Złote oko na Wszechświat


Najnowsze: Zakończona kalibracja lustra!



                Lata opóźnień, problemów technicznych. Nawet rozłożenie i ponowne złożenie, aby upewnić się, że wszystko jest na miejscu i działa tak jak powinno. Kosmiczny teleskop im. Jamesa Weba przysporzył nam wiele problemów, nerwów i jest odpowiedzialny za nie jeden siwy włos. Ale w końcu doczekaliśmy się wielkiego dnia!

Jednak czemu cały świat około-astronomiczny z taką cierpliwością czeka na wysłanie kolejnego „wielkiego oka” w przestrzeń kosmiczną?

Aby na to pytanie odpowiedzieć trzeba się trochę cofnąć w czasie. Wszystkim nam jest znany Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Legendarny wręcz instrument optyczny który pomógł nam poznać wszechświat i ukazał cuda, o których nie śnili najwybitniejsi malarze czy twórcy powieści. Feeria barw i rozmaitość kształtów to tylko ułamek tego co dostarczył nam Hubble. Jednak wszystko to w bardzo wąskim zakresie promieniowania widzialnego. Od 1990 roku wytrwale pracuje (nie bez problemów) aby dostarczać nam danych o Wszechświecie.

Obok teleskopu Hubble’a mamy jeszcze teleskop Spitzera, który rozpoczął obserwacje w 2003. Jego lustro jest prawie 2,5x mniejsze oraz pracuje w zakresie podczerwieni i mikrofalowym. Tak samo jak Hubble, dostarczył nam wielu bezcennych obserwacji. Najgłośniejszym odkryciem ostatniego czasu, dokonanym za pomocą Spitzera było okrycie systemu Trappist-1 w którym znajdują się egzoplanety (wiele z nich podobnych do Ziemi). Zaletą obserwacji w paśmie podczerwieni jest to, że światło przebija się przez chmury gazu i pyłu kosmicznego. Pozwala to na zaglądanie, w obszary które nie są dostępne dla teleskopu oglądającego świat w zakresie światła widzialnego.  

Niestety, żadne urządzanie nie jest wieczne. W tym momencie teleskop Hubble’a liczy sobie już prawie 32 lata („staruszek” nawet nosi okulary! Soczewki w kształcie chipsów korygujące błąd w geometrii optyki, powstały podczas składania urządzenia). Jego misja ma się zakończyć między 2030 a 2040 r. Teleskop Spitzera będzie pracował jeszcze długie lata, jednak przez mały rozmiar (lustro o średnicy 0,86m) jego możliwości są ograniczone. Ilość światła zbieranego przez tak „niewielką” powierzchnie nie pozwala na obserwacje ciemniejszych, dalszych i tym samym starczych obiektów. Jak temu zaradzić?  

                To pytanie zadali sobie inżynierowie wraz z astronomami już w 1989 r. podczas warsztatów dotyczących teleskopów kosmicznych. Wtedy to ustalono, że jest potrzebny teleskop orbitalny, pracujący w zakresie podczerwieni. Dodatkowo uzgodniono, że średnica lustra powinna być większa niż 4m (to 2x więcej niż Hubble!). Składano propozycje, tworzono projekty. Aż w końcu, w 2002 roku NASA ogłosiła rozpoczęcie prac nad nowym urządzeniem. Sama konstrukcja rozpoczęła się w 2004 r.

(źródło: NASA)

Webb w liczbach

  • Koszt: 10 mld USD
  • Masa: 6500 kg
  • Lustro: 6,5 m (średnicy)
  • Rozmiar raczy słonecznej: 21 m x 14 m
  • “Zasięg”: 13,5 mld lat świetlnych
  • Czas poświęcony na konstrukcje: 40 mln godzin
  • 14 krajów brało udział w budowie
  • Planowany czas eksploatacji: 5 lat ( z możliwym wydłużeniem do 10 lat)
  • Zasilanie: panele słoneczne (2 kW)

(źródło: NASA)

Misja Teleskopu

Teleskop Jamesa Webba ma 4 podstawowe zadania do wypełnienia:

1. Obserwacja promieniowania pochodzącego z pierwszych galaktyk formujących się we wszechświecie (obiekty prawie 2x starsze i odleglejsze niż te dostrzegalne przez Hubble’a)

2. Obserwacja ewolucji galaktyk

3. Obserwacje procesu formowania się gwiazd oraz układów planetarnych

4. (dla nas chyba najważniejsze) Obserwacje egzoplanet, ich atmosfer oraz poszukiwanie biosygnatur.

Cele ambitne i bardzo trudne do spełnienia. Jak zaprojektować urządzeni które pozwoli na tak wiele?

                Webb, podobnie jak Spitzer, będzie obserwował wszechświat w podczerwieni. Ten zakres fal elektromagnetycznych pozwala na znacznie więcej niż światło widzialne. Dodatkową zaleta jest to, że każdy obiekt emitujący ciepło, emituje również promieniowanie podczerwone. No właśnie, każdy. W tym również Ziemia i Księżyc (już o Słońcu nie wspominając). Biorąc pod uwagę zakładane rozmiary lustra w nowym teleskopie oraz czułość detektorów, obserwacje z niskiej orbity (pomiędzy Ziemią a Księżycem) miałby się z celem. Można by to porównać do obserwowania gwiazd przez teleskop rozstawiony pod bardzo jasną latarnią uliczną. Nic nie zobaczymy, a jeśli chcielibyśmy wykonać zdjęcie to zostanie ono natychmiast prześwietlone. Jak temu zaradzić? Cóż, trzeba poprosić o pomoc zespół inżynierów, chemików, fizyków oraz materiałoznawców. Oto kilka z głównych rozwiązań, które zostały zastosowane:

(źródło: NASA

Orbita

                Webb nie będzie orbitował wokół Ziemi. Aby zminimalizować „zanieczyszczenie” promieniowaniem podczerwonym, jakie generuje nasza planeta, należy odsunąć teleskop nieco dalej. A dokładniej ok 1,5 mln kilometrów. Do tzw. „Drugiego Punku Lagrange’a” (pkt L2). Jest to jedno z 5 miejsc w Układzie słonecznym w którym równoważy się siła oddziaływania pola grawitacyjnego Ziemi i Słońca.  Są to w pewnym sensie miejsca parkingowe w naszym układzie słonecznym Punkt L2 znajduje się właśnie 1,5 mln km „za” Ziemią. Pozwala to na utrzymanie teleskopu w częściowo osłabionym przez Ziemie świetle Słońca oraz w zasadzie rozwiązuje problem promieniowania samej Ziemi. Jest to jednak na tyle blisko, że nie będzie problemu z zasięgiem i komunikacją z teleskopem

Tarcza słoneczna

                Chyba jeden z najbardziej rozpoznawalnych elementów teleskopu. Tarcza rozmiarów kortu do tenisa ma jedno i pozornie proste zadanie: zablokować światło słoneczne. Jednak jest to znacznie trudniejsze niż się wydaje. Pierwsze co może przyjść na myśl to postawienie zwykłej, jednolitej i nieprzepuszczalnej dla światła bariery. Takie rozwiązanie ma trzy wady:

1. Byłaby ona niesłychanie ciężka, co bardzo by utrudniło wysłanie teleskopu w przestrzeń kosmiczną.

2. Jeżeli byłaby odpowiednio lekka to musiałaby być odpowiednio cienka aby nie marnować miejsca w rakiecie. Po pewnym czasie by się nagrzała i zaczęła emitować promieniowanie podczerwone, oślepiając teleskop. Można by zastosować aktywne chłodzenie, ale to byłoby związane z dużym poborem energii i znacznym zwiększeniem masy teleskopu.

3. Tarcza musi być składana, aby zmieściła się do rakiety. Kawał “blachy” o rozmiarach 21 m x 14 m trudno przewieźć ciężarówką, a co dopiero rakietą.

W związku z tym, zaproponowano inne rozwiązanie. 5 warstw specjalnej folii pokrytej aluminium i krzemem.  Odstęp oraz kąt między warstwami pozwalają na rozproszenie promieniowania, co prowadzi to tego ze każda kolejna warstwa nagrzewa się mniej niż poprzednia. Z 200 000 Wattów które docierają do pierwszej warstwy, niecały 1 Watt przedostaje się na drugą stronę całego systemu.
Wszystko jednak ma swoją cenne. Składanie sztywnych powierzchnie jest proste. Jednak składanie folii, tak żeby zachowała się tak jak tego oczekujemy to bardzo duże wyzwanie. Aby sobie wizualizować ten problem, rozłóżcie kawałek nitki na stole. Następnie zacznijcie popychać jeden koniec w stronę drugiego. Jeśli powtórzycie ten eksperyment kilka razy to zauważycie szybko, że nitka złożyła się za każdym razem w inny sposób. Folia zachowa się bardzo podobnie.

Dodatkowo, istnieje spora szansa na to, że w powierzchnie rozmiarów kortu uderzy mikro-meteor. Spowoduje to pęknięcie, które w wypadku napiętej folii może się przerodzić w rozdarcie. Aby zapobiec zniszczeniu całej warstwy na raz, na powierzchni folii przyklejono siatkę wykonaną ze specjalnej taśmy, która ma zapobiec propagacji ewentualnego rozdarcia.

Samo rozkładanie tarczy słonecznej rozpocznie się siódmego dnia podróży i potrwa trzy dni. W tym czasie 107 spinek musi zostać uwolnione w bardzo ściśle określonej sekwencji. Zespół który konstruował tarczę i projektował jej rozkładanie określił 344 etapy, w których coś może pójść nie tak. Jeżeli podczas któregokolwiek z tych etapów coś wydarzy się niezgodnie z założeniami, teleskop będzie nie do odratowania.

(źródło: NASA)
(źródło: NASA)

Chłodzenie

Teleskop będzie w dużej mierze odizolowany od ciepła generowanego przez nasza gwiazdę. Jednak dla niektórych instrumentów zainstalowanych na pokładzie teleskopu, 60 K zapewnione przez tarczę słoneczną to nadal za dużo. Skomplikowany system kriogeniczny pozwoli na schłodzenie niektórych części teleskopu aż do 7 K! Problemem jest pobór energii (teleskop ma dostępne tylko 2000 W generowane przez panel słoneczne, tyle samo prądu pobiera czajnik elektryczny). Aby sprostać tym wymaganiom zaproponowano rozwiązanie graniczące z Sci-Fi.

Webb będzie wyposażony w absolutnie kosmiczną lodówkę. Jest ona wyposażona w zestaw dwóch dokładnie wyważonych tłoków przesuwających hel. Wyważenie ma tu znaczenie kluczowe. Jakiekolwiek wibracje teleskopu mogłyby spowodować rozmazane zdjęcia. System tłoków jest połączony z tzw. „komorą pulsacyjną” (ang. pulse tube) i termo akustycznym regeneratorem. Brzmi strasznie, ale w dużym uproszczeniu:

Fala dźwiękowa to nic innego jak zmiany ciśnienia przemierzające się w jakimś medium, np. w gazie. Sprężanie i rozprężanie gazu to podstawa działania każdej lodówki. Sprężony gaz się rozgrzewa a rozprężany ochładza (spróbujcie z puszką dezodorantu albo sprężonego powietrza – wypuście większą ilość gazu, szybko zauważycie, że puszka ostygła!). Możemy dostroić parametry komory tak, aby fala dźwiękowa rozchodząca się w zamkniętym w niej gazie była falą stojącą. Spowoduje to ze jedna strona komory będzie zawsze chłodniejsza od drugiej. Jeżeli w połowie drogi umieścimy wymiennik ciepła w połowie cylindra możemy przekierować to ciepło, gdzie tylko chcemy (w tym wypadku do radiatora oddającego ciepło do przestrzeni kosmicznej).

To tylko uproszczone wyjaśnienie zasady działania, zainteresowanych detalami zapraszam tutaj.

Lustro

Lustro (a w zasadzie lustra) Webba to drugi najbardziej rozpoznawalny element teleskopu. Składa się ono z 18 heksagonalnych segmentów wykonanych z berylu (lekki i wytrzymały metal, ale bardziej kruchy od stali) pokrytych cienką (700 atomów grubości) warstwą złota. Co prawda złoto nie ma dobrych właściwości do odbijania światła widzialnego, ale doskonale nadaje się do podczerwieni.
Każdy z tych osiemnastu sześciokątów ma wbudowany zestaw siłowników i silniczków które pozwalają na zmianę geometrii każdego z nich indywidualnie. Co pozwoli na lepsze dostrojenie optyki. Innym powodem, dla którego zdecydowano się na takie rozwiązanie jest fakt, że lustro musi być składane. 6,5m średnicy to za dużo dla rakiety Ariane V, więc boczne panele (po 3 sześciokąty z lewej i z prawej) są „odłamywane” do tyłu.
Dodatkowo, każdy uczy się na błędach. Hubble musiał mieć założone „okulary” aby skorygować wadę konstrukcyjną rzędu 200 mikrometrów (1/5 grubości ludzkiego włosa). Tak jak w przypadku Hubble, założenie soczewek korekcyjnych było zadaniem wykonalnym, tak w przypadku Webba, nie dałoby się przeprowadzić takiego serwisu. Jest po prostu za daleko i nie da się do niego dolecieć (przynajmniej na razie).

Lustro teleskopu musi być tak duże z jednego prostego powodu: musi zbierać dużo światła. Można to porównać do zbierania deszczu do wiadra. Im mniejsze wiadro tym mniej deszczu zbierzemy. Jeśli chcemy zebrać go dużo, potrzebujemy ogromny lejek.

Jak patrzymy na nocne, rozgwieżdżone niebo do naszego oka trafia ok. miliona fotonów na sekundę, jeśli patrzymy na jasną gwiazdę. Cele obserwacyjne Webba są tak ciemne i odległe, że będzie do niego trafiać 1 foton na sekundę.

(źródło: NASA)

To jest tylko kilka systemów które czynią teleskop Webba tak potężnym obserwatorium. Po więcej szczegółów zapraszam tutaj.


Źródła:
– NASA
Real Engineering

Privacy policy -> https://astrobio.pl/privacy-policy/