Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba już u celu

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba już u celu

Prawdopodobnie można już powiedzieć, że się udało. W styczniu 2022 roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba przeszedł pomyślnie główne etapy rozłożenia w kosmosie po grudniowym wystrzeleniu na pokładzie rakiety. Rozkładanie jego poszczególnych elementów zajęło tygodnie, ale to nic w porównaniu z projektowaniem, budową i testowaniem teleskopu, które trwały łącznie prawie 26 lat.

Pomysł umieszczenia w przestrzeni kosmicznej ulepszonego pod względem technicznym i konstrukcyjnym następcy słynnego teleskopu Hubble’a pojawił się już w roku 1996. Wieloletni projekt był nadzorowany przez NASA i ESA, we współpracy z Kanadyjską Agencją Kosmiczną. Samą NASA kosztował blisko 10 miliardów dolarów. Europejska Agencja Kosmiczna dostarczyła niezbędną do wystrzelenia teleskopu rakietę Ariane 5 oraz dwa ważne instrumenty naukowe misji za szacunkową kwotę 700 milionów €. Stawia to Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (w skrócie JWST) wśród najdroższych konstrukcji naukowych w historii, porównywalnych pod tym względem jedynie z Kosmicznym Teleskopem Hubble'a i Wielkim Zderzaczem Hadronów w CERN.

Teleskop Jamesa Webba to także największe obserwatoriom orbitalne zbudowane przez człowieka. A w zasadzie przez ponad 1200 ludzi, naukowców, inżynierów i techników związanych z samą tylko NASA, oraz łącznie 10000 osób z całego świata, bo według szacunków tyle właśnie mogło brać udział w jego projektowaniu i konstruowaniu. O ambicjach pomysłodawców projektu może też świadczyć szacowany czas pracy tego kosmicznego obserwatorium. Zgodnie z planem JWST ma obserwować kosmos przez co najmniej 10 lat. Czas ten może jednak wydłużyć się nawet o połowę, bo podczas startu szczęśliwie udało się zaoszczędzić duże ilości paliwa pokładowego – dzięki od początku precyzyjnej trajektorii lotu nie zaszła potrzeba wykonania poważniejszych manewrów korekcyjnych.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba miał wcześniej poważne problemy z finansowaniem, a moment jego startu w kosmos był wielokrotnie przesuwany. Początkowo miał lecieć jeszcze w… 2014 roku. Później w 2018 roku. W kolejnych latach program borykał się z kolei z szeregiem problemów technicznych, przez co start znów się opóźniał. Biorąc pod uwagę całkowity koszt, czas i zaangażowanie w projekt wydawać się mogło, że w roku 2021 już tylko udany start dzielił zespół JWST od sukcesu.

Nic podobnego. Start startem, ale bezpośrednio po nim i jeszcze przez około 30 dni później teleskop musiał przejść aż 344 (!) etapy w skomplikowanym procesie rozkładania i kalibracji swoich instrumentów, nie wspominając już o pomyślnym dotarciu na orbitę docelową. Z pewnością był to niezwykle nerwowy miesiąc dla kontrolerów misji (czas ten szczęśliwie już powoli się kończy, a większość procedur zakończyła się powodzeniem). Można wręcz powiedzieć, że teleskop Jamesa Webba wysłano w kosmos w wersji maksymalnie spakowanej, po czym dopiero tam zaczęto go systematycznie rozkładać i budować na nowo. W tym przypadku okazuje się to najlepszym rozwiązaniem. Samo zwierciadło JWST jest po prostu za duże, aby umieścić je w rakiecie w wersji w pełni zmontowanej, w jednym kawałku. Zwierciadło to docelowo składa się z 18 sześciokątnych elementów ułożonych w formie podobnej do plastra miodu, przy czym każdy element ma rozmiar około 1,3 m, a razem tworzą one ogromny sześciokąt o rozpiętości 6,5 m i powierzchni zbierającej ponad 25 m kwadratowych. Na czas startu segmenty zwierciadła były zabezpieczone specjalnymi mocowaniami, z których później musiały się uwolnić.


Część zespołu NASA JWST przed modelem teleskopu w pełnej skali w Goddard Space
Flight Center w Greenbelt, Maryland (NASA).

Etapy rozkładania teleskopu objęły do tej pory m.in. rozwinięcie osłon termicznych i rozstawienie elementów zwierciadła, którego części musiały dopasować się do siebie z zawrotną dokładnością 10 nanometrów. Wszystkie segmenty zostały już pomyślnie wysunięte z kieszeni, w których umieszczone były podczas startu. Udało się także uruchomić silniki poruszające poszczególnymi lustrami. Wciąż jednak pozostają krytyczne punkty misji, które również muszą zadziałać bezbłędnie, jeśli teleskop ma stać się cenny dla nauki, takie jak uruchomienie licznych instrumentów pokładowych.

Ponadto JWST musi dotrzeć do punktu Lagrange'a L2 w układzie Słońce – Ziemia. Tam będzie okrążał Słońce w odległości aż 1,5 miliona kilometrów od Ziemi. W układzie obiegających się wzajemnie dwóch mas jest pięć szczególnych miejsc, które na cześć ich odkrywcy nazwano punktami Lagrange'a. Dwa z nich, L4 i L5, są to stabilne punkty Lagrange'a. Jeżeli w takim punkcie znajdzie się obiekt o mniejszej masie (na przykład teleskop), może zachować względem bardziej masywnych ciał stałe położenie. Znaleziono na przykład dużą ilość drobnych ciał niebieskich zlokalizowanych wokół punktów L4 i L5 w układach mas Słońce – Jowisz czy Słońce – Ziemia. Natomiast punkt L2 (a także L1) w układzie Słońce – Ziemia i innych układach dwóch mas jest tak zwanym niestabilnym punktem Lagrange'a. Stabilność oznacza tu, że jeżeli danemu ciału nada się parametry ruchu niewiele różniące się od parametrów takiego punktu, to pozostanie ono w okolicy punktu Lagrange'a dowolnie długo. Niestabilność oznacza, że ciało oddali się po pewnym czasie od takiego punktu. Pociąga to za sobą fakt, że orbitę teleskopu Webba trzeba będzie co pewien czas delikatnie korygować, a on sam nie będzie wisiał w jednym miejscu, okrążając punkt L2 na dość szerokiej orbicie. 

Po co jednak wysyłać teleskop Webba aż do L2? Gdy astronomowie zaczęli zastanawiać się nad tym, gdzie powinien zostać umieszczony, musieli wziąć pod uwagę kilka czynników. Przede wszystkim JWST będzie obserwował Wszechświat w podczerwieni, czyli w tej części widma, którą potocznie określamy jako promieniowanie cieplne. Aby taki instrument miał jak największe szanse na wykrycie odległych, słabo widocznych w świetle podczerwonym obiektów, trzeba go schłodzić do jak najniższych temperatur. Jeśli teleskop ma zobaczyć promieniowanie podczerwone pochodzące od odległych gwiazd i galaktyk, musi być po prostu bardzo zimny. Duża osłona słoneczna chroni go zarówno przed światłem słonecznym, jak i ciepłem samej Ziemi.  Aby jednak taka osłona słoneczna była skuteczna, „Webb” musi znaleźć się na orbicie, dla której Słońce i Ziemia będą zawsze usytuowane mniej więcej w tym samym kierunku. Co więcej, mając Słońce i Ziemi w tej samej części nieba, JWST będzie cieszył się otwartym, niezakłóconym widokiem na kosmos. Dla porównania Kosmiczny Teleskop Hubble'a znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej, gdzie co 90 minut wchodzi i wychodzi z cienia Ziemi. Obraz z „Hubble'a” jest więc co jakiś zasłaniany przez Ziemię, co ogranicza jego pole widzenia.

To właśnie docelowe położenie orbitalne jest jedną z ważnych różnic między JWST a słynnym teleskopem Hubble’a, za którego naukowego następcę jest uważany. W przypadku teleskopu Webba nieco trudniej na przykład o techniczną misję ratunkową na orbicie, którą z powodzeniem wykonano dla „Hubble’a” w 1993 roku. Kosmiczny Teleskop Hubble'a krąży wokół Ziemi na wysokości około 570 km. JWST znajdzie się w punkcie L2 ponad 1,5 miliona kilometrów dalej. Z każdą upływającą minutą jest już zresztą coraz bliżej celu. NASA przygotowała specjalną stronę, na której możemy śledzić kurs i postęp jego podróży. Obecnie (stan na 21 stycznia 2022 r.) JWST pokonał już ponad 96% tej trasy. Według NASA dotrze w okolice punktu L2 24 stycznia.


JWST będzie krążył wokół Słońca w odległości 1,5 miliona kilometrów od Ziemi w tzw.
drugim punkcie Lagrange'a L2 (NASA).

Teleskopy Hubble’a i Webba być może więcej dzieli niż łączy, i to nie tylko w kwestii orbity. W obu przypadkach są to oczywiście teleskopy pracujące w kosmosie i bardzo kosztowne. Poza tym bazują na innych technologiach i są odmiennie zbudowane. „Hubble” obserwował (i obserwuje wciąż) Wszechświat w świetle widzialnym, ultrafiolecie i bliskiej podczerwieni. „Webb” ma badać kosmos „jedynie” w podczerwieni, ale jest to zadanie niełatwe. Ten zakres widma elektromagnetycznego wymaga nie tylko innej konstrukcji, ale i specjalnych środków ochrony przed szkodliwym wpływem promieniowania słonecznego.

Kosmiczne promieniowanie podczerwone jest zatem dość trudne do obserwowania. Astronomowie uważają jednak, że inwestycja w JWST zwróci się w kontekście badań. Teleskop Hubble’a, na który zresztą też czekano wiele lat, ostatecznie okazał się ogromnym naukowym sukcesem. Teraz jednak otwiera się kolejny niesamowity rozdział w historii astronomii. JWST w pewnym sensie jest kontynuacją misji Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, ale dzięki nowym, bardziej czułym instrumentom pozwoli nam spojrzeć jeszcze dalej w czasie na historię Wszechświata, w tym na najdalsze galaktyki i gwiazdy, które powstały zaledwie 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu (dziś wiek Wszechświata szacuje się na około 13,8 miliarda lat).

Są osoby, które pracy nad JWST poświęciły kilkanaście i więcej lat kariery, a w czasie jego konstruowania i testowania wychowało się całe nowe pokolenie uczonych. To oni otrzymali teraz szanse na przełomowe odkrycia. Dzięki instrumentom JWST można będzie z niespotykaną wcześniej dokładnością nie tylko obserwować odległe i dawne galaktyki, ale i lepiej niż dotychczas zbadać i zobrazować planety pozasłoneczne, w tym określić skład chemiczny ich atmosfer. Już teraz wiemy o blisko pięciu tysiącach planet krążących wokół gwiazd innych niż Słońce. Czy dzięki teleskopowi Jamesa Webba znajdziemy w naszej Galaktyce również planety podobne do Ziemi? Tego nie wiadomo, naukowcy są jednak przekonani, że misja doprowadzi do przełomowych kosmicznych odkryć. Łącznie z takimi, o których jeszcze nie mamy pojęcia.

Teleskop Webba zmieni sposób, w jaki postrzegamy Wszechświat – podsumowuje Jean Marc Nasr, szef Airbus Space Systems. Pamietając sukcesy naukowe misji Hubble’a, trudno w to nie wierzyć. Grudniowy, wyczekiwany start teleskopu Webba był bardzo spektakularny, ale z czasem wieści o projekcie nieco spowszedniały, a zachwyty ucichły. Warto jednak uważnie śledzić naukowe doniesienia i odkrycia tego potężnego instrumentu. Na pierwsze takie dane możemy liczyć już za 5 miesięcy.

 

Dr Elżbieta Kuligowska
Obserwatorium Astronomiczne UJ

Literatura:

https://www.jwst.nasa.gov/content/meetTheTeam/index.html

https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/nowe-wielkie-obserwatorium-wszechswiata-wystartowalo

https://www.planetary.org/articles/cost-of-the-jwst

https://www.space.com/james-webb-space-telescope-budget-timeline-scale

https://www.jwst.nasa.gov/content/about/comparisonWebbVsHubble.html

https://www.nasa.gov/topics/universe/features/webb-l2.html

 

Grafika w nagłówku: W pełni rozłożony na orbicie Teleskop Jamesa Webba – wizualizacja (NASA).

Polecamy również
Nobel z chemii "kliknięty"
Nobel z chemii "kliknięty"
Nobel z fizyki dla informatyki kwantowej
Nobel z fizyki dla informatyki kwantowej
Tydzień Noblowski 2022 - komentarze
Tydzień Noblowski 2022 - komentarze
Pierwsze standardy kryptografii postkwantowej
Pierwsze standardy kryptografii postkwantowej