji, napędu, kontroli termicznej oraz dowodzenia i danych.

Na moduł naukowy ISIM składają się:
- NIRCam, działająca w podczerwieni kamera, rejestrująca fale o długości od 0,6 do 5 mikrometrów. To ona zarejestruje światło z pierwszych gwiazd i galaktyk, pokaże gwiazdy w pobliskich galaktykach, młode gwiazdy w Drodze Mlecznej oraz obiekty w Pasie Kuipera. Wyposażono ją w koronografy, instrumenty pozwalające na fotografowanie bardzo słabo świecących obiektów znajdujących się wokół obiektów znacznie jaśniejszych. Koronografy blokują światło jasnego obiektu, uwidaczniając obiekty słabo świecące. Dzięki nim astronomowie chcą dokładnie obserwować planety krążące wokół pobliskich gwiazd i poznać ich charakterystyki. NIRCam wyposażono w dziesięć rtęciowo-kadmowo-telurkowych, które są odpowiednikami matryc CCD ze znanych nam aparatów cyfrowych.

- NIRSpec to spektrograf również działający w zakresie od 0,6 do 5 mikrometrów. Spektrografy to urządzenia do rejestracji całego widma promieniowania. Analiza tego widma pozwoli naukowcom poznać wiele cech fizycznych badanego obiektu, w tym jego temperaturę, masę i skład chemiczny. Wiele z obiektów, które Webb będzie badał, jest tak słabo widocznych, że olbrzymie zwierciadło teleskopu będzie musiało prowadzić obserwacje przez setki godzin, by zebrać ilość światła wystarczającą do stworzenia całego widma. Jako, że w czasie swojej podstawowej misji, przewidzianej na 5 lat, Webb ma zbadać tysiące galaktyk, NIRSpec wyposażono w możliwość jednoczesnej obserwacji 100 obiektów. To pierwszy spektrograf o tak szerokich możliwościach wysłany w przestrzeń kosmiczną. NIRSpec wykorzystuje system mikroelektromechaniczny zwany macierzą mikromigawek. Składa się ona z wielu komórek, każda o średnicy ludzkiego włosa, których przesłony kontrolowane są indywidualnie pod wpływem pola magnetycznego. Można zatem dowolnie otwierać lub blokować widok na konkretny fragment obserwowanego nieboskłonu. Dzięki temu NIRSpec ma podobne możliwości do NIRCam, również może blokować światło z jaśniejszego obiektu, by obserwować znajdujący się obok obiekt słabiej świecący.

- Mid-Infared Instrument (MIRI) składa się zarówno z kamery jak i spektrografu pracujących w średniej podczerwieni. To zakresy od 5 do 28 mikrometrów. Fal o takiej długości nasze oczy nie widzą. Ten bardzo czuły instrument zobaczy przesunięte ku czerwieni światło odległych galaktyk, tworzących się gwiazd i słabo widocznych komet. Będzie też mógł obserwować Pas Kuipera. Kamer MIRI będzie zdolna do wykonania podobnych szerokokątnych zdjęć, z jakich zasłynął Hubble. A jego spektrograf umożliwi poznanie wielu cech fizycznych odległych obiektów. MIRI korzysta z trzech macierzy czujników zbudowanych z krzemu wzbogaconych arsenem. MIRI, by ujawnić swoje niezwykłe możliwości, musi mieć zapewnioną temperaturę -266,15 stopni Celsjusza. Tutaj już nie wystarczy chłodzenie pasywne w postaci przestrzeni kosmicznej i zaawansowanej osłony termicznej. Potrzebne jest chłodzenie aktywne, za które odpowiada innowacyjny dwustopniowy układ, schładzający czujniki MIRI najpierw do -255,15, a następnie do -266,15 stopni Celsjusza. W budowę tego instrumentu brało udział europejskie konsorcjum z Europejską Agencją Kosmiczną.

- Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS) dostarczony przez Kanadyjską Agencję Kosmiczną to instrument odpowiedzialny za precyzyjne pozycjonowanie Webba na wybrane obiekty, dzięki czemu teleskop będzie mógł uzyskać obrazy wysokiej jakości. FGS/NIRISS będzie odpowiedzialny za wykrycie pierwszego światła, jakie rozbłysło we wszechświecie, wykrywanie i charakteryzację egzoplanet oraz spektroskopię planet podczas ich tranzytów na tle gwiazd macierzystych.

Oczami teleskopu jest OTE. To właśnie ten element będzie zbierał światło i dostarczał je do instrumentów naukowych. Najbardziej rzucającą się w oczy jego częścią jest główne zwierciadło o średnicy 6,5 metra, zbudowane z 18 heksagonalnych segmentów. Budowa tak wielkiego lustra nawet do użycia na Ziemi to poważne wyzwanie, a co co dopiero w przestrzeni kosmicznej. Nigdy wcześniej ludzkość nie wysłała w kosmos tak dużego zwierciadła.

Lustro Hubble'a miało 2,4 metra średnicy. Gdyby po prostu przeskalować je do rozmiarów zwierciadła Webba, byłoby ono zbyt ciężkie, by można było je wystrzelić. Dlatego też inżynierowie musieli znaleźć inny sposób. I znaleźli. Zwierciadło Webba jest aż 10-krotnie lżejsze od zwierciadła Hubble'a w przeliczeniu na daną jednostkę powierzchni, a przy tym niezwykle wytrzymałe. Każdy z jego segmentów ma średnicę 1,32 metra i waży około 20 kilogramów, a wraz z aktuatorami i elementami montażowymi waga ta wynosi około 40 kg. Zwierciadło jest składane, gdyż musi zmieścić się do rakiety nośnej.

Inżynierowie doszli do wniosku, że najlepszym kształtem segmentów będzie sześciokąt. Pozwala on bowiem na rozłożenie lustra bez występowania odstępów pomiędzy nimi oraz uzyskanie kształtu jak najbardziej zbliżonego do koła, dzięki czemu zebrane światło zostanie skupione w centralnym regionie, będzie mogło trafić do zwierciadła wtórnego o średnicy 0,74 m. Gdyby segmenty były okrągłe, po rozłożeniu powstałyby odstępy między nimi, a kwadratowe segmenty dałyby kwadratowe lustro i zbyt wiele zebranego światła trafiałoby poza obszar centralny.

W przestrzeni kosmicznej zwierciadło trzeba będzie precyzyjnie nakierowywać na obserwowane niezwykle odległe obiekty. Każdy z segmentów zwierciadła głównego oraz lustro wtórne jest sterowany przez sześć aktuatorów. Działają one tak precyzyjnie, że odchylenie od zaplanowanego ustawienia segmentów wynosi nie więcej niż 1/10 000 grubości ludzkiego włosa.

Webb to teleskop trójzwierciadłowy. Lustro główne jest wklęsłe, zbierające zeń światło lustro wtórne jest wypukłe, a nieruchome trzecie lustro odpowiada za korygowanie wszelkich zniekształceń obrazu powodowanych przez dwa pierwsze lustra.

Zwierciadła Webba wykonano z lekkiego i wytrzymałego berylu. Materiał wybrany ze względu na swoją olbrzymią stabilność w bardzo niskich temperaturach. Nie odkształca się, co ma olbrzymie znaczenie dla jakość przekazywanego obrazu. Jako, że beryl słabo odbija światło podczerwone, lustra zostały pokryte niezwykle cienką warstwą złota, co nadaje Webbowi jego charakterystyczny wygląd. Beryl jest też niezwykle wytrzymały w stosunku do swojej wagi, jest dobrym przewodnikiem ciepła i prądu elektrycznego, a jednocześnie nie ma właściwości magnetycznych.

Ochrona przed ciepłem

Jako, że JWST będzie pracował głównie w podczerwieni, jego wrogiem są wszelkie źródła ciepła. Oczywiście oprócz tych obserwowany. Musi być utrzymywany w bardzo niskich temperaturach i izolowany od wpływu Słońca, Ziemi, Księżyca czy własnych nagrzewających się elementów. Za pasywne chłodzenie odpowiedzialna będzie 5-wartwowa osłona słoneczna o wymiarach 21,197x14,162 metra. Zawsze będzie się ona znajdowała pomiędzy lustrami teleskopu a Słońcem, Ziemią i Księżycem. Będzie to możliwe, gdyż Teleskop Webba zostanie umieszczony w punkcie L2, w odległości 1,5 miliona kilometrów do Ziemi.

Osłona zapewni teleskopowi stabilną temperaturę pracy poniżej -223 stopni Celsjusza. Osłona wykonana jest z pięciu warstw materiału o nazwie Kapton, a każdą z warstw pokryto aluminium. Każda z nich będzie chłodniejsza niż poprzednia. Dodatkowo dwie najcieplejsze warstwy, czyli dwie pierwsze warstwy patrząc od strony Słońca, mają warstwę krzemową, dodatkowo odbijającą ciepło. Inżynierowie nie tylko precyzyjnie dobrali właściwości warstw, ale niezwykle ważny był też kształt i odległości pomiędzy warstwami.

Poszczególne warstwy osłony są niezwykle cienkie. Grubość pierwszej z nich to zaledwie 0,05 mm, a każda z czterech pozostałych jest o połowę cieńsza (0,025 mm). Każda warstwa ma nieco inny kształt i inną powierzchnię. Warstwa 1. jest największa i dość płaska, warstwa 5. – najmniejsza i bardziej zakrzywiona. Różna jest też odległość pomiędzy warstwami. Najbliżej siebie są na środku osłony, najdalej na jej krawędziach, co pozwala na lepsze odprowadzanie ciepła od centralnych części teleskopu ku krawędziom. Warstwa 1. będzie nagrzewała się do temperatury nie wyższej niż ok. 110 stopni Celsjusza, a warstwa piąta nigdy nie będzie cieplejsza niż -52 stopnie C. Natomiast najniższa temperatura piątej warstwy to -237 stopni.
Osłona termiczna będzie bardzo duża, a to naraża ją na przedziurawienie przez mikrometeoryty. Dlatego też wyprodukowano ją i wzmocniono specjalnymi pasami, by ograniczyć obszar zniszczeń. Jeśli w osłonie powstanie dziura, ma się ona nie powiększać.

Misja

Główna misja JWST – w czasie której teleskop ma wykonać wszystkie postawione przed nim zadania – została zaplanowana na pięć lat, z możliwością przedłużenia o kolejnych 5 lat. Teleskop Webba zostanie umieszczony w pobliżu punktu libracyjnego (punktu Lagrange'a) 2, znajdującego się w odległości około 1,5 miliona kilometrów do Ziemi, po stronie przeciwnej od Słońca. Punkty libracyjne to takie miejsca w układzie dwóch ciał powiązanych grawitacyjnie, w których obiekt o pomijalnie małej masie może pozostać w spoczynku w stosunku do obu tych ciał. W układach takich trzech ciał (dwa ciała i obiekt o pomijalnej masie) istnieje 5 tego typu punktów.

JWST będzie krążył wokół punktu L2 będąc zwrócony zawsze od Słońca, a osłona przeciwsłoneczna zawsze będzie chroniła jego instrumenty przed ciepłem naszej gwiazdy, planety i Księżyca. Oczywiście nie będzie krążył całkowicie swobodnie. Za utrzymanie odpowiedniej orbity i pozycji odpowiedzialnych będzie 10 par silników sterujących. To właśnie ilość paliwa dostępna dla silników jest głównym elementem ograniczającym czas misji JWST.

Start

Teleskop Webba będzie podróżował na rakiecie Ariane 5 przez 27 minut. Po tym czasie oddzieli się od niej i dalszą podróż odbędzie samodzielnie. W 33. minucie po starcie rozwinięte zostaną panele słoneczne i teleskop zacznie wytwarzać własną energię. Od tego momentu zacznie się stopniowy wielodniowy proces rozkładania osłony słonecznej, anten i luster.  Ma on zostać zakończony w ciągu 13 dni po wystrzeleniu. Następnym etapem będzie aktywowanie i przetestowanie ruchów każdego z segmentów lustra głównego oraz lustra wtórnego. Etap ten będzie trwał od 15. do 24. dnia od startu. Natomiast 29 dni po starcie Webb rozpocznie manewr wejścia na orbitę L2. A gdy już się na niej znajdzie nastąpi etap szybkiego kontrolowanego chłodzenia instrumentów naukowych i luster. Później zaś nastąpi pięciomiesięczny okres testów i kalibrowania instrumentów oraz optyki.

« powrót do artykułu