Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba

17 lipca 2022 r. | 15 minut czytania


| NASA

Spis treści

Wstęp

    24 kwietnia 1990 r. za pośrednictwem promu kosmicznego Discovery, NASA wyniosła na orbitę okołoziemską jeden z najważniejszych przyrządów w historii astronomii - Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Perspektywa obserwacji ciał niebieskich, pozbawiona ingerencji atmosfery oraz zanieczyszczenia świetlnego, zapowiadała czas nowych odkryć jakie niesie za sobą Wszechświat. Mimo ogromnej satysfakcji, świat nauki zastanawiał się już nad kolejnymi projektami przyszłych urządzeń zdolnych rejestrować przestrzeń kosmiczną. Czym jest teleskop Jamesa Webba? Dlaczego nadano mu taką nazwę? Co jest w nim tak niezwykłego, że zainteresował sobą ludzi z całego świata? Przekonajcie się sami, gdyż na końcu czeka Was miła niespodzianka!

Garść historii

    Historia Teleskopu Jamesa Webba ma swój początek już w 1989 r., kiedy to w Space Telescope Science Institute (STScI, Baltimore, Maryland), rok przed planowanym startem „Hubble’a” grupa inżynierów oraz naukowców rozważała naukowe oraz techniczne możliwości stworzenia nowoczesnego obserwatorium, które w przyszłości miałoby zastąpić sam Teleskop Hubble’a. Tym sposobem siedem lat później, w 1996 r., przedstawiono pierwszy plan Teleskopu Kosmicznego Nowej Generacji. Pierwotnie urządzenie miało działać w zakresie fal podczerwonych oraz być wyposażone w zwierciadło większe niż 4 metry. Nikt nie przypuszczał, że projekt ten zostanie zrealizowany dopiero po 25 latach!


Kim był James Webb?

    Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (ang. James Webb Space Telescope, JWST), tak właśnie brzmi oficjalna nazwa jednego z najnowszych projektów współczesnej inżynierii kosmicznej. Otrzymał swoją nazwę na cześć drugiego administratora NASA – Jamesa Edwina Webba, urzędującego w latach 1961 – 1968, którego głównym celem była odpowiedzialność za realizację programu Apollo.

    Wierzył on, że planowane misje kosmiczne mogą być czymś więcej niż tylko szalonym wyścigiem politycznym prowadzonym przez Stany Zjednoczone przeciwko ZSRR. Widział w tym wszystkim coś więcej. Nadarzającą się okazję rozwoju nauki oraz przemysłu lotniczego. Możliwość konstrukcji teleskopów kosmicznych, badających nasze położenie we Wszechświecie.

Podczerwona przeszłość

    Świat jaki znamy, według naukowców miał swój początek w momencie Wielkiego Wybuchu. Pierwsze pierwiastki (lit, hel i wodór) formowały się „obserwując” nieustanne rozszerzanie się Wszechświata, a co za tym idzie jego stygnięcie. Następnie powstawały związki chemiczne kształtując młode gwiazdy oraz galaktyki.


    Cały ten proces trwał ponad 13,8 mld lat z biegiem czasu zacierając po sobie ślady, jednak jak każde ciało fizyczne (np. Ty drogi czytelniku czy chociażby Słońce), w zależności od temperatury obiektu, emituje daną wartość promieniowania elektromagnetycznego. Gorące gwiazdy jak i niedawno powstałe galaktyki najlepiej jest obserwować w zakresie długości fali światła widzialnego (380 – 750 nm). Taką rolę odgrywał za nas Teleskop Hubble’a, lecz miało to swoją wadę, gdyż światło widzialne przyćmiewa niewidoczny dla ludzkiego oka „blask” zimniejszych ciał niebieskich np. brązowych karłów. Chcąc poznać pierwotne dzieje Wszechświata naukowcy potrzebowali teleskopu zdolnego rejestrować dłuższą falę promieniowania elektromagnetycznego jaką jest podczerwień.


Gwiezdny kolos

    JWST to teleskop kosmiczny zdolny wykonywać obserwacje w podczerwieni. Jest swojego rodzaju ulepszonym połączeniem dwóch poprzednich teleskopów: Hubble'a wraz z jego czułością oraz rozdzielczością jak i Spitzera "spoglądającego" podczerwonym "okiem" w głąb kosmosu.

    Celem wyniesienia Webba w przestrzeń pozaziemską jest obserwacja sposobu kształtowania się Wszechświata. Zbadania kosmicznej historii – od Układu Słonecznego po ewolucję najstarszych gwiazd i galaktyk, które swój początek przeżywały we wczesnym stadium formowania się naszego Uniwersum (zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu). To również ogromny krok w kierunku możliwości poszerzenia wiedzy z zakresu egzoplanet oraz lepszego zrozumienia natury układów planetarnych, w których prawdopodobnie możemy natknąć się na potencjalne planety ziemiopodobne. 

    Z tego powodu teleskop Jamesa Webba został wyposażony w szereg komponentów najnowocześniejszej technologii. Zakres fal, które jest w stanie rejestrować waha się od 600 do 28 500 nm, natomiast skomplikowaną konstrukcję można podzielić na trzy główne komponenty:



Moduł optyczny

Zbieranie obrazu do instrumentów naukowych dzięki zwierciadłom, strukturom oraz systemom wspomagającym

Moduł naukowy

Przepływ danych ze znajdujących się wewnątrz modułów instrumentów naukowych
Zarządzanie środowiskiem termalnym teleskopu
Kamera bliskiej podczerwieni (NIRCam)
Spektrograf bliskiej podczerwieni (NIRSpec)
Kamera i spektrograf średniej podczerwieni (MIRI)
Kamera precyzyjnego naprowadzania wraz z bezszczelinowym spektrografem bliskiej podczerwieni (FGS/NIRISS)

Moduł kosmiczny

Zasilanie (ang. Electrical Power Subsystem)
Kontrola orientacji (ang. Attitude Control Subsystem)
Komunikacja (ang. Communication Subsystem)
Kontrola i przepływ danych (ang. Command and Data Handling Subsystem)
Napęd (ang. Propulsion Subsystem)
Kontrola termiczna (ang. Thermal Control Subsystem)

    Przedstawiony na grafikach koncepcyjnych, w przestrzeni kosmicznej teleskop Jamesa Webba prezentuje się niczym malutki okruch wewnątrz ogromnego Wszechświata, jednak w rzeczywistości jest to monstrualny kolos, który w przybliżeniu waży tyle samo co szkolny autobus, zaś rozmiarem przypomina kort tenisowy. Średnica lustra głównego wysokością może równać się z typowym domem rodzinnym, natomiast osłona przeciwsłoneczna przypominająca latawiec, dzięki odpowiedniemu kształtowi odpowiedzialnemu za odprowadzanie ciepła do boków oraz pięciu warstwom ochronnym z kaptonu, skutecznie izoluje zimną stronę teleskopu od energii cieplnej Słońca, Ziemi i Księżyca, pozwalając na jego pracę w warunkach poniżej -235 °C. Jeżeli chcielibyśmy uzyskać podobną ochronę przed Słońcem np. podczas opalania na plaży, musielibyśmy zaopatrzyć się w krem o wskaźniku SPF wynoszącym aż milion!


Parametry

Wartość

Masa całkowita
6 200 kg
Wymiary
20,2 m x 14,2 m
Typ teleskopu
Teleskop Korscha
Masa lustra głównego
705 kg
Liczba segmentów lustra głównego
18
Średnica lustra głównego
6,5 m
Długość ogniskowej
131,4 m
Powierzchnia zbierająca
25,4 m2
Pole widzenia (FOV)
166' x 166'
Zakres obserwacji fal
Od 600 do 28 500 nm
Moc
2 000 W
Temperatura pracy teleskopu
< 50 K

Orbita halo

    Dokładnie w Boże Narodzenie 2021 r. na terenie Gujańskiego Centrum Kosmicznego (Kourou, Gujana Francuska) doszło do startu rakiety Ariane 5, która dzięki odpowiedniej sile ciągu, wyniosła złożony niczym gigantyczne origami Teleskop Jamesa Webba w przestrzeń kosmiczną. Pokonując około 1,5 mln km, po trwającej ponad miesiąc podróży, 24 stycznia 2022 r. JWST znalazł się na docelowej orbicie, w pobliżu punktu libracyjnego L2.

    Punkty Lagrange’a – nazwane tak na cześć ich odkrywcy Josepha Lagrange’a, to 5 charakterystycznych miejsc w przestrzeni, umożliwiających próbnemu ciału o znikomej masie (np. Teleskopowi Jamesa Webba), pozostać w spoczynku względem oddziałującego grawitacyjnie układowi dwóch ciał (w tym przypadku Słońca i Ziemi). Dzięki temu są one bardzo przydatne do zmniejszania ilości paliwa potrzebnego do utrzymania odpowiedniej pozycji.


   W przypadku specjalnie „zaprojektowanej” orbity halo wokół punktu libracyjnego L2 oprócz minimalizowania liczby koniecznych manewrów teleskopu, pozwala ona również na skuteczne blokowanie ciepła pochodzącego od Słońca, Ziemi a nawet Księżyca. Tym sposobem wysoko wrażliwa optyka teleskopu nie doświadcza zakłóceń spowodowanych energią termiczną, skupiając swoją uwagę na badaniach pierwotnych gwiazd i galaktyk w podczerwieni.

Ciąg dalszy nastąpi ...

   Tematyka budowy jak i same obserwacje zarejestrowane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba z pewnością na przestrzeni lat przyniosą jeszcze całą masę stworzonych prac naukowych, artykułów czy filmów dokumentalnych. Już teraz możemy podziwiać pierwsze fenomenalne fotografie kosmosu takie jak Mgławica Carina czy Kwintet Stephana. Ten stosunkowo krótki materiał miał na celu jedynie przybliżyć wszystkim „ciekawskim” istotę fenomenu najnowocześniejszego teleskopu kosmicznego, którego misja planowo ma potrwać od 5 do 10 lat.

    Pokrótce myślę, że warto również wspomnieć o ludziach bez których pomysłowości oraz zaangażowania tak zaawansowane technologicznie urządzenie z pewnością by nie powstało. Tysiące naukowców, inżynierów oraz techników z 14 krajów, łącznie, spędzili ponad 40 milionów godzin pracy po to aby znaleźć kolejne odpowiedzi na nieustannie zadawane przez człowieka pytanie „Co tam jest?”. Miejmy nadzieję, że już niedługo będzie nam dane się tego dowiedzieć.


    Na zakończenie, wszyscy Astromaniacy, którzy dotarli do końca, u dołu tego materiału znajdą po prawej stronie fantastyczny prezent. Specjalnie przygotowany w wysokiej rozdzielczości „Kosmiczny plakat” do wydrukowania, przedstawiający poruszoną tematykę wraz z jej wszystkimi zagadnieniami!

Autor: Wojciech Ciecierski/Źródła: Urania - Postępy Astronomii (Numer 6/2021) - „Podczerwone okno na Wszechświat”, „Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba”/NASA - „Who is James Webb” [Link]/NASA - „James Webb Space Telescope Launch Media Kit” [Link].

| Kosmiczny plakat