Wielki Teleskop Jamesa Webba. Kosmiczne oko na rzeczy dotąd nie widziane
W maju JWST po raz ostatni na Ziemi otworzył swoje złote zwierciadło. W okolicach sierpnia-września 2021 roku zakończyły się wreszcie testy i skomplikowana konstrukcja JWST (skrót od angielskojęzycznej nazwy James Webb Space Telescope) gotowa była do spakowania i wysłania na miejsce startu. "Liczne testy i kontrole Webba miały na celu upewnienie się, że to najbardziej złożone obserwatorium kosmiczne w historii będzie działało zgodnie z założeniami, gdy znajdzie się w przestrzeni kosmicznej", pisała NASA w komunikacie o zakończeniu testów.
Teleskop jest wspólnym projektem NASA, Europejskiej Agencji Kosmicznej i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej. Jego koncepcja została zbudowany na spuściźnie i doświadczeniach wcześniejszych misji, takich jak teleskopy Hubble’a i Spitzera, a sam JWST będzie stanowił fundament, na którym będą mogły powstać przyszłe duże astronomiczne obserwatoria kosmiczne.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie najważniejszym na świecie kosmicznym obserwatorium naukowym. Jego zadaniem jest zgłębianie tajemnic początków naszego Wszechświata, badania, jak powstawały gwiazdy, planety i galaktyki, eksploracja Układu Słonecznego, a także, co chyba najbardziej wszystkich ekscytuje, poszukiwanie chemicznych śladów życia lub warunków mu sprzyjających na egzoplanetach.
Wszystko sprawdzone - można wysyłać
Przygotowania do wysyłki obserwatorium zakończyły się we wrześniu. Potem był czas na drogę z siedziby Northrop Grumman w Kalifornii, przez Kanał Panamski, aż do Gujany Francuskiej w Ameryce Południowej. James Webb ma zostać wystrzelony na rakiecie Ariane 5. Podawano dzień 18 grudnia 2021 r., ale dokładna data może się jeszcze zmienić. W czasie gdy są w toku przygotowania do startu, zespoły znajdujące się w Mission Operations Center (MOC) Webba w Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore przeprowadzają intensywne testy sieć komunikacyjnej, z której Webb będzie korzystał w przestrzeni kosmicznej.
Teleskop złożony jak origami (2) rozłoży się w przestrzeni kosmicznej podczas podróży na swoją orbitę, prawie półtora miliona kilometrów od Ziemi. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, to programy badań naukowych rozpoczną się około sześć miesięcy po starcie.
Gdy Webb dotrze do Gujany Francuskiej, zespoły zajmujące się obsługą startu skonfigurują obserwatorium do lotu. Będzie to kolejna seria kontroli, aby upewnić się, że obserwatorium nie zostało uszkodzone podczas transportu i usuwanie zabezpieczeń transportowych. Następnie zespoły inżynierów połączą obserwatorium z rakietą Ariane 5 (3), dostarczoną przez ESA (Europejską Agencję Kosmiczną), zanim wyruszy ono na stanowisko startowe. Webb jest międzynarodowym programem prowadzonym przez NASA wraz z jej partnerami, ESA (Europejską Agencją Kosmiczną) i Kanadyjską Agencją Kosmiczną.
Po wystrzeleniu obserwatorium przejdzie pełen krytycznych wydarzeń sześciomiesięczny okres rozruchu. Chwilę po zakończeniu 26-minutowego lotu na pokładzie rakiety Ariane 5, statek kosmiczny odłączy się od rakiety, a jego panele słoneczne zostaną automatycznie rozłożone. Wszystkie kolejne operacje (4) w ciągu następnych kilku tygodni będą inicjowane z kontroli naziemnej znajdującej się w STScI. JWST będzie potrzebował miesiąca, aby dolecieć do planowanej pozycji orbitalnej w przestrzeni kosmicznej, ok. półtora miliona km od Ziemi, powoli rozwijając kolejne układy w trakcie lotu.
Po ustawieniu JWST przejdzie przez proces rozmieszczania osłony przeciwsłonecznej, zwierciadła i ramienia, co zajmie około trzech tygodni. Gdy osłona przeciwsłoneczna zacznie się rozsuwać, teleskop i instrumenty znajdą się w cieniu i zaczną się ochładzać. Przez następne tygodnie zespół misji będzie ściśle monitorował proces stygnięcia obserwatorium, kontrolując naprężenia na instrumentach i strukturach.
W tym samym czasie rozłożony zostanie statyw z lustrem wtórnym, nastąpi również rozłożenie lustra pierwotnego, instrumenty Webba będą powoli włączane, a silniki napędowe wprowadzą obserwatorium na wyznaczoną orbitę. Prawie miesiąc po starcie, zostanie zainicjowana korekta trajektorii, aby umieścić JWST na orbicie Halo w punkcie Lagrange’a L2. Gdy obserwatorium ostygnie i ustabilizuje się w niskiej temperaturze roboczej, przez kilka miesięcy będzie trwało dostrajanie jego optyki i kalibrowanie instrumentów naukowych.
"Teleskop, który zjadł astronomię"
Nazwa Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba jest uhonorowaniem drugiego w historii administratora NASA, który kierował agencją w latach 1961-1968, gdy ta pracowała nad lądowaniem ludzi na Księżycu. Krytycy Webba twierdzą, że był on współwinny dyskryminacji gejów i lesbijek wśród pracowników NASA podczas swojej kadencji. Pojawiły się nawet ostatnio postulaty by zmienić nazwę misji, ale NASA uznała te oskarżenia i pomysły za bezzasadne.
Wczesne prace nad następcą Hubble’a, wyniesionego na orbitę w 1990 roku, prowadzone w latach 1989-1994, doprowadziły do powstania koncepcji teleskopu Hi-Z, teleskopu na podczerwień o czterometrowej aperturze, który miałby zostać umieszczony na orbicie w odległości 3 jednostek astronomicznych. Ta odległa orbita korzystać miała z niskiego szumu świetlnego. Inne wczesne plany zakładały misję teleskopu prekursorskiego NEXUS.
W erze "szybciej, lepiej, taniej" w połowie lat 90., liderzy NASA naciskali na stworzenie taniego teleskopu kosmicznego. Wynikiem tego była koncepcja NGST, z 8-metrową aperturą, zlokalizowanego na L2, którego koszt szacowano na 500 milionów dolarów.
W 1999 roku NASA wybrała Lockheed Martin i TRW do przeprowadzenia wstępnych badań koncepcyjnych. Start planowano wówczas na 2007 rok, ale data startu była później wielokrotnie przesuwana. W 2003 roku NASA przyznała firmie TRW kontrakt na wykonanie NGST, obecnie nazwanego Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba, o wartości 824,8 mln USD. Projekt przewidywał zwierciadło główne o średnicy 6,1 m i datę wyniesienia na orbitę w 2010 r. Jeszcze w tym samym roku TRW zostało przejęte przez Northrop Grumman i przekształciło się w Northrop Grumman Space Technology.
Wzrost kosztów ujawniony wiosną 2005 r. doprowadził do ponownego planowania w sierpniu 2005 r. Głównymi technicznymi rezultatami ponownego planowania były znaczące zmiany w planach integracji i testów, 22-miesięczne opóźnienie startu (od 2011 do 2013 r.) oraz wyeliminowanie testów na poziomie systemu dla trybów pracy obserwatorium przy długości fali krótszej niż 1,7 mikrometra. Inne główne cechy obserwatorium pozostały niezmienione.
W ponownym planie z 2005 roku, koszt cyklu życia projektu został oszacowany na około 4,5 mld USD. Składało się na to około 3,5 miliarda dolarów na projekt, rozwój, uruchomienie i oddanie do użytku oraz około miliarda dolarów na dziesięć lat eksploatacji. ESA wnosiła około 300 milionów euro, w tym na uruchomienie. Kanadyjska Agencja Kosmiczna zobowiązała się do przekazania 39 milionów dolarów kanadyjskich w 2007 roku, a w 2012 roku dostarczyła swój wkład w postaci sprzętu do wycelowania teleskopu i wykrywania warunków atmosferycznych na egzoplanetach.
W kwietniu 2010 r. teleskop przeszedł pomyślnie techniczną część przeglądu Mission Critical Design Review (MCDR). Pozytywny wynik MCDR oznaczał, że zintegrowane obserwatorium może spełnić wszystkie naukowe i inżynieryjne wymagania dla swojej misji. Harmonogram projektu został poddany przeglądowi, co doprowadziło do zmiany planu misji. Wówczas założono start w 2015 roku, ale nie później niż w 2018 roku.
W 2011 roku projekt JWST był już w końcowej fazie projektowania i produkcji (Faza C). Montaż sześciokątnych segmentów zwierciadła pierwotnego, który odbywał się za pomocą robotycznego ramienia, rozpoczął się w listopadzie 2015 r. i został zakończony w lutym 2016 r. Budowa teleskopu Webba została zakończona w listopadzie 2016 r., po czym rozpoczęły się szeroko zakrojone procedury testowe.
W marcu 2018 r., NASA opóźniła start JWST o dodatkowy rok, do maja 2020 r., po tym jak osłona słoneczna teleskopu rozerwała się podczas praktycznego rozkładania - linki osłony słonecznej nie napięły się wystarczająco mocno. W czerwcu 2018 roku NASA opóźniła start JWST o dodatkowe dziesięć miesięcy, do marca 2021 roku, opierając się na ocenie niezależnej komisji przeglądowej zwołanej po nieudanym testowym rozmieszczeniu z marca 2018 roku. Przegląd wykazał także, że JWST ma 344 potencjalne awarie w pojedynczych punktach, z których każda może zakończyć projekt. W sierpniu 2019 roku zakończono mechaniczną integrację teleskopu, co było opóźnione o 12 lat w stosunku do pierwotnego planu. Do października 2019 r. szacowany koszt projektu osiągnął 10 mld USD.
Oprócz licznych problemów technicznych pojawiały się też polityczne. W lipcu 2011 r. komisja ds. handlu, sprawiedliwości i nauki Izby Reprezentantów Stanów Zjednoczonych podjęła działania w celu anulowania projektu Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webb, usuwając przeznaczone nań pieniądze z budżetu NASA. W tamtym momencie JWST kosztował już 3 mld USD, a trzy czwarte potrzebnego w obserwatorium sprzętu było w produkcji. Komisja zarzuciła projektowi "przekroczenie budżetu o miliardy dolarów i złe zarządzanie".
W odpowiedzi Amerykańskie Towarzystwo Astronomiczne wydało oświadczenie popierające JWST. Także w prasie międzynarodowej również pojawiło się wiele artykułów popierających JWST. W listopadzie 2011 roku Kongres wycofał się z planów anulowania JWST i zamiast tego ograniczył dodatkowe fundusze na dokończenie projektu do 8 mld USD. W lutym 2019 roku, pomimo krytyki wzrostu kosztów, Kongres zwiększył limit kosztów misji o 800 mln USD.
Pomimo wsparcia projektu przez środowiska naukowe niektórzy naukowcy wyrażali zaniepokojenie rosnącymi kosztami i opóźnieniami teleskopu Webba, który tym samym zagraża finansowaniu innych programów nauki o kosmosie. Artykuł opublikowany w "Nature" w 2010 roku opisywał JWST jako "teleskop, który zjadł astronomię".
Do powstania JWST przyczyniło się kilka tysięcy naukowców, inżynierów i techników z piętnastu krajów. W projekcie uczestniczy 258 firm, agencji rządowych i instytucji akademickich - 142 z USA, 104 z krajów europejskich i 12 z Kanady.
Obserwatorium jest przymocowane do rakiety Ariane 5 za pomocą pierścienia adaptacyjnego, który może być użyty przez przyszły statek kosmiczny do uchwycenia obserwatorium w celu usunięcia poważnych problemów jakie mogłyby się pojawił w trakcie jego rozkładania. Jednak sam teleskop nie jest serwisowalny i astronauci nie mogliby wykonywać takich zadań jak wymiana instrumentów, jak to miało miejsce w przypadku Teleskopu Hubble’a. Zatem, jeśli ktoś wie, ile to kosztowało, rozumie poziom napięcia odpowiedzialnych za misję.
Nominalny czas misji wynosi pięć lat, docelowo ma wynosić dziesięć lat. JWST musi korzystać z paliwa do utrzymania swojej orbity halo wokół L2. Zapas paliwa może wystarczyć na dziesięć lat i to jest górna granica czasowa misji.
W podczerwieni widać więcej, ale tylko gdy jest zimno
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest zoptymalizowany do oglądania kosmosu w zakresie światła podczerwonego. Główne zwierciadło JWST składa się z osiemnastu sześciokątnych segmentów lustrzanych wykonanych z pozłacanego berylu Razem tworzą one zwierciadło o średnicy 6,5 metra, prawie trzy razy szersze niż Hubble’a z sześciokrotnie większą powierzchnią zbierającą, 25,4 m2 (5).
Teleskop Hubble’a miał niesamowitą passę odkryć, ale nie pozostało mu wiele czasu. Ostatnia misja serwisowa Hubble’a miała miejsce w 2009 roku, a problemy stają się coraz częstsze, jak na przykład kilka miesięcy temu, kiedy obserwatorium przestało działać z powodu awarii zasilania. Po uruchomieniu Teleskop Webba będzie mógł kontynuować pracę tam, gdzie zakończył ją Hubble, obserwując bardziej odległe i ciemniejsze obiekty większemu zwierciadłu. Zapewni lepszą rozdzielczość i czułość w podczerwieni niż Hubble.
Hubble prowadzi obserwacje w bliskim ultrafiolecie, świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni (0,1 do 1 μm). JWST będzie prowadził obserwacje w niższym zakresie częstotliwości, od światła widzialnego w zakresie fal dłuższych, przez bliską podczerwień, do średniej podczerwieni (0,6 do 28,3 μm), co pozwoli mu na obserwacje obiektów o dużym przesunięciu ku czerwieni, które są zbyt stare i zbyt odległe, by mógł je zaobserwować Hubble. Teleskop musi być utrzymywany w bardzo niskiej temperaturze, aby móc prowadzić obserwacje w podczerwieni bez zakłóceń, dlatego zostanie umieszczony w przestrzeni kosmicznej w pobliżu punktu Lagrange’a Słońce-Ziemia L2.
Obiekty znajdujące się w pobliżu tego punktu mogą okrążać Słońce w synchronizacji z Ziemią, co pozwala teleskopowi pozostać w mniej więcej stałej odległości i używać pojedynczej osłony słonecznej do blokowania ciepła i światła ze Słońca i Ziemi. Ponieważ L2 jest tylko punktem równowagi bez przyciągania grawitacyjnego, orbita halo nie jest orbitą w zwykłym sensie. Statek kosmiczny jest w rzeczywistości na orbicie wokół Słońca, a orbitę halo można traktować jako kontrolowane dryfowanie w celu pozostania w pobliżu punktu L2. Wymaga to pewnych korekcji położenia stacji, do czego służyć będą pędniki.
Duża osłona słoneczna JWST wykonana z kaptonu, folii poliimidowej pokrytej krzemem i aluminium, utrzyma jego zwierciadło i instrumenty w temperaturze poniżej 50 K (-223°C). Przypadkowe rozdarcia delikatnej struktury folii podczas testów w 2018 roku były jednym z czynników opóźniających projekt. Osłona przeciwsłoneczna została zaprojektowana tak, aby można ją było złożyć dwanaście razy, dzięki czemu zmieści się w owiewce ładunku użytecznego rakiety Ariane 5 (4,57×16,19 m).
Po umieszczeniu w punkcie L2 osłona rozłoży się do rozmiarów 14,162×21,197 m. Osłonę przeciwsłoneczną zmontowano ręcznie w firmie ManTech (NeXolve) w Huntsville w Alabamie, a potem dostarczono ją do Northrop Grumman w Redondo Beach w Kalifornii w celu przeprowadzenia testów.
Ze szkodliwym nagrzewaniem radzono sobie różnie, choćby przez umieszczanie teleskopu kosmicznego w tzw. naczyniu Dewara, pojemniku izotermicznym z ekstremalnie zimną substancją, np. ciekłym helem. Oznacza to, że większość teleskopów na podczerwień ma żywotność ograniczoną przez dostępność chłodziwa, kilka miesięcy, a maksymalnie kilka lat. W niektórych przypadkach udało się utrzymać temperaturę na tyle niską dzięki konstrukcji statku kosmicznego, by umożliwić obserwacje w bliskiej podczerwieni bez konieczności dostarczania chłodziwa, jak w przypadku przedłużonych misji Spitzer i Wide-field Infrared Survey Explorer.
Innym przykładem jest instrument Hubble’a Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS), który początkowo korzystał z bloku lodu azotowego, który wyczerpał się po kilku latach, ale następnie został zamieniony na kriokomórkę, która pracowała bez przerwy. Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba został zaprojektowany tak, aby chłodził się bez naczynia Dewara, wykorzystując kombinację osłon słonecznych i promienników, przy czym instrument pracujący w średniej podczerwieni korzysta z dodatkowego chłodzącego układu kriokomórkowego.
Projekt kładzie nacisk na bliską i średnią podczerwień z trzech głównych powodów:
- obiekty o dużym przesunięciu ku czerwieni mają swoje emisje widzialne przesunięte w podczerwień
- zimne obiekty, takie jak dyski i planety emitują najsilniej w podczerwieni
- pasmo to jest trudne do zbadania z ziemi lub przez istniejące teleskopy kosmiczne, takie jak Hubble
Promieniowanie podczerwone może przechodzić przez obszary pyłu kosmicznego, które rozpraszają światło widzialne. Obserwacje w podczerwieni pozwalają na badanie obiektów i regionów przestrzeni, które byłyby przesłonięte przez gaz i pył w widmie widzialnym, takich jak obłoki molekularne, w których rodzą się gwiazdy, dyski okołobiegunowe, z których powstają planety, oraz rdzenie aktywnych galaktyk. Także stosunkowo chłodne obiekty (o temperaturze poniżej kilku tysięcy stopni) emitują swoje promieniowanie głównie w podczerwieni.
W rezultacie, większość obiektów chłodniejszych od gwiazd lepiej badać w tym zakresie. Do planów obserwacyjnych dołączają więc brązowe karły, planety zarówno w naszym jak i innych Układach Słonecznych, komety oraz obiekty pasa Kuipera, które będą obserwowane za pomocą instrumentu MIRI (Mid-Infrared Instrument).
Pojedyncze tak duże zwierciadło jak to w JWST byłoby zbyt duże dla istniejących rakiet nośnych, stąd segmentowa konstrukcja. Do ustawienia segmentów zwierciadła we właściwym położeniu zostanie wykorzystana detekcja czoła fali w płaszczyźnie obrazu poprzez odzyskiwanie fazy za pomocą bardzo precyzyjnych mikrosilników w liczbie 126. Po tej wstępnej konfiguracji będą one wymagały jedynie sporadycznych aktualizacji co kilka dni, aby zachować optymalne skupienie. Jest to rozwiązanie inne niż stosowane w teleskopach naziemnych, na przykład w obserwatorium Kecka, które nieustannie dostosowują segmenty zwierciadła za pomocą optyki aktywnej, aby przezwyciężyć efekty grawitacji i wiatru.
Konstrukcja optyczna JWST to trójlustrowy anastygmat, który wykorzystuje zakrzywione lustra wtórne i trzeciorzędowe, aby dostarczyć obrazy wolne od aberracji optycznych w szerokim polu. Dodatkowo, istnieje szybkie zwierciadło sterujące, które może zmieniać swoją pozycję wiele razy na sekundę, aby zapewnić stabilizację obrazu.
Osiemnaście segmentów zwierciadła głównego, zwierciadła wtórne, trzeciorzędowe i lustra precyzyjnego sterowania oraz części zamienne zostały wyprodukowane i wypolerowane przez Ball Aerospace & Technologies na podstawie berylowych półfabrykatów segmentów wyprodukowanych przez kilka firm, w tym Axsys, Brush Wellman i Tinsley Laboratories.
Super-aparatura dla super-teleskopu
JWST ma na pokładzie szereg instrumentów naukowych, z których najważniejsze umieszczone zostały w Zintegrowanym Module Instrumentów Naukowych (Integrated Science Instrument Module - ISIM). Jest to konstrukcja, która zapewnia teleskopowi Webba zasilanie elektryczne, zasoby obliczeniowe, możliwość chłodzenia, a także stabilność strukturalną. Jest wykonana z kompozytu grafitowo-epoksydowego przymocowanego do spodniej części struktury teleskopu. W ISIM znajdują się cztery instrumenty naukowe i kamera prowadząca.
Pierwszy z tych instrumentów to NIRCam (Near InfraRed Camera), kamera obrazująca w podczerwieni, która będzie miała pokrycie spektralne od krawędzi światła widzialnego (0,6 mikrometra) do bliskiej podczerwieni (5 mikrometrów). NIRCam będzie również służyć jako czujnik czoła fali obserwatorium, który jest wymagany do działań kontrolnych.
Z kolei MIRI (Mid-InfraRed Instrument) będzie pracował w zakresie fal od średniej do długiej podczerwieni, czyli od 5 do 27 mikrometrów. Zawiera zarówno kamerę na średnią podczerwień, jak i spektrometr obrazowy. MIRI został opracowany w ramach współpracy NASA z konsorcjum krajów europejskich. MIRI ma podobne mechanizmy koła jak NIRSpec, które również zostały opracowane i zbudowane przez Carl Zeiss Optronics GmbH. Temperatura MIRI nie może przekraczać 6 kelwinów (K). Jego chłodzenie to zapewnia mechaniczna chłodnica helowa umieszczona po ciepłej stronie osłony środowiskowej. NIRCam i MIRI posiadają korony blokujące światło gwiazdowe do obserwacji słabych obiektów, takich jak planety pozasłoneczne i dyski okołobiegunowe bardzo blisko jasnych gwiazd.
NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) będzie wykonywał spektroskopię w tym samym zakresie długości fal. Został on zbudowany przez Europejską Agencję Kosmiczną w ESTEC w Noordwijk w Holandii.
Kanadyjskim wkładem jest FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph), używany do stabilizacji linii widzenia obserwatorium podczas obserwacji naukowych. Pomiary dokonywane przez FGS są wykorzystywane zarówno do kontroli ogólnej orientacji statku kosmicznego, jak i do operowania precyzyjnym zwierciadłem sterującym w celu stabilizacji obrazu. Kanadyjska Agencja Kosmiczna dostarcza również moduł Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) do obrazowania astronomicznego i spektroskopii w zakresie długości fali od 0,8 do 5 mikrometrów.
Zespół inżynierów Zintegrowanego Modułu Instrumentów Naukowych (ISIM) i Obsługi Dowodzenia i Danych (ICDH) Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba (JWST) do przesyłania danych pomiędzy instrumentami naukowymi a urządzeniami do obsługi danych używa SpaceWire, sieci komunikacyjnej statków kosmicznych, koordynowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną.
Głównym elementem nośnym Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba jest "magistrala" (ang. "Spacecraft Bus"). Region 3 modułu ISIM, który zawiera podsystem dowodzenia i obsługi danych ISIM oraz kriokomórkę MIRI, znajduje się wewnątrz magistrali.
Konstrukcja Spacecraft Bus waży 350 kg i musi utrzymać 6,5-tonowy teleskop kosmiczny. Wykonana jest głównie z grafitowego materiału kompozytowego. Magistrala znajduje się po "ciepłej" stronie zwróconej ku Słońcu i działa w temperaturze około 300 K. Wszystko, co znajduje się po stronie zwróconej ku Słońcu, musi być w stanie wytrzymać warunki termiczne orbity halo JWST, która ma jedną stronę w ciągłym świetle słonecznym, a drugą w cieniu osłony słonecznej statku kosmicznego.
Ważnym modułem magistrali kosmicznej są centralne urządzenia obliczeniowe, pamięciowe i komunikacyjne. Procesor i oprogramowanie kierują dane do i z instrumentów, do rdzenia pamięci półprzewodnikowej oraz do systemu radiowego, który może wysyłać dane na Ziemię i odbierać polecenia. Komputer kontroluje również orientację i moment obrotowy statku kosmicznego, pobierając dane z czujników żyroskopów i trackera gwiazdowego oraz wysyłając niezbędne komendy do kół reakcyjnych lub pędników.
Szerokość pasma i przepustowość cyfrowa satelity została zaprojektowana na 458 gigabitów danych dziennie przez cały okres trwania misji. Większość przetwarzania danych w teleskopie jest wykonywana przez konwencjonalne komputery. Konwersja analogowych danych naukowych do postaci cyfrowej jest wykonywana przez specjalnie zbudowany układ SIDECAR ASIC (System for Image Digitization, Enhancement, Control And Retrieval Application Specific Integrated Circuit).
Chcesz obserwować za pomocą JWST? Złóż wniosek
Do funkcji centrum naukowo-operacyjnego dla JWST wybrano Space Telescope Science Institute (STScI), zlokalizowany w Baltimore, stanie Maryland, na kampusie Homewood Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. Instytut będzie odpowiedzialny za naukową obsługę teleskopu i dostarczanie danych społeczności astronomicznej. Dane będą przesyłane z JWST na ziemię przez NASA Deep Space Network, przetwarzane i kalibrowane w STScI, a następnie dystrybuowane online do astronomów na całym świecie.
Podobnie jak w przypadku Hubble’a, każdy, z dowolnego miejsca na świecie, będzie mógł składać propozycje obserwacji. Każdego roku kilka komitetów naukowych złożonych z wybitnych astronomów będzie recenzować nadesłane propozycje, aby wybrać projekty obserwacyjne na nadchodzący rok. Autorzy wybranych propozycji będą mieli zazwyczaj przez rok wyłączny dostęp do nowych obserwacji, po czym dane staną się publicznie dostępne do pobrania przez każdego z internetowego archiwum STScI.
Wybór programów obserwacyjnych w Cyklu 1 został ogłoszony już 30 marca 2021 roku. Zatwierdzono 266 propozycji, w tym 13 dużych programów.
W sensie ogólnym już dość dawno wyznaczono Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba cztery główne cele badawcze. Należą do nich
- poszukiwanie światła z pierwszych gwiazd i galaktyk, które uformowały się we Wszechświecie po Wielkim Wybuchu;
- badanie formowania się i ewolucji galaktyk;
- pogłębianie wiedzy procesach powstawania gwiazd i układów planetarnych;
- badanie systemów planetarnych pod kątem możliwości powstania i utrzymania się w nich życia.
Gdyby zaś mówić o bardziej szczegółowych planach i projektach naukowych to w ostatnim czasie pojawił się szereg publikacji zapowiadających tego rodzaju obserwacje, gdy JWST zostanie uruchomiony i udostępniony.
Naukowcy chcą go na przykład wykorzystać do zbadania gwiazdy Beta Pictoris (β Pic) w gwiazdozbiorze Malarza (6), która najduje się w odległości ok. 63,4 lat świetlnych od Słońca i znana jest z tego, że ma intrygujący młody układ planetarny z najmniej dwiema planetami, mieszaniną mniejszych, skalistych, obiektów, egzokometami oraz dyskiem pyłowym. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA będzie obserwował Beta Pictoris w podczerwieni, zarówno za pomocą swoich koronagrafów, jak i rejestrując widma, co pozwoli naukowcom dowiedzieć się znacznie więcej o gazie i pyle w dysku.
Beta Pictoris jest celem kilku planowanych programów obserwacyjnych Webba, w tym jednego prowadzonego przez Chrisa Starka z Goddard Space Flight Center NASA i dwóch prowadzonych przez Christine Chen z Space Telescope Science Institute w Baltimore, Maryland. Program Starka będzie bezpośrednio obrazował system po zablokowaniu światła gwiazdy, aby zebrać dane na temat jej pyłu. Program Chen zbierze widma, które wskażą, jakie pierwiastki są w tam obecne. Naukowcy mają nadzieję, że uda się ocenić, jak bardzo system ten jest podobny do naszego Układu Słonecznego, co pomoże nam ocenić wyjątkowość naszego Układu.
Kolejny program badawczy, który wykorzysta możliwości teleskopu Webba to planowane obserwacje siedemnastu znajdujących się obecnie w fazie formowania układów planetarnych. Wybrane układy były wcześniej badane przez obserwatorium Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) w Chile w 2018, największy radioteleskop na świecie. Do badań za pomocą JWST wybrano 17 z 20 dysków protoplanetarnych obserwowanych przez ALMA (7). Dyski protoplanetarne, które będą obserwowane w tym programie są bardzo jasne i znajdują się stosunkowo blisko Ziemi, co czyni je doskonałymi obiektami do badań.
Webb zmierzy widma cząsteczek w wewnętrznych regionach tych protoplanetarnych dysków. Te regiony to miejsca, gdzie mogą zacząć formować się skaliste, podobne do Ziemi planety. Zespół badawczy kierowany przez Colette Salyk z Vassar College w Poughkeepsie, w Nowym Jorku, i Klausa Pontoppidana z Space Telescope Science Institute w Baltimore, Maryland, chce ocenić ilość wody, tlenku węgla, dwutlenku węgla, metanu i amoniaku, oraz wielu innych cząsteczek, w każdym z tych dysków.
Co ważne, będą możliwe oszacowanie zawartości cząsteczek, które zawierają pierwiastki niezbędne do życia, jakie znamy, w tym tlen, węgiel i azot. Za pomocą spektroskopii uchwycić będzie można całe światło emitowane w centrum każdego dysku protoplanetarnego jako widmo, które tworzy szczegółowy wzór barwny na bazie długości fal emitowanego światła. Ponieważ każda molekuła odciska unikatowy wzór na widmie, naukowcy mogą stworzyć spis zawartości każdego dysku protoplanetarnego.
Siła tych wzorów niesie ze sobą informacje o temperaturze i ilości każdej molekuły.
Międzynarodowy zespół korzystający z Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba będzie również badał Mgławicę Oriona, a konkretnie jej część zwaną Pasem Oriona, aby dowiedzieć się więcej o wpływie masywnych gwiazd na ich otoczenie. "Fakt, że masywne gwiazdy kształtują strukturę galaktyk przez eksplozje jako supernowe jest znany od dawna. Jednak ostatnio odkryto, że masywne gwiazdy wpływają na swoje otoczenie nie tylko jako supernowe, ale także poprzez wiatry i promieniowanie w trakcie swojego życia", powiedział w komunikacie prasowym jeden z głównych badaczy zespołu, Olivier Berné, naukowiec z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych w Tuluzie.
Gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA rozpocznie operacje naukowe w 2022 roku, jednym z jego pierwszych zadań będzie także ambitny program mapowania najwcześniejszych struktur we Wszechświecie, nazwany COSMOS-Webb (8). Ten szeroki i głęboki przegląd pół miliona galaktyk jest największym projektem, jaki Webb podejmie w pierwszym roku swojego istnienia. Mając ponad dwieście godzin czasu obserwacyjnego przegląd COSMOS-Webb zmapuje 0,6 stopnia kwadratowego nieba za pomocą kamery bliskiej podczerwieni (NIRCam) - to mniej więcej obszar trzech Księżyców w pełni, jednocześnie mapując 0,2 stopnia kwadratowego za pomocą instrumentu średniej podczerwieni (MIRI).
Badanie COSMOS rozpoczęło się w 2002 roku jako program Hubble’a mający na celu zobrazowanie znacznie większego skrawka nieba, o powierzchni około dziesięciu księżyców w pełni. Od tego momentu prace w ramach programu nabrały tempa. Zaangażował się w nie większość najważniejszych teleskopów na Ziemi i w kosmosie. Obecnie COSMOS jest przeglądem o wielu długościach fali, który obejmuje całe spektrum od promieniowania rentgenowskiego do radiowego. COSMOS-Webb jest kolejną odsłoną programu, w której używa się możliwości JWST do rozszerzenia (i w pewnym sensie - pogłębienia) horyzontu spojrzenia na Wszechświat.
COSMOS-Webb jest programem klasy "Treasury", który z definicji ma na celu stworzenie zbiorów danych o trwałej wartości naukowej. Programy Treasury maja na celu rozwiązanie wielu problemów naukowych za pomocą jednego, spójnego zbioru danych.
Dane uzyskane w ramach programu Treasury zazwyczaj nie mają okresu wyłącznego dostępu, co umożliwia natychmiastową analizę przez innych badaczy.
W ramach kolejnego ważnego programu badawczego zespół badaczy po wystrzeleniu teleskopu zespół naukowców skieruje Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba na sześć najbardziej odległych i jasnych kwazarów, by badać ich właściwości a także zbierać dane na temat goszczących je galaktyk. Zespół wykorzysta również kwazary do zbadania gazu w przestrzeni pomiędzy galaktykami, szczególnie w okresie kosmicznej rejonizacji, która zakończyła się, gdy Wszechświat był bardzo młody. Wszystkie te kwazary, które badamy, istniały bardzo wcześnie, kiedy Wszechświat miał mniej niż 800 milionów lat. Tak więc te obserwacje dają nam możliwość studiowania ewolucji galaktyk oraz formowania się i ewolucji supermasywnych czarnych dziur w bardzo wczesnym okresie istnienia.
Zespół naukowy użyje kwazarów jako źródeł światła tła, aby zbadać gaz znajdujący się pomiędzy nami a kwazarem. Gaz ten pochłania światło kwazara na określonych długościach fal. Za pomocą techniki zwanej spektroskopią obrazową, uczeni będą szukali linii absorpcyjnych w gazie między kwazarami. Im jaśniejszy jest kwazar, tym silniejsze będą te linie absorpcyjne w widmie. Określając, czy gaz jest neutralny czy zjonizowany, naukowcy liczą na zdobycie wiedzy o wczesnych procesach jnizacji i rejonizacji.
Zespół przeanalizuje światło pochodzące z kwazarów za pomocą NIRSpec w poszukiwaniu pierwiastków cięższych od wodoru i helu. Pierwiastki te powstały w pierwszych gwiazdach i pierwszych galaktykach, a następnie zostały wyrzucone. Gaz przemieszcza się z galaktyk, w których pierwotnie się znajdował, do ośrodka międzygalaktycznego. Zespół planuje zmierzyć wytwarzanie tych pierwszych "metali", jak również zbadać sposób, w jaki są one wypychane do ośrodka międzygalaktycznego przez te wczesne procesy.
Jak widać, kalendarz badawczy JWST ma już mocno napięty. A to tylko pierwszy rok i zapewne w kolejce czeka wiele innych projektów i programów obserwacji. Miejmy nadzieję, że za jakieś pięć lat będziemy dzięki tej wspaniałemu zaawansowanemu obserwatorium kosmicznemu dużo mądrzejsi niż jesteśmy obecnie. Oby tylko wszystko poszło jak trzeba w skomplikowanej procedurze umieszczania, rozmieszania, rozkładania i uruchomienia tej skomplikowanej maszynerii. Trzymamy kciuki.
Mirosław Usidus
