Med hver ekstra centimeter blænde, hvert ekstra sekund af observationstid og hvert ekstra atom af atmosfærisk rod fjernet fra teleskopets synsfelt, kan universet ses bedre, dybere og klarere.
25 år med Hubble
Da Hubble-teleskopet begyndte at fungere i 1990, indledte det en ny æra inden for astronomi - rummet. Der var ikke flere kampe med atmosfæren, ingen mere bekymringer om skyer eller elektromagnetisk flimmer. Det eneste, der krævedes, var at placere satellitten til målet, stabilisere den og indsamle fotoner. Inden for 25 år begyndte rumteleskoper at dække hele det elektromagnetiske spektrum, hvilket gjorde det muligt for første gang at se universet ved enhver lysbølgelængde.
Men efterhånden som vores viden er steget, er vores forståelse af det ukendte også blevet større. Jo længere vi ser ind i universet, jo dybere ser vi fortiden: den begrænsede tid siden Big Bang, kombineret med lysets begrænsede hastighed, giver en grænse for, hvad vi kan observere. Desuden virker udvidelsen af rummet i sig selv imod os ved at strække bølgelængdenstjernernes lys, når det rejser gennem universet til vores øjne. Selv Hubble-rumteleskopet, som giver os det dybeste, mest betagende billede af universet, vi nogensinde har opdaget, er begrænset i denne henseende.
Ulemper ved Hubble
Hubble er et fantastisk teleskop, men det har en række grundlæggende begrænsninger:
- Kun 2,4 m i diameter, hvilket begrænser opløsningen.
- På trods af at den er dækket af reflekterende materialer, udsættes den konstant for direkte sollys, som varmer den op. Det betyder, at den på grund af termiske effekter ikke kan observere lysbølgelængder større end 1,6 µm.
- Kombinationen af begrænset blænde og de bølgelængder, det er følsomt over for, betyder, at teleskopet kan se galakser, der ikke er ældre end 500 millioner år.
Disse galakser er smukke, fjerne og eksisterede, da universet kun var omkring 4 % af sin nuværende alder. Men det er kendt, at stjerner og galakser eksisterede endnu tidligere.
For at se dette skal teleskopet have en højere følsomhed. Det betyder at flytte til længere bølgelængder og lavere temperaturer end Hubble. Det er grunden til, at James Webb-rumteleskopet bliver bygget.
Prospects for Science
James Webb Space Telescope (JWST) er designet til at overvinde netop disse begrænsninger: med en diameter på 6,5 m opsamler teleskopet 7 gange mere lys end Hubble. Han åbnerhøjopløsnings-ultraspektroskopi fra 600 nm til 6 µm (4 gange den bølgelængde, som Hubble kan se), for at foretage observationer i det mellem-infrarøde område af spektret med højere følsomhed end nogensinde før. JWST bruger passiv køling til Plutos overfladetemperatur og er i stand til aktivt at køle melleminfrarøde instrumenter ned til 7K.
Han vil tillade:
- observer de tidligste galakser, der nogensinde er dannet;
- se gennem neutral gas og undersøg de første stjerner og genioniseringen af universet;
- udfør spektroskopisk analyse af de allerførste stjerner (population III) dannet efter Big Bang;
- få fantastiske overraskelser som opdagelsen af de tidligste supermassive sorte huller og kvasarer i universet.
JWSTs niveau af videnskabelig forskning er ulig noget tidligere, og derfor blev teleskopet valgt som NASA's flagskibsmission i 2010'erne.
Videnskabeligt mesterværk
Fra et teknisk synspunkt er det nye James Webb-teleskop et sandt kunstværk. Projektet er nået langt: Der har været budgetoverskridelser, forsinkelser i tidsplanen og fare for, at projektet bliver aflyst. Efter den nye ledelses indgriben ændrede alt sig. Projektet fungerede pludselig som smurt, midler blev tildelt, fejl, fejl og problemer blev taget i betragtning, og JWST-teamet begyndte at passe ind ialle deadlines, tidsplaner og budgetrammer. Lanceringen af enheden er planlagt til oktober 2018 på Ariane-5-raketten. Holdet holder sig ikke kun til tidsplanen, de har ni måneder tilbage til at tage højde for alle uforudsete hændelser for at sikre, at alt er pakket og klar til den dato.
James Webb-teleskopet består af 4 hoveddele.
Optisk blok
Indeholder alle spejle, hvoraf de atten primære segmenterede guldbelagte spejle er de mest effektive. De vil blive brugt til at indsamle fjernt stjernelys og fokusere det på instrumenter til analyse. Alle disse spejle er nu klar og fejlfri, lavet lige efter tidsplanen. Når de er samlet, vil de blive foldet sammen til en kompakt struktur, der skal opsendes mere end 1 million km fra Jorden til L2 Lagrange-punktet og derefter automatisk udrulles for at danne en bikagestruktur, der vil opsamle lys med ultralang rækkevidde i de kommende år. Dette er en virkelig smuk ting og det vellykkede resultat af mange specialisters titaniske indsats.
Nær-infrarødt kamera
Webb er udstyret med fire videnskabelige instrumenter, der er 100 % komplette. Teleskopets hovedkamera er et nær-IR-kamera, der spænder fra synligt orange lys til dybt infrarødt lys. Det vil give hidtil usete billeder af de tidligste stjerner, de yngste galakser, der stadig er under dannelse, de unge stjerner fra Mælkevejen og nærliggende galakser, hundredvis af nye objekter i Kuiperbæltet. Hun eroptimeret til direkte billeddannelse af planeter omkring andre stjerner. Dette vil være det vigtigste kamera, der bruges af de fleste observatører.
Nær infrarød spektrograf
Dette værktøj adskiller ikke kun lys i separate bølgelængder, men er i stand til at gøre dette for mere end 100 separate objekter på samme tid! Dette instrument vil være en universel Webba-spektrograf, der kan fungere i 3 forskellige spektroskopitilstande. Det blev bygget af European Space Agency, men mange komponenter, herunder detektorer og et multi-gate batteri, blev leveret af Space Flight Center. Goddard (NASA). Dette apparat er blevet testet og er klar til installation.
Mid-infrarødt instrument
Enheden vil blive brugt til bredbåndsbilleddannelse, det vil sige, at den vil producere de mest imponerende billeder fra alle Webb-instrumenter. Fra et videnskabeligt synspunkt vil det være mest nyttigt til måling af protoplanetariske skiver omkring unge stjerner, måling og billeddannelse af Kuiperbælteobjekter og støv opvarmet af stjernelys med hidtil uset præcision. Det vil være det eneste instrument, der bliver kryogenisk afkølet til 7 K. Sammenlignet med Spitzer-rumteleskopet vil dette forbedre resultaterne med en faktor på 100.
Slidless Near-IR Spectrograph (NIRISS)
Enheden giver dig mulighed for at producere:
- vidvinkelspektroskopi i de nære infrarøde bølgelængder (1,0 - 2,5 µm);
- grism-spektroskopi af ét objekt isynligt og infrarødt område (0,6 - 3,0 mikron);
- blændemaskerende interferometri ved bølgelængder på 3,8 - 4,8 µm (hvor de første stjerner og galakser forventes);
- bredområdeoptagelse af hele synsfeltet.
Dette instrument blev skabt af den canadiske rumfartsorganisation. Efter at have bestået kryogen testning vil den også være klar til integration i teleskopets instrumentrum.
Solskjold
Rumteleskoper er endnu ikke blevet udstyret med dem. Et af de mest skræmmende aspekter ved hver lancering er brugen af helt nyt materiale. I stedet for aktivt at afkøle hele rumfartøjet med et engangs-forbrugskølevæske, bruger James Webb-teleskopet en helt ny teknologi, et 5-lags solskjold, der vil blive indsat til at reflektere solstråling fra teleskopet. Fem 25-meter ark vil blive forbundet med titanium stænger og installeret, efter at teleskopet er indsat. Beskyttelse blev testet i 2008 og 2009. De fuldskalamodeller, der deltog i laboratorietestene, gjorde alt, hvad de skulle her på Jorden. Dette er en smuk nyskabelse.
Det er også et utroligt koncept: ikke bare at blokere lyset fra Solen og placere teleskopet i skygge, men at gøre det på en sådan måde, at al varmen udstråles i den modsatte retning af teleskopets orientering. Hvert af de fem lag i rummets vakuum vil blive kolde, når det bevæger sig væk fra det ydre, som vil være lidt varmere end temperaturen. Jordens overflade - omkring 350-360 K. Temperaturen i det sidste lag bør falde til 37-40 K, hvilket er koldere end om natten på Plutos overflade.
Derudover er der taget betydelige forholdsregler for at beskytte mod det barske miljø i det dybe rum. En af de ting, man skal bekymre sig om her, er små småsten på størrelse med småsten, sandkorn, støvpletter og endnu mindre, der flyver gennem det interplanetariske rum med hastigheder på titusinder eller endda hundredtusindvis af kilometer i timen. Disse mikrometeoritter er i stand til at lave små, mikroskopiske huller i alt, hvad de møder: rumfartøjer, astronautdragter, teleskopspejle og mere. Hvis spejlene kun får buler eller huller, hvilket reducerer mængden af "godt lys" til rådighed en smule, så kan solafskærmningen rives fra kant til kant, hvilket gør hele laget ubrugeligt. En genial idé blev brugt til at bekæmpe dette fænomen.
Hele solafskærmningen er blevet opdelt i sektioner på en sådan måde, at hvis der er et lille hul i en, to eller endda tre af dem, vil laget ikke rive yderligere, som en revne i forruden på en bil. Opdeling vil holde hele strukturen intakt, hvilket er vigtigt for at forhindre nedbrydning.
Rumfartøjer: monterings- og kontrolsystemer
Dette er den mest almindelige komponent, som alle rumteleskoper og videnskabelige missioner har. Hos JWST er det unikt, men også helt klar. Det eneste, der var tilbage for projektets hovedentreprenør, Northrop Grumman, var at færdiggøre skjoldet, samle teleskopet og teste det. Maskinen vil være klar tillanceres om 2 år.
10 års opdagelse
Hvis alt går rigtigt, vil menneskeheden stå på tærsklen til store videnskabelige opdagelser. Sløret af neutral gas, der hidtil har sløret udsynet til de tidligste stjerner og galakser, vil blive elimineret af Webb'ens infrarøde egenskaber og dens enorme lysstyrke. Det vil være det største, mest følsomme teleskop, der nogensinde er bygget, med et enormt bølgelængdeområde på 0,6 til 28 mikron (det menneskelige øje ser 0,4 til 0,7 mikron). Det forventes at give et årti med observationer.
Ifølge NASA vil levetiden for Webb-missionen være fra 5,5 til 10 år. Det er begrænset af mængden af drivmiddel, der er nødvendig for at opretholde kredsløb og levetiden for elektronikken og udstyret i det barske miljø i rummet. James Webb Orbital Telescope vil bære brændstof i hele 10-års perioden, og 6 måneder efter opsendelsen vil der blive udført flystøttetest, hvilket garanterer 5 års videnskabeligt arbejde.
Hvad kunne gå g alt?
Den vigtigste begrænsende faktor er mængden af brændstof om bord. Når den slutter, vil satellitten drive væk fra L2 Lagrange-punktet og gå ind i en kaotisk bane i umiddelbar nærhed af Jorden.
Kom med dette, andre problemer kan ske:
- nedbrydning af spejle, hvilket vil påvirke mængden af opsamlet lys og skabe billedartefakter, men vil ikke skade den videre drift af teleskopet;
- fejl i en del af eller hele solskærmen, hvilket vil føre til en stigningrumfartøjets temperatur og indsnævre det anvendelige bølgelængdeområde til det meget nære infrarøde (2-3 µm);
- Mid-IR instrumentets kølesystem fejler, hvilket gør det ubrugeligt, men påvirker ikke andre instrumenter (0,6 til 6 µm).
Den sværeste test, der venter James Webb-teleskopet, er opsendelsen og indsættelsen i en given bane. Disse situationer blev testet og gennemført med succes.
Revolution i videnskab
Hvis James Webb-teleskopet er operationelt, vil der være nok brændstof til at drive det fra 2018 til 2028. Derudover er der potentialet for tankning, hvilket kan forlænge teleskopets levetid med endnu et årti. Ligesom Hubble har været i drift i 25 år, kunne JWST levere en generation af revolutionær videnskab. I oktober 2018 vil Ariane 5 løfteraket sende i kredsløb om astronomiens fremtid, som efter mere end 10 års hårdt arbejde er klar til at begynde at bære frugt. Fremtiden for rumteleskoper er næsten her.
