Teleskop Jamesa Webba już za tydzień pokaże najbardziej odległe obiekty we Wszechświecie2022-07-04.
Nowe okno na Wszechświat już otwarte. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostarczy przełomowych danych naukowych, na które czekają tysiące naukowców na całym świecie.
NASA we współpracy z ESA (Europejską Agencją Kosmiczną) i CSA (Kanadyjską Agencją Kosmiczną), opublikuje pierwsze kolorowe obrazy i dane spektroskopowe z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba we wtorek 12 lipca o godzinie 16:30 czasu polskiego. Naukowcy NASA ujawnili, że jedno ze zdjęć wykonanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ukaże najdalsze obiekty kiedykolwiek zarejestrowane przez człowieka. Zestaw danych będzie zawierać również zdjęcia obiektów Układu Słonecznego oraz dane na temat atmosfer planet pozasłonecznych.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba rozpoczął badania naukowe. Trwające wiele godzin ekspozycje zarejestrowały najbardziej odległe obiekty we Wszechświecie. Pierwsze obrazy z teleskopu zostały przesłane na Ziemię i są obecnie przetwarzane przez naukowców i grafików. Największe kosmiczne obserwatorium już dzisiaj przewyższa oczekiwania jego konstruktorów. Uzyskane obrazy ukazują gwiazdy i galaktyki z rozdzielczością nieosiągalną przez żaden inny teleskop a jego zasięg jest jeszcze większy, niż zasięg Teleskopu Kosmicznego Hubble’a.
,, Cała społeczność astronomów na świecie oczekuje pierwszych wyników pracy Teleskopu Jamesa Webba.
Robert Szaj, Dyrektor TVP Nauka
- Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest przełomowym urządzeniem. Największe lustro wyniesione w przestrzeń kosmiczną zbiera ogromne ilości światła i umożliwia dostrzeżenie najsłabszych i najbardziej odległych obiektów. Teleskop Jamesa Webba jest naszym nowym oknem na Wszechświat. – dodaje Robert Szaj.
Jak będą wyglądać zdjęcia z Teleskopu Jamesa Webba?
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba prowadzi obserwacje przede wszystkim w bliskiej i średniej podczerwieni. Podczerwień to światło o długości fali większej niż widzialne odbierane przez ludzkie oko. Światło z odległych galaktyk i gwiazd dociera do nas głównie w formie podczerwieni. Chmury pyłu i gazów, które są barierą dla promieniowania widzialnego, są przezroczyste dla podczerwieni. Dzięki temu Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba swoimi instrumentami będzie w stanie zajrzeć w głąb gęstych chmur kosmicznego pyłu i obserwować formujące się młode gwiazdy i układy planetarne.
Kamery teleskopu wyposażone są w filtry, które selektywnie przepuszczają promieniowanie o określonej barwie. Naukowcy i graficy wykorzystają sygnał w podczerwieni do stworzenia obrazów w kolorach światła widzialnego. Zespół Teleskopu Jamesa Webba zdradził, że zdjęcia będą niezwykłe i odmienne od obrazów z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.
,, Kiedy patrzymy na mglisty krajobraz potrafimy dostrzec niewiele, jedynie niewyraźne kształty. Wschodzące Słońce rozprasza mgłę i możemy obserwować krajobraz w pełnym majestacie. Teleskop Jamesa Webba rozproszy dla nas mgłę przesłaniającą Wszechświat.
Thomas Zurbuchen, Dyrektor Naukowy NASA
Najbardziej zaawansowany teleskop kosmiczny w historii osiąga gotowość operacyjną 7 miesięcy po starcie. Każdy z instrumentów Webba został już skalibrowany, przetestowany i otrzymał zielone światło do działania od zespołu inżynierów. Naukowcy przeanalizowali listę obiektów do obserwacji, które zostały wstępnie wybrane i uszeregowane według priorytetów przez międzynarodowy komitet.
,, Zbliżamy się do niesamowicie ekscytującego okresu odkrywania naszego Wszechświata.
Eric Smith, naukowiec programu Teleskopu Jamesa Webba, NASA
Polacy pomogli skalibrować Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba
Do pierwszego etapu kalibracji Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba wykorzystano gwiazdę HD84406 w Gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy. Informacji o parametrach gwiazdy dostarczyli polscy astronomowie – Profesor Andrzej Niedzielski z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz odkrywca pierwszych planet pozasłonecznych - Profesor Aleksander Wolszczan z Pennsylvania State University w USA.
Naukowcy zdecydowali się na wybranie gwiazdy HD84406 ze względu na jej izolację na niebie. W jej pobliżu nie znajduje się żadna inna jasna gwiazda, która mogłaby zakłócić proces kalibracji luster teleskopu. HD 84406 jest jedną z gwiazd badanych w ramach pensylwańsko-toruńskiego projektu poszukiwań planet prowadzonego przez polskich astronomów.
,, Jest to olbrzym typu widmowego G5. Można dostrzec ja już niewielką lornetką w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy, ale jest niestety niewidoczna gołym okiem.
Profesor Andrzej Niedzielski, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu
Gwiazda HD84406 ma temperaturę powierzchni wynoszącą około 4,5 tysiąca stopni Celsjusza, masę o połowę większą niż masa Słońca i promień 4,5 razy większy niż Słońce.
Kosmiczne origami
Przestrzeń ładunkowa rakiety Ariane 5 firmy Arianespace, która wyniosła Teleskop Jamesa Webba w przestrzeń kosmiczną, jest za mała, żeby pomieścić lustro główne teleskopu. Dlatego inżynierowie musieli opracować nowe rozwiązania techniczne umożliwiające transport instrumentu w Kosmos. Zaprojektowali konstrukcję , w której zarówno lustro jak i osłona termiczna obserwatorium składają się niczym origami. W ten sposób w „bagażowym luku” rakiety zmieściło się urządzenie większe niż jakiekolwiek do tej pory wynoszone w przestrzeń kosmiczna przez Ariane 5.
Niezwykłe lustro Teleskopu Jamesa Webba
Pokryte złotem 6,5 - metrowe lustro, składające się z 18 mniejszych części to największy tego typu instrument, jaki znajduje się w przestrzeni kosmicznej. Wymiary nie pozwalały na transport w pełni rozłożonego teleskopu, dlatego konieczne było opracowanie konstrukcji zdolnej do rozłożenia się i kalibracji już w miejscu prowadzenia obserwacji.
,, Lustro główne to cud techniki. Lekkie lustra, powłoki, siłowniki i mechanizmy, elektronika i osłony termiczne po całkowitym rozłożeniu tworzą jeden, precyzyjny instrument, który będzie naprawdę niezwykły.
Thomas Zurbuchen, Dyrektor Naukowy NASA
Za rozłożenie lustra, w taki sposób, by było ono w pełni funkcjonalne, odpowiadał zespół 132 siłowników i silników. Właściwe rozmieszczenie poszczególnych elementów w Kosmosie jest kluczowe dla procesu dostrajania elementów w jeden funkcjonalny instrument.
Szkielet lustra zbudowany jest z niezwykle wytrzymałego i lekkiego włókna węglowego. Samo lustro wykonano z berylu. Jest to niezwykle lekki i twardy metal, zachowujący właściwości mechaniczne w niskich temperaturach. Każdy z elementów zwierciadła był kilkukrotnie szlifowany, aby uzyskać idealną gładkość powierzchni. Do pokrycia lustra wykorzystano złoto, a dokładnie niewiele ponad 40 gramów tego metalu szlachetnego, które odbija światło podczerwone z wysoką skutecznością.
,, Mogę zagwarantować, że wyciśniemy z tej maszyny wszystkie dane naukowe, jakie tylko możemy.
Thomas Zurbuchen, Dyrektor Naukowy NASA
Osłona termiczna Teleskopu Jamesa Webba
Osłona termiczna Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba działa niczym tarcza. Odbija promieniowanie podczerwone pochodzące od Słońca, Ziemi i Księżyca. Jest niezwykle ważna częścią instrumentu. Bez niej teleskop byłby bezwartościowym instrumentem, „oślepianym” przez ciepło emitowane przez obiekty w Układzie Słonecznym.
Kształt tarczy zbliżony jest do latawca i zapewnia optymalne odprowadzanie ciepła. Osłona jest najbardziej złożonym elementem teleskopu. Jest wykonana z pięciu warstw kaptonu – cienkiej folii pokrytej odbijającą ciepło i światło powierzchnią. Ma za zadanie utrzymywać instrumenty teleskopu w niskiej temperaturze. Łączna powierzchnia osłony to blisko 830 metrów kwadratowych. Za rozłożenie tej skomplikowanej struktury odpowiadało 140 mechanizmów, 70 zawiasów i 8 silników. Do odpowiedniego rozłożenia i napięcia kaptonowej folii użyto 400 metrów liny i 400 krążków linowych.
,, Osłona przeciwsłoneczna jest niezwykła, będzie chronić teleskop podczas tej historycznej misji.
Jim Flynn, kierownik ds. osłony przeciwsłonecznej Teleskopu Jamesa Webba w Northrop Grumman
Chłodzenie Teleskopu Jamesa Webba
Każdy obiekt, którego temperatura jest większa niż temperatura zera absolutnego emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Zjawisko to wynika ze spontanicznych drgań atomów. Im wyższa temperatura, to większa energia, a tym samym krótsza długość fali światła. Gorące obiekty, jak rozgrzany żarnik żarówki czy gwiazdy, emitują promieniowanie głownie z zakresu światła widzialnego. Ciała chłodniejsze świecą głównie w podczerwieni.
Zwierciadła, elementy konstrukcyjne oraz detektory Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba zostały schłodzone do niezwykle niskiej temperatury 7 Kelwinów. To zaledwie 7 stopni więcej niż wynosi zero absolutne. W przeciwnym razie promieniowane podczerwone emitowane przez “rozgrzany” teleskop uniemożliwiałoby prowadzenie obserwacji najbardziej odległych i najchłodniejszych obiektów we Wszechświecie. Teleskop po prostu sam siebie by „oślepił”, podobnie, jak gwałtownie zapalone światło w ciemnym pomieszczeniu oślepia nas.
Schłodzenie czujników teleskopu umożliwiło zminimalizowanie zjawiska zwanego prądem ciemnym. Przepływający przez matryc detektorów prąd elektryczny powoduje wzbudzenie drgań w atomach, co prowadzi do powstawania cyfrowego szumu. Szum zakłóca promieniowanie słabych obiektów zmniejszając czułość i rozdzielczość czujników. Schłodzenie instrumentów pozwala na zminimalizowanie zjawiska prądu ciemnego, a tym samym zwiększa zasięg instrumentu i jego czułość.
Za chłodzenie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba odpowiada wielowarstwowa osłona przeciwsłoneczna oraz aktywne elementy chłodzące. To właśnie praca aparatury schładzającej instrumenty kosmicznego obserwatorium jest głównym czynnikiem ograniczającym jego żywotność. Gdy zapas chłodziwa wyczerpie się, nie będzie możliwe utrzymanie odpowiednio niskiej temperatury czujników teleskopu, a tym samym prowadzenie obserwacji.
Inżynierowie przewidują, że aparatura chłodząca będzie wydajnie pracować przez około 10 lat. Po tym czasie dalsze funkcjonowanie teleskopu będzie niemożliwe. Sposobem na przedłużenie misji kosmicznego obserwatorium może być przeprowadzenie operacji tankowania substancji chłodzącej oraz paliwa dla silników korekcyjnych. Technologia, która ma umożliwić tę operację, jest jednak dopiero w trakcie opracowywania.
Gdzie znajduje się Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba?
Większość satelitów krąży wokół Ziemię na niewielkiej wysokości kilkuset kilometrów. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został wyniesiony tysiące razy dalej – znajduję się około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, czyli 4 razy dalej niż Księżyc. Zrobiono to dlatego, by minimalizować wpływ promieniowania naszej planety na obserwacje odległych obiektów we Wszechświecie.
Impuls silników korekcyjnych z 24 stycznia 2022 roku naprowadził teleskop na orbitę docelową w okolice punktu Lagrange L2. To miejsce równoważenia się grawitacji Ziemi i Słońca. Pozwala to na zachowanie stabilnego położenia, wymagającego jedynie niewielkich, okresowych korekt.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie musiał przeprowadzać korekty kursu, aby utrzymać stabilną pozycję na orbicie. Co około 25 dni naukowcy będą uruchamiać silniki rakietowe obserwatorium. To właśnie ilość paliwa jest jednym z czynników ograniczających „żywotność” teleskopu.
Urządzenia pracujące w przestrzeni kosmicznej są bezustannie narażone na uderzenia mikrometeoroidów. Okruchy skalne wielkości ziaren piasku regularnie bombardują satelity i statki kosmiczne z prędkościami tysięcy kilometrów na godzinę. Między 23 a 25 maja 2022 roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został uderzony przez mikrometeoroid. Jeden z elementów lustra głównego (C3) uległ uszkodzeniu. Zespół inżynierów odpowiedzialny za optykę teleskopu przeprowadził wstępną analizę uszkodzenia. Naukowcy poinformowali, że kolizja mikrometeoroidu nie wpływa na parametry teleskopu, a jego czułość i rozdzielczość pozostaje powyżej oczekiwań.
Zwierciadło Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba zostało zaprojektowane tak, aby właśnie przetrwać uderzenia mikrometeoroidów. Podczas jego budowy przeprowadzono liczne symulacje kolizji i zderzeń w taki sposób, by przewidzieć wszystkie możliwe skutki i konieczne procedury działania w takich przypadkach.
,, Zawsze wiedzieliśmy, że Webb będzie musiał przetrwać warunki kosmiczne, które obejmują […] sporadyczne uderzenia mikrometeoroidów w naszym Układzie Słonecznym.
Paul Geithner, zastępca kierownika technicznego, NASA Goddard
- Zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy Webba z marginesem wydajności — optycznym, termicznym, elektrycznym, mechanicznym — aby zapewnić wykonywanie przez niego swojej ambitnej misji naukowej nawet po wielu latach w kosmosie - dodaje Paul Geithner.
Czy uda się naprawić powstałe uszkodzenie?
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba posiada ruchome elementy lustra głównego. Zestaw siłowników pozwala na przemieszczanie i dostosowywanie kształtu zwierciadeł. Zmieniając położenie uszkodzonego segmentu, inżynierowie mogą wyeliminować część zniekształceń powstałych w wyniku uderzenia mikrometeoroidu. Jednak naukowcy informują, że nie jest możliwe całkowite wyeliminowanie wady uszkodzonego fragmentu lustra.
,, Spodziewaliśmy się, że sporadyczne uderzenia mikrometeoroidów z czasem obniżą wydajność Teleskopu Jamesa Webba.
Lee Feinberg, menedżer ds. Optyki Teleskopu Jamesa Webba, NASA Goddard
- Od początku misji Teleskopu Jamesa Webba miały miejsce cztery mniejsze uderzenia mikrometeoriodów. Uderzenie z maja 2022 roku wyrządziło większe szkody, niż zakładały nasze prognozy. Wykorzystamy zebrane dane, aby zaktualizować analizę wydajności instrumentu. Opracujemy także podejścia operacyjne, aby zapewnić maksymalizację wydajności obrazowania Webba w najlepszym możliwym stopniu przez wiele nadchodzących lat - dodaje Lee Feinberg.
Dlaczego przekładano start Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba?
Prace nad Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba rozpoczęły się już w 1996 roku. Seria problemów technicznych, rosnące skomplikowanie i koszty przesuwały datę startu. Ostatecznie, konstrukcja została przeprojektowana w taki sposób, by mogła zmieścić się w ładowni rakiety Ariane 5. Teleskop wydawał się być gotowy już w 2016 roku, jednak podczas testów wykryto liczne niedociągnięcia. W czasie próbnego rozłożenia wielowarstwowej osłony przeciwsłonecznej doszło do uszkodzenia. Pracy nie ułatwiła pandemia koronawirusa, która znacząco spowolniła tempo przygotowań.
Kosmiczna podróż Teleskopu Jamesa Webba rozpoczęła się 25 grudnia 2021 roku o godzinie 13:20 czasu polskiego w Gujanie Francuskiej. Rakieta Ariane 5 z instrumentem na pokładzie wystartowała z wyrzutni ELA-3 Gujańskiego Centrum Kosmicznego ESA. Kilka sekund po zapłonie głównych silników rakieta oderwała się od Ziemi.
Dlaczego Gujana Francuska jest dogodnym miejscem startu rakiet kosmicznych?
Gujańskie Centrum Kosmiczne znajduje się w pobliżu miejscowości Kourou, pięć stopni na północ od równika. Ruch obrotowy Ziemi nadaje dodatkową prędkość potrzebną do lotu kosmicznego. To pozwala oszczędzić paliwo i obniżyć koszty wyniesienia satelitów w przestrzeń kosmiczną.
Okolice Kourou są też bogate w skały granitowe, co zapewnia geologiczną stabilność podłoża i całego obszaru portu kosmicznego. Z kolei położenie nad Oceanem Atlantyckim zapewnia bezpieczeństwo w razie nieprzewidzianych komplikacji. Rakiety można awaryjnie kierować w stronę oceanu, minimalizując niemal do zera ryzyko upadku jej fragmentów na tereny zamieszkałe. Gujana Francuska jest słabo zaludniona. Około 90 proc. powierzchni kraju pokrywają lasy. Również warunki atmosferyczne i bardzo rzadkie występowanie silnych wiatrów i huraganów umożliwia całoroczną aktywności kosmodromu.
Jakie obiekty zobaczymy na pierwszych zdjęciach z Teleskopu Jamesa Webba? Fot. Shutterstock
Start rakiety Ariane V z Teleskopem Jamesa Webba na pokładzie. Fot. NASA/Bill Ingalls
Jedno z pierwszych testowych zdjęć z Teleskopu Jamesa Webba. Fot. NASA/STScl
Teleksop Jamesa Webba podczas testów w laboratorium. Fot.
Lustro Teleskopu Jmaesa Webba podczas testów w laboratorium. Fot. Ball Aerospace
Wielowarstwowa osłona Telskopu Jamesa Webba. Fot. NASA/Chris Gunn
Teleskop Jamesa Webba po opuszczeniu przestrzeni ładunkowej rakiety Ariane V. Fot. Arianespace, ESA, NASA, CSA, CNES
Lustro Teleskopu Jamesa Webba podczas testów w laboratorium. Fot. NASA/MSFC/David Higginbotham
Rakieta Ariane V w drodze na wyrzutnię startową. Fot. TVP Nauka
Rakieta Ariane V z Teleskopem Jamesa Webba opuszcza halę montażową. Fot. TVP Nauka
https://nauka.tvp.pl/61103701/teleskop- ... echswiecie