Za kilka godzin Teleskop Webba dotrze do celu

[KopalniaWiedzy.pl 314]

Dzisiaj około godziny 20:00 czasu polskiego kontrola naziemna Teleskopu Webba wyda mu polecenie uruchomienia silników i wprowadzi JWST na orbitę wokół punku libracyjnego L2 (punkt Lagrange'a). Teleskop pozostanie w tym miejscu przez co najmniej 10 lat. Jednak już teraz wszystko wskazuje na to, że misję Webba będzie można wydłużyć.

Obecnie Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST) znajduje się w odległości mniej niż 6000 km od swojej docelowej orbity i porusza się w jej kierunku z prędkością ok. 200 metrów na sekundę. Najwyższa temperatura po jego gorącej stronie wynosi 55 stopni Celsjusza, a najniższa po stronie zimnej to -210 stopni.

Punkt libracyjny (punkt Lagrange'a) to taki punkt w przestrzeni w układzie dwóch ciał powiązanych grawitacją, w którym trzecie ciało o pomijalnej masie może pozostawać w spoczynku względem obu ciał układu. Tutaj mówimy o układzie Słońce-Ziemia i o Teleskopie Webba, czyli trzecim ciele, tym o pomijalnej masie. W układzie takich trzech ciał występuje pięć punktów libracyjnych, oznaczonych od L1 do L5. Na linii Słońce-Ziemia znajdują się trzy z nich. L3 leży za Słońcem z punktu widzenia Ziemi, L1 znajduje się pomiędzy Słońcem a Ziemią, a L2 to miejsce za Ziemią z punktu widzenia Słońca. Zatem L2 był jedyny możliwym do osiągnięcia punktem, w którym osłona termiczna Webba mogła chronić jego zwierciadła i instrumenty naukowe jednocześnie przed ciepłem emitowanym i przez Słońce i przez Ziemię.

Teleskop nie zostanie umieszczony w samym punkcie L2, a będzie wokół niego krążył po orbicie, której promień będzie większy od orbity Księżyca. Będzie on wynosił nawet 800 000 kilometrów, a przebycie pełnej orbity zajmie Webbowi pół roku. Dlaczego jednak nie ustawić Webba dokładnie w L2?

Punkty libracyjne przemieszczają się wraz z ruchem Ziemi wokół Słońca. Webb musiałby za L2 podążać. L2, podobnie jak L1 i L3 są punktami metastabilnymi. Jeśli narysujemy siatkę przedstawiającą gradient zmian grawitacji w tych punktach, będzie ona miała kształt siodła. Tak jakby punkty te znajdowały się na krawędzi łączącej dwa wystające ponad nią górskie szczyty. W kierunku obu szczytów nasze punkty (L1, L2 i L3) są stabilne. Kulka pchnięta w kierunku jednego ze szczytów, wróci do punktu wyjścia. Jednak po bokach naszej krawędzi opadają doliny i w tych kierunkach punkty te są niestabilne.

Znacznie łatwiejszą i bardziej efektywną alternatywą wobec umieszczenia Webba dokładnie w L2 jest wprowadzenie go na orbitę wokół tego punktu. Ma to i tę zaletę, że orbitujący Webb będzie równomiernie oświetlany przez Słońce, nie doświadczy zaćmienia Słońca przez Ziemię. A to bardzo ważne zarówno dla ładowania paneli słonecznych teleskopu jak i utrzymania równowagi termicznej, niezbędnej do precyzyjnej pracy jego instrumentów. Napęd Webbowi na orbicie L2 będą nadawały same oddziałujące siły grawitacyjne. Natomiast, jako, że L2 jest metastabilny, Webb będzie miał tendencję do opuszczenia jego orbity i zajęcia własnej orbity wokół Słońca. Dlatego też co mniej więcej trzy tygodnie odpali silniki, korygując swój kurs. W punktach L4 i L5 tego problemu nie ma. To punkty stabilne, a nasza siatka ze zmianami grawitacji ma tam kształt miski. Zatem obiekty krążące wokół tych punktów, samodzielnie pozostają na orbitach. Dlatego też znamy asteroidy krążące wokół L4 i L5, ale nie wokół pozostałych punktów libracyjnych.

Jako że Webb będzie musiał korygować swoją orbitę, czas jego misji jest ograniczony ilością paliwa. Przewidziano, że teleskop będzie pracował przez 10 lat. Już teraz jednak wiemy, że prawdopodobnie uda się ten czas wydłużyć. A to dzięki niezwykle precyzyjnemu wystrzeleniu rakiety Ariane, które wyniosła go w przestrzeń kosmiczna. Ta precyzja spowodowała, że podczas dwóch korekt kursu, jakie Webb wykonał, zużyto mniej paliwa niż planowano. Pozostało go więc na tyle dużo, że prawdopodobnie teleskop pozostanie w L2 znacznie dłużej niż planowano. Musimy bowiem pamiętać, że nie jest planowana żadna misja serwisowa do teleskopu. Więc nie będzie można uzupełnić jego paliwa.

Umieszczenie pojazdu w punkcie L2 to dość proste zadanie. Pozostaje więc pytanie, po co były zużywające cenne paliwo korekty kursu? Odpowiedź tkwi w samej architekturze Webba. Teleskop musiał dwukrotnie w czasie lotu odpalić silniki, gdyż rakieta Ariane nadała mu na tyle rozpędu, by mógł przebyć odległość dzielącą go od L2, jednak zbyt mało energii, by mógł całkowicie uciec z pola grawitacyjnego Ziemi.

Co prawda tę dodatkową energię Ariane mogłaby mu nadać podczas startu, jednak istniało wówczas ryzyko, że będzie jej nieco za dużo i Webb będzie poruszał się zbyt szybko, by wejść na orbitę wokół L2. Mógłby ją minąć. Problem ten można by rozwiązać wyhamowując teleskop. Jednak manewr hamowania za pomocą silników Webba zużyłby więcej paliwa, niż na korekty kursu. Jednak nie to było głównym problemem, a fakt, że silniki Webba są umieszczone po jego gorącej stronie, tej zwróconej w kierunku Słońce. Zatem Webb, żeby wyhamować, musiałby wykonać obrót o 180 stopni wokół własnej osi. Wówczas jego optyka i instrumenty naukowe, które wymagają bardzo niskich temperatur, zostałyby wystawione na bezpośrednie oddziaływanie Słońca, doszłoby do ich rozgrzania i... roztopienia kleju, którym są spojone.

Gdy Webb znajdzie się na swojej orbicie rozpocznie pięciomiesięczny proces testowania i kalibrowania zwierciadeł oraz instrumentów naukowych. Naukowcy etap misji rozpocznie się w czerwcu.

 

« powrót do artykułu