Удивителният космически телескоп на НАСА ще надникне 13,7 милиарда години в миналото

След почти четвърт век и няколко закъснения, космическият телескоп Джеймс Уеб от 9,6 милиарда долара е в началото на изстрелването през 2021 г.

Удивителният космически телескоп на НАСА ще надникне 13,7 милиарда години в миналото

Това е гледка от научнофантастичен роман-извисяваща се кула от шестоъгълни златни огледала на върха на масивен петслоен сребърен слънчев щит и кръгъл автобус с космически кораби. Полирани с точност до нанометри, огледалата са пред квартет от сложни инструменти, достатъчно чувствителни, за да дешифрират извънземната атмосфера и да надникнат в зората на времето.



Тъй като последният от завършените компоненти пристигна от базите на НАСА в цялата страна през август миналата година, 14 000-lb. Космическият телескоп Джеймс Уеб (JWST) се събра в чиста пещериста стая в космическия парк Northrop Grumman в Редондо Бийч, Калифорния. От гледката на палубата за наблюдение, единствената индикация за нейната четириетажна височина са миниатюрни инженери, облечени в бели гащеризони, които се мятат около основата й. Това е първият път, когато пресата - поканена в края на миналия месец за брифинг за следващите стъпки на мисията - видя напълно събраната обсерватория.

През последните няколко години работихме на две половини. До лятото на миналата година те бяха в много дълъг годеж и се ожениха, смее се Скот Уилоби, мениджър на програмата JWST в Northrop Grumman. Събрахме двете половини, за да създадем обсерватория. Празнуваме този успех.



След 24 години и много забавяния, мисията от 9,6 милиарда долара навлиза в последната си година на ощипвания и тестове, преди телескопът да бъде изпратен в Космическия център на Гвиана във Френска Гвиана за изстрелване през март 2021 г. Пътуването е ангажирало хиляди учени и инженери от 24 държави в три космически агенции - НАСА, Канадската космическа агенция и Европейската космическа агенция. Той е построен в няколко съоръжения в САЩ, с фокус на дейности в Northrop Grumman и Центъра за космически полети Goddard в Greenbelt, Мериленд.

така играеш играта



В орбита на 1 милион мили от Земята, JWST ще надникне на около 13,7 милиарда години в миналото, част от секундата (или 100 милиона години от координатите на Земята) след Големия взрив, тъй като Вселената премина от състояние на тъмна плазма към образуване на първата светлина , звезди и галактики. Той също така ще анализира атмосферния състав на по -малки скалисти екзопланети, обикалящи около други звезди, за да определи тяхното гостоприемство към живота.

Откъде идваме и дали сме сами, е всеобхватната мисия, казва Уилоуби. Никога не сме виждали образувана звезда, която не е продукт на взривена звезда. Какво накара „бучката“ да се събере и да запали първите звезди? Всеки път, когато си мислите, че знаете нещо, искате да го докажете, за да видите всъщност как се случва.



[Изображение: НАСА]

В началото вселената за новородени беше предимно водород и хелий - преди еони на слънчево сливане да произведат изобилието от други елементи, открити днес. Звездите бяха 300 пъти по -големи от Слънцето и са живели само няколко милиона години, преди да умрат в гигантски свръхнови. Телескопът е проектиран да улавя следи от инфрачервена светлина от тези експлозии, които, когато бъдат анализирани, ще разкажат на учените от какво са направени и средата, в която са се образували. Следващата глава на Вселената измерване на космическата топлина от Големия взрив , който спечели Джон Матер и Джордж Смут Нобелова награда за физика през 2006 г.

Откъде идва светлината? Как стигнахме от Големия взрив до нас? казва Матер, старши учен по проекти на JWST в Годард. Хората са очаровани от историята, от родословието си. Те искат да знаят „Къде отиваме?“ Така че това е нашето малко, за да разберем някои от тях.



Концепция на художника за седемте скалисти екзопланети в системата TRAPPIST-1, разположени на 40 светлинни години от Земята. Астрономите ще наблюдават тези светове с космическия телескоп Джеймс Уеб.
[Изображение: НАСА и JPL/Caltech]

В голям мащаб намирането на подобни на Земята светове е първата стъпка към осигуряване на човешко оцеляване, след като нашето слънце умре след 5 милиарда години-ако първо не направим това сами. По -скоро може да предложи улики за нашия земен произход и променящото се местообитание.

какво означава 333

Един от начините да разберете по -добре Земята е да намерите други места и да разберете как са работили, казва Матер. Все още можем да намерим следи от нашата геоложка история, но това ви разказва само една история. Така че, ако можете да кажете: „Каква беше Венера, преди да стане оранжерия?“ Или „Какъв беше Марс, преди да изсъхне?“ Тогава това ще ви даде някакъв намек за това, което може да се наложи да направите тук, на Земята, за да запазите околната среда. Тези други места са миниатюрна лаборатория за разбиране.

Безпрецедентни предизвикателства

Когато инженерите започнаха да обмислят JWST през 1996 г., те се нуждаеха от 10 технологии, които все още не съществуват. Те включват огледало с диаметър 21,3 фута, което трябваше да бъде разбито на 18 отделни части, но да работи като единица, и пет слънчеви щита с размер на тенис корта, за да блокират слънчевата радиация и да охладят температурата на телескопа до -388˚F. Сглобката в своята цялост трябваше да се сгъне, за да се побере в ракетния обтекател Ariane с диаметър 16 фута и да бъде програмирана да се разгърне на милион мили. Това също изисква ново поколение детектори, по -чувствителни от предишните.

Много по -научни изследвания могат да бъдат направени за по -малко време.

Бил Окс, Център за космически полети в Годард Наблюдението на обекти от милиарди светлинни години далеч изисква огледало, достатъчно голямо, за да събира светлина от много слаби обекти. Огледалото JWST е с размер седем Космическият телескоп Хъбъл огледала и ще вижда обекти стотици пъти по -слаби от сегашните наземни и космически телескопи.

Хъбъл беше 25 000 паунда и имаше една оптика от 2,4 метра (7,87 фута). Уебът е 14 000 паунда за оптика от 6 метра и половина (21,3 фута), казва Уилоуби. Така че ние увеличихме оптиката със седем пъти по -голяма площ за събиране, с половината тегло, която се вписва в ракетата.

Вместо много по -тежко стъкло, огледалото е направено от берилий, рядък метал, който е по -здрав от стомана, но по -лек от алуминий. След това се покрива в микроскопично тънък слой от 24K злато, което отразява 98% от инфрачервената светлина. Това е злато на стойност няколко сватбени групи, казва Бил Окс, мениджър на проекти на JWST в Goddard.

[Изображение: НАСА]

Първичното огледало фокусира инфрачервената светлина върху вторичното огледало, което я излъчва обратно към четири научни инструмента зад огледалото, анализирайки обхвата на инфрачервените дължини на вълните, дигитализирайки информацията и я излъчва обратно на Земята. Един от тези инструменти, близо до инфрачервения спектрограф, притежава хиляди специално проектирани програмируеми микрозатвори, с отвори с размер на няколко човешки косми. Капаците могат по -добре да намалят обема на входящата светлина и да извършват едновременни наблюдения.

Други спектроскопични инструменти са летели в космоса и преди, но никой не е имал способността да позволява наблюдение с висока разделителна способност до 100 обекта едновременно, казва Окс. Това означава, че за по -малко време могат да се направят много повече научни изследвания.

Поддържане на хладно

Инструментите на JWST ще измерват близкия до средния инфрачервен спектър, където дължините на вълните преминават от .6 до 28 микрона, съответно граничещи с червения цвят и микровълните. Инфрачервеният ни позволява да виждаме по -далеч във Вселената (по този начин, по -назад във времето), защото Вселената се разширява, създавайки ефект на червено изместване. Обектите, отдалечаващи се от нас, излъчват по -дълги електромагнитни дължини на вълните, които се появяват в червената и инфрачервената част на спектъра.

За да се определи химическият състав на атмосферата на екзопланета, бордовите спектрографи ще измерват флуктуациите на инфрачервената светлина - съответстващи на различни елементи - от звездите родители, докато техните планети пресичат своите пътища.

Тъй като инфрачервените камери са по -чувствителни към радиация (т.е. светлина и топлина), телескопът трябва да бъде достатъчно далеч от слънцето и отразената му светлина върху Земята и Луната и да има щит, който блокира слънчевите лъчи и поддържа телескопа достатъчно студено, за да се избегнат смущения от инфрачервеното лъчение, идващо от телескопа.

От студената страна оптиката работи при -388˚F, защото там те събират инфрачервената светлина, казва Уилоуби. Горещата страна, където е автобусът и слънцето грее, достига 185˚F. Така че създаваме почти 600˚F-диференциал. И забавната статистика е, че ако това беше слънцезащитен крем, това би било 1 милион SPF.

Криоохладителят допълнително охлажда научните инструменти до -448˚F. Тези детектори са толкова чувствителни, че всъщност трябва да станем по -студени от това, което можем да направим пасивно, казва Окс.

Необходим костюм на зайче

Подобно на марсохода Mars 2020, конструкцията на JWST изисква девствените условия на чиста стая без частици. Инженерите носят костюми на зайчета - бели полиестерни гащеризони, обувки, качулки, хирургически маски и ръкавици от латекс. Огледалата са полирани с точност до 20 нанометра от повърхностната фигура, по -малка от размера на единична бактерия. Повърхността е толкова гладка, защото всяко издухване би накарало фотона да се отклони в друга посока, казва Уилоуби. Трябва да се притеснявате за всяка прашинка, какво носят хората и дори одеколони и парфюми. Фактът, че можете да ги помиришете, означава, че отделят атоми и молекули. Не искаме тези молекули да се прикрепят към слънчевия щит или огледалата.

10 + 10 + 10 + 10

С приключването на последните термични тестове - подлагане на оптиката, щита и шината на температурни крайности - най -голямото предизвикателство през последната година беше свързването на оптиката със слънцезащитния щит. Въпреки че отне само един ден, за да се постигне, това е резултат от години на планиране и практика.

Имаме инженери, които току -що създадоха оборудване, което помогна за разгръщането на нещата, казва Уилоуби. Оказва се, че работата им е толкова трудна, колкото изграждането на нещо, което влиза в космоса.

Гравитацията е може би най -трудното нещо, с което се справяме в момента.

Скот Уилоуби на Northrop Grumman Част от предизвикателството беше възпроизвеждане на безтегловност или отчитане на гравитацията. Веднъж в орбита, оптиката и слънчевият щит ще разделят 4 фута, за да позволят на щита да се разгърне. Но присъединяването им към Земята включва поставяне на 8000 паунда телескоп на шест стълба върху щитовете. Те успяха да симулират в рамките на 70 паунда нулева гравитация чрез сложен танц на двигатели, таванни ролки и тежести на стената.

Гравитацията е може би най -трудното нещо, с което се справяме в момента, казва Уилоби. В космоса ще плава в нула G. Така че, когато кацнахме оптиката отгоре, тя трябваше да докосне ъглите на 6 -те фута и да бъде позиционирана в рамките на 0,004 инча. И след като излезете извън три, е трудно да направите самолет.

Екипът тренира половин година с модели и лазерни тракери, преди да се опита с истинската сделка. Това вероятно е едно от най -сложните внедрявания, които направихме, добавя той. Беше перфектно. Всъщност беше красиво.

Годината напред

През следващата година екипите ще администрират около 400 задачи, преди да напуснат чистата стая. Те включват проверка на разполагането на оптиката и слънчевия щит, управление на обсерваторията чрез електрически и екологични инспекции и симулиране на акустиката и вибрациите при изстрелването и космическия полет. Оттам JWST ще направи двуседмичното пътуване през Панамския канал до мястото за изстрелване, затворено в контейнер, контролиран от околната среда. Веднъж там инженерите ще прекарат 72 дни, изпълнявайки още 800 задачи, преди най -накрая да избухне. (Стартирането близо до екватора използва инерцията на въртенето на Земята, за да я катапултира в космоса, като по този начин изисква по -малко ракетно гориво.)

Междувременно, Научен институт за космически телескопи (STSI) в университета „Джон Хопкинс“ в Балтимор, оперативният център за JWST, подрежда астрономията, която ще се изучава. Тъй като първите шест месеца на обсерваторията вече са насрочени, STSI ще запълни останалата част от първата си година, като избере от очакваните 1500 научни предложения. Институтът ще отправя искания за нови предложения всяка година и ще архивира входящи изображения за съответните научни екипи.

Не всички открития на JWST са в бъдеще. Някои от нейните технологии вече са намерили земни приложения. Например, механизъм за фокусиране в офталмологичните микроскопи е изобретен от инженерите, разработващи телескопните огледала. Така че има връзка, която никога не виждате, казва Матер.

Веднъж в орбита

Ще са необходими почти три седмици, за да може корабът да достигне орбита - позиция, наречена втора лагранжева точка , или L2 - където комбинираните гравитационни сили на Земята и Слънцето позволяват на даден обект да върти слънцето със същото темпо като Земята. Докато са на път, наземните контролери ще наредят на 178 устройства, които го държат заедно за стартиране, да отворят и да започнат програмираното разгръщане на сондата.

не ме гази змия

Тези от вас, които покриха кацащия апарат на Марс, където казаха, че са имали „седемте минути и половина ужас“? казва Окс, позовавайки се Драматичното тийзър видео на Curiosity . На шега го нарекох „две седмици и половина силна тревожност“.

Веднъж на орбита и през следващите шест месеца, около 500 различни дейности ще бъдат ангажирани в космическия кораб, научните инструменти и телескопа, за да го направят оперативен. И тогава науката може да започне.

В крайна сметка JWST ще носи достатъчно хидразиново гориво, за да може да работи до 14 години при внимателно управление. Екип в Годард работи върху роботизирана мисия за зареждане с гориво, която може да удължи допълнително живота на обсерваторията.

Това е наистина вълнуващ период от време, защото всичко идва заедно, казва Окс. Очакваме с нетърпение стартирането на науката. Всички тези хора са работили заедно за този период от време. За мен работят хора, които започнаха, когато децата им бяха малки, а сега тези деца завършват колеж.