Met elke ekstra sentimeter diafragma, elke ekstra sekonde van waarnemingstyd en elke ekstra atmosferiese rommel wat uit die teleskoop se gesigsveld verwyder word, kan die Heelal beter, dieper en duideliker gesien word.
25 jaar van Hubble
Toe die Hubble-teleskoop in 1990 begin werk het, het dit 'n nuwe era in sterrekunde – die ruimte – ingelui. Daar was geen bakleiery meer met die atmosfeer nie, geen bekommernis meer oor wolke of elektromagnetiese flikkering nie. Al wat nodig was, was om die satelliet na die teiken te ontplooi, dit te stabiliseer en fotone te versamel. Binne 25 jaar het ruimteteleskope die hele elektromagnetiese spektrum begin dek, wat dit vir die eerste keer moontlik gemaak het om die heelal op elke golflengte van lig te sien.
Maar soos ons kennis toegeneem het, het ons begrip van die onbekende ook toegeneem. Hoe verder ons in die heelal kyk, hoe dieper sien ons die verlede: die beperkte hoeveelheid tyd sedert die Oerknal, gekombineer met die eindige spoed van lig, bied 'n beperking op wat ons kan waarneem. Boonop werk die uitbreiding van die ruimte self teen ons deur die golflengte te rekdie lig van die sterre soos dit deur die heelal na ons oë beweeg. Selfs die Hubble-ruimteteleskoop, wat ons die diepste, mees asemrowende beeld gee van die heelal wat ons nog ooit ontdek het, is beperk in hierdie verband.
Nadele van Hubble
Hubble is 'n wonderlike teleskoop, maar dit het 'n aantal fundamentele beperkings:
- Slegs 2,4 m in deursnee, wat die resolusie daarvan beperk.
- Ten spyte daarvan dat dit met reflektiewe materiale bedek is, word dit voortdurend aan direkte sonlig blootgestel, wat dit verhit. Dit beteken dat dit weens termiese effekte nie liggolflengtes groter as 1,6 µm kan waarneem nie.
- Die kombinasie van beperkte diafragma en die golflengtes waarvoor dit sensitief is, beteken dat die teleskoop sterrestelsels wat nie ouer as 500 miljoen jaar is nie, kan sien.
Hierdie sterrestelsels is pragtig, ver en het bestaan toe die heelal net sowat 4% van sy huidige ouderdom was. Maar dit is bekend dat sterre en sterrestelsels selfs vroeër bestaan het.
Om dit te sien, moet die teleskoop 'n hoër sensitiwiteit hê. Dit beteken om na langer golflengtes en laer temperature as Hubble te beweeg. Dit is hoekom die James Webb-ruimteteleskoop gebou word.
Prospects for Science
James Webb-ruimteteleskoop (JWST) is ontwerp om presies hierdie beperkings te oorkom: met 'n deursnee van 6,5 m, versamel die teleskoop 7 keer meer lig as die Hubble. Hy maak oophoë resolusie ultraspektroskopie van 600 nm tot 6 µm (4 keer die golflengte wat Hubble kan sien), om waarnemings in die middel-infrarooi gebied van die spektrum te maak met hoër sensitiwiteit as ooit tevore. JWST gebruik passiewe verkoeling tot Pluto se oppervlaktemperatuur en is in staat om middel-infrarooi instrumente aktief af te koel tot 7K.
Hy sal toelaat:
- kyk na die vroegste sterrestelsels wat ooit gevorm is;
- sien deur neutrale gas en ondersoek die eerste sterre en die herionisasie van die heelal;
- voer spektroskopiese ontleding uit van die heel eerste sterre (bevolking III) wat na die Oerknal gevorm is;
- kry ongelooflike verrassings soos die ontdekking van die vroegste supermassiewe swart gate en kwasars in die heelal.
JWST se vlak van wetenskaplike navorsing is anders as enigiets in die verlede, en daarom is die teleskoop as NASA se vlagskipsending van die 2010's gekies.
Wetenskaplike meesterstuk
Vanuit 'n tegniese oogpunt is die nuwe James Webb-teleskoop 'n ware kunswerk. Die projek het 'n lang pad gevorder: daar was begrotingoorskryding, skedulevertragings en die gevaar dat die projek gekanselleer word. Na die ingryping van die nuwe leierskap het alles verander. Die projek het skielik soos klokslag gewerk, fondse is toegewys, foute, mislukkings en probleme is in ag geneem, en die JWST-span het begin inpasalle sperdatums, skedules en begrotingsraamwerke. Die lansering van die toestel is geskeduleer vir Oktober 2018 op die Ariane-5-vuurpyl. Die span hou nie net by die skedule nie, hulle het nege maande oor om rekening te hou met alle gebeurlikhede om te verseker dat alles gepak en gereed is vir daardie datum.
Die James Webb-teleskoop bestaan uit 4 hoofdele.
Optiese blok
Sluit alle spieëls in, waarvan die agtien primêre gesegmenteerde vergulde spieëls die doeltreffendste is. Hulle sal gebruik word om verafgeleë sterlig te versamel en dit op instrumente vir ontleding te fokus. Al hierdie spieëls is nou gereed en foutloos, reg op skedule gemaak. Sodra dit saamgestel is, sal hulle in 'n kompakte struktuur gevou word om meer as 1 miljoen km vanaf die Aarde na die L2 Lagrange-punt gelanseer te word, en dan outomaties ontplooi om 'n heuningkoekstruktuur te vorm wat vir jare lank ultra-langafstandlig sal versamel. Dit is 'n baie mooi ding en die suksesvolle resultaat van die titaniese pogings van baie spesialiste.
Naby-infrarooi kamera
Webb is toegerus met vier wetenskaplike instrumente wat 100% voltooi is. Die teleskoop se hoofkamera is 'n naby-IR-kamera wat wissel van sigbare oranje lig tot diep infrarooi. Dit sal ongekende beelde verskaf van die vroegste sterre, die jongste sterrestelsels wat nog in die proses van vorming is, die jong sterre van die Melkweg en nabygeleë sterrestelsels, honderde nuwe voorwerpe in die Kuipergordel. Sy isgeoptimaliseer vir direkte beelding van planete rondom ander sterre. Dit sal die hoofkamera wees wat deur die meeste waarnemers gebruik word.
Naby-infrarooispektrograaf
Hierdie instrument skei nie net lig in afsonderlike golflengtes nie, maar is in staat om dit te doen vir meer as 100 afsonderlike voorwerpe op dieselfde tyd! Hierdie instrument sal 'n universele Webba-spektrograaf wees wat in 3 verskillende spektroskopie-modusse kan werk. Dit is deur die Europese Ruimte-agentskap gebou, maar baie komponente, insluitend verklikkers en 'n veelhekbattery, is deur die Ruimtevlugsentrum verskaf. Goddard (NASA). Hierdie toestel is getoets en is gereed om te installeer.
Mid-Infrarooi Instrument
Die toestel sal vir breëbandbeelding gebruik word, dit wil sê, dit sal die indrukwekkendste beelde van alle Webb-instrumente produseer. Vanuit’n wetenskaplike oogpunt sal dit die nuttigste wees om protoplanetêre skywe rondom jong sterre te meet, Kuipergordelvoorwerpe en stof wat deur sterlig verhit word met ongekende presisie te meet en af te beeld. Dit sal die enigste instrument wees wat kriogeen afgekoel word tot 7 K. In vergelyking met die Spitzer-ruimteteleskoop sal dit resultate met 'n faktor van 100 verbeter.
Skeurlose naby-IR-spektrograaf (NIRISS)
Die toestel sal jou toelaat om te produseer:
- wyehoekspektroskopie in die naby-infrarooi golflengtes (1.0 - 2.5 µm);
- grism-spektroskopie van een voorwerp insigbare en infrarooi reeks (0,6 - 3,0 mikron);
- openingmaskerende interferometrie by golflengtes van 3,8 - 4,8 µm (waar die eerste sterre en sterrestelsels verwag word);
- wyeafstandskiet van die hele gesigsveld.
Hierdie instrument is deur die Kanadese Ruimte-agentskap geskep. Nadat dit deur kriogene toetse gegaan het, sal dit ook gereed wees vir integrasie in die instrumentkompartement van die teleskoop.
Sonskild
Ruimteteleskope is nog nie daarmee toegerus nie. Een van die mees intimiderende aspekte van elke bekendstelling is die gebruik van heeltemal nuwe materiaal. In plaas daarvan om die hele ruimtetuig aktief af te koel met 'n eenmalige verbruikbare koelmiddel, gebruik die James Webb Telescope 'n heeltemal nuwe tegnologie, 'n 5-laag sonskerm wat ontplooi sal word om sonstraling van die teleskoop te reflekteer. Vyf 25-meter-plate sal met titaniumstawe verbind word en geïnstalleer word nadat die teleskoop ontplooi is. Beskerming is in 2008 en 2009 getoets. Die volskaalse modelle wat aan die laboratoriumtoetse deelgeneem het, het alles gedoen wat hulle veronderstel was om hier op Aarde te doen. Dit is 'n pragtige innovasie.
Dis ook 'n ongelooflike konsep: nie net om die lig van die Son te blokkeer en die teleskoop in skadu te plaas nie, maar om dit op so 'n manier te doen dat al die hitte in die teenoorgestelde rigting van die teleskoop se oriëntasie uitgestraal word. Elkeen van die vyf lae in die vakuum van die ruimte sal koud word soos dit wegbeweeg van die buitenste, wat effens warmer as die temperatuur sal wees.die oppervlak van die Aarde - ongeveer 350-360 K. Die temperatuur van die laaste laag moet daal tot 37-40 K, wat kouer is as snags op die oppervlak van Pluto.
Boonop is aansienlike voorsorgmaatreëls getref om teen die harde omgewing van diep ruimtes te beskerm. Een van die dinge om hier oor bekommerd te wees, is klein klippiesgrootte klippies, sandkorrels, stofkolle en selfs kleineres wat deur interplanetêre ruimte vlieg teen spoed van tien of selfs honderdduisende kilometers per uur. Hierdie mikrometeoriete is in staat om klein, mikroskopiese gaatjies te maak in alles wat hulle teëkom: ruimtetuie, ruimtevaarderpakke, teleskoopspieëls en meer. As die spieëls net duike of gate kry, wat die hoeveelheid "goeie lig" wat beskikbaar is effens verminder, dan kan die sonskerm van rand tot rand skeur, wat die hele laag nutteloos maak. 'n Briljante idee is gebruik om hierdie verskynsel te bekamp.
Die hele sonskerm is op so 'n manier in dele verdeel dat as daar 'n klein gaping in een, twee of selfs drie van hulle is, die laag nie verder sal skeur nie, soos 'n kraak in die voorruit van 'n voertuig. Afskorting sal die hele struktuur ongeskonde hou, wat belangrik is om agteruitgang te voorkom.
Ruimtetuie: samestelling en beheerstelsels
Dit is die mees algemene komponent, soos alle ruimteteleskope en wetenskapsendings het. By JWST is dit uniek, maar ook heeltemal gereed. Al wat oorgebly het vir die projek se algemene kontrakteur, Northrop Grumman, was om die skild te voltooi, die teleskoop aanmekaar te sit en dit te toets. Die masjien sal gereed wees virbekendstelling oor 2 jaar.
10 jaar van ontdekking
As alles reg verloop, sal die mensdom op die drumpel staan van groot wetenskaplike ontdekkings. Die sluier van neutrale gas wat tot dusver die uitsig van die vroegste sterre en sterrestelsels verbloem het, sal uitgeskakel word deur die infrarooi vermoëns van die Webb en sy groot helderheid. Dit sal die grootste, sensitiefste teleskoop wees wat ooit gebou is, met 'n groot golflengtereeks van 0,6 tot 28 mikron (die menslike oog sien 0,4 tot 0,7 mikron). Dit sal na verwagting 'n dekade van waarnemings verskaf.
Volgens NASA sal die lewe van die Webb-sending van 5,5 tot 10 jaar wees. Dit word beperk deur die hoeveelheid dryfmiddel wat nodig is om wentelbaan te handhaaf en die leeftyd van die elektronika en toerusting in die moeilike omgewing van die ruimte. Die James Webb Orbital Telescope sal brandstof vir die hele tydperk van 10 jaar dra, en 6 maande na lansering sal vlugondersteuningstoetse uitgevoer word, wat 5 jaar se wetenskaplike werk waarborg.
Wat kan verkeerd loop?
Die belangrikste beperkende faktor is die hoeveelheid brandstof aan boord. Wanneer dit eindig, sal die satelliet wegdryf van die L2 Lagrange-punt en 'n chaotiese wentelbaan in die onmiddellike omgewing van die Aarde binnegaan.
Kom hiermee saam, ander probleme kan gebeur:
- degradasie van spieëls, wat die hoeveelheid versamelde lig sal beïnvloed en beeldartefakte sal skep, maar nie die verdere werking van die teleskoop sal beskadig nie;
- mislukking van 'n gedeelte van of die hele sonskerm, wat tot 'n toename sal leiruimtetuig temperatuur en vernou die bruikbare golflengtereeks tot die baie naby infrarooi (2-3 µm);
- Midde-IR-instrument verkoelingstelsel misluk, wat dit onbruikbaar maak, maar nie ander instrumente beïnvloed nie (0.6 tot 6 µm).
Die moeilikste toets wat op die James Webb-teleskoop wag, is die lansering en invoeging in 'n gegewe wentelbaan. Hierdie situasies is getoets en suksesvol voltooi.
Revolusie in wetenskap
As die James Webb-teleskoop in werking is, sal daar genoeg brandstof wees om dit van 2018 tot 2028 aan te dryf. Boonop is daar die potensiaal vir hervulling, wat die leeftyd van die teleskoop met nog 'n dekade kan verleng. Net soos Hubble al 25 jaar in werking is, kan JWST 'n generasie revolusionêre wetenskap verskaf. In Oktober 2018 sal die Ariane 5-lanseringsvoertuig die toekoms van sterrekunde in 'n wentelbaan lanseer, wat, na meer as 10 jaar se harde werk, gereed is om vrugte te begin afwerp. Die toekoms van ruimteteleskope is amper hier.
