Vuosi sen laukaisun jälkeen tähtitieteilijät paljastavat maailmankaikkeuden salaisuudet ensimmäisinä tieteellisinä tuloksina maailmankaikkeuden havainnoista. James Webb avaruusteleskooppi (JWST) julkaistaan. Tässä kuussa, Fysiikan maailma julkaisee sarjan blogikirjoituksia löydöistä. Tämä on sarjan neljäs postaus – voit lukea edellisen tästä.
On kulunut vuosi James Webbin avaruusteleskoopin (JWST) laukaisusta, ja sen vaarallisen käyttöönoton ja huolellisen kollimoinnin jälkeen se vihdoin lähettää takaisin uskomattomia kuvia ja tietoja. Käynnistysalustalta täydelle toiminnalle ei kuitenkaan ollut helppo tehtävä. Tässä on muistutus siitä, kuinka kaikki tapahtui.
Joulupäivä 2021: Lähes 25 vuoden kehitystyön jälkeen JWST nousi avaruuteen Ariane 5 -raketin huipulla. Sen käynnistäminen oli voitto teknologisista koettelemuksista, budjetin ja aikataulun ylityksistä ja jopa Yhdysvaltain kongressin (väliaikainen) peruutus. Tämän seurauksena tunteet olivat korkealla, kun laukaisualustan lähtölaskenta lähestyi nollaa.
"Se oli jännittynyt", myöntää Susan Mullally, JWST:n apulaisprojektitutkija Space Telescope Science Institutessa (STScI) Baltimoressa. "En voinut uskoa, että se oli totta", lisää Naomi Rowe-Gurney, JWST GTO (Guaranteed Time Observations) -postdoc NASAn Goddard Space Flight Centerissä, jossa hän tukee Planetary Systems -tiimiä. "Odotin uutta jonkinlaista viivästystä. Luulin, että se ei koskaan käynnisty."
Vaarallinen matka
Projektin kehitystyön pysäytys-start-luonne johtui osittain kaukoputken monimutkaisuudesta, jossa on segmentoitu 6.5 metrin pääpeili sekä hauras, viisikerroksinen, tenniskentän kokoinen eristävä aurinkosuoja. Molempien elementtien piti avautua kuin origami sen jälkeen, kun niitä oli rypistetty sopimaan raketin sisään – 30 päivän prosessi, joka osui samaan aikaan kaukoputken matkan kanssa L2 Lagrange -pisteeseen Auringon toisella puolella, 1.6 miljoonan kilometrin päässä Maasta.
Tämä kohta on aivan liian kaukana sellaiselle Hubble-avaruusteleskoopin astronauttiavusteiselle huollolle, joka vastaanotettiin viallisesta optiikasta vuonna 1993. Jos jokin olisi mennyt pieleen JWST:n peilissä sen käyttöönoton aikana, tähtitieteilijöille olisi jäänyt 10 miljardia dollaria valkoista. elefantti kelluu syvässä avaruudessa.
"Nämä ensimmäiset 30 päivää olivat melko hermoja raastavat, koska mikä tahansa ongelma oli yhden pisteen vika ja merkitsisi sitä, että meillä ei olisi kaukoputkia", Rowe-Gurney sanoo.
Kaiken kaikkiaan tällaisia mahdollisia vikakohtia oli 344: 344 pistettä, joissa kaukoputken monimutkaisten liikkuvien osien oli toimittava täydellisesti avaruuden kylmässä tyhjiössä. Silti he tekivät työtä – "ilmiömäisesti" NASA Goddardin Jane Rigbyn mukaan. Ensimmäiset tieteelliset tulokset JWST:ltä konferenssissa, joka pidettiin STScI:ssä aiemmin tässä kuussa.
"Päivä, jolloin tiesin, että tämä todella toimii, oli silloin, kun pääpuomi kääntyi ulos ja toissijainen peili taittui ulos, ja meillä oli itse asiassa kaukoputki", Rowe-Gurney sanoo. "Vaikka myöhemmät käyttöönotot eivät toimisi, voisimme vangita valoa ja laittaa sen instrumentteihin."
Teleskoopin tarkentaminen
Kun molemmat peilit olivat käytössä, seuraava askel oli tarkentaa ensisijaisen peilin 18 kuusikulmaista berylliumsegmenttiä. Tämä toteutettiin seitsemässä vaiheessa. Aluksi jokainen segmentti tuotti erilaisen tarkentamattoman kuvan, joten ensimmäinen vaihe oli tunnistaa, mikä kuva kuului mihinkin peilisegmenttiin. Seuraava askel oli kohdistaa peilit karkeasti niin, että kaikki 18 kuvaa olivat tarkennettuina. Sen jälkeen segmenttejä säädettiin edelleen niin, että ne alkoivat tarkentaa samaan kohtaan.
Tätä seurasi eriasteinen hienosäätö ja sen varmistaminen, että tarkennus osui eri instrumenttien näkökenttien sisälle, ja sitten sarja korjauksia varmistaakseen, että segmentit olivat 50 nm:n etäisyydellä toisistaan. Lopulta, kolmen kuukauden prosessin jälkeen, teleskooppi oli tarkennettu.
Nopeusrajoituksen rikkominen
Kun kaukoputki oli hyvässä kunnossa, seuraava askel oli sen yksittäisten instrumenttien kalibrointi: Lähi-infrapunakamera (NIRCam), The Lähi-infrapunaspektrometri (NIRSpec)ja MIRI, ilmaisimien sarja, jotka muodostavat Keski-infrapunainstrumentti.
Kaukaiset, syvän avaruuden kohteet näyttävät kiinnittyneiltä taivaalle, mutta aurinkokunnan esineet liikkuvat tähtien, sumujen ja galaksien taustaa vasten. Siksi planeettojen, kuuiden, komeettojen ja asteroidien kuvaamiseksi JWST:n on seurattava niitä kääntämällä avaruusalusta fyysisesti. Ennen laukaisua otettiin käyttöön seurantanopeusrajoitus: 30 millikaaresekuntia sekunnissa, jossa yksi kaarisekunti on 1/3600 astetta).
Avaruudessa saavuttuaan joukkue kuitenkin tajusi, että tämä raja oli hieman pessimistinen. "Testasimme, kuinka nopeasti pystymme jäljittämään, ja tajusimme, että voisimme tehdä paljon nopeammin", sanoo Rowe-Gurney, joka oli mukana ottamassa käyttöön instrumentteja, joilla kerättiin tietoja liikkuvista kohteista ja hajaantuneesta valosta.
Lisääntynyt seurantanopeus tuli hyödylliseksi muutamaa kuukautta myöhemmin, kun JWST havaitsi DART:n (Double Asteroid Redirection Test) vaikutuksen pieneen asteroidiin Dimorphosin. DART-tehtävä oli Fysiikan maailmatieteellistä vuoden läpimurto vuodelle 2022, ja JWST pystyi kuvaamaan törmäyksestään sinkoutuneita roskia seuraamalla kolme kertaa alkuperäistä rajaa nopeammin, pitäen asteroidin näkökentässä hämärtymättä. Itse asiassa teleskooppi on sittemmin saavuttanut seurantanopeudet jopa 120 millikaaresekuntia sekunnissa. Kuitenkin, mitä nopeammin se seuraa, sitä alhaisempi sen seurantatehokkuus, mikä johtaa keskitien kompromissiin. "Ensi vuonna turvallista seurantanopeutta nostetaan 75 millikaareen sekuntiin sekunnissa, mikä yli kaksinkertaistaa nopeusrajoituksen, joten voimme seurata aurinkokunnassa vielä enemmän kohteita rikkomatta kaukoputkea", Rowe-Gurney sanoo.
Hajavalon poistaminen
Kun JWST tuijottaa kirkasta kohdetta - planeettaa, tähteä, jopa kaukainen kvasaari - osa ylimääräisestä valosta muodostaa diffraktiokuvion. Tämä kuvio johtuu "piikkeistä", jotka näkyvät monissa JWST:n kuvissa etualalla olevien tähtien ympärillä, ja vaikka se on kaunis, se voi hämärtää tieteellisiä yksityiskohtia. Onneksi jokaisen kaukoputken ainutlaatuista diffraktiokuviota voidaan kuvata pistehajautusfunktiona, ja karakterisoimalla tämän pistehajautusfunktion muotoa JWST:lle ja sen instrumenteille, tähtitieteilijät voivat tarvittaessa poistaa kuvista ylimääräisen valon.
Esimerkkinä oli JWST:n kuva Wolf-Rayet-tähdestä WR 140, joka sijaitsee 5000 valovuoden päässä. Kun JWST kuvasi ne ensimmäisen kerran, tähtitieteilijät hämmästyivät nähdessään 17 samankeskistä rengasta tai kuorta tähden ympärillä. Näiden renkaiden luultiin alun perin olevan kaukoputken kuvantamisesineitä, mutta pisteen leviämistoiminnon poistamisen jälkeen renkaat olivat edelleen siellä. Simulaatioihin perustuva lisätutkimus osoitti, että kaksoistähtien tähtituulet voivat tuottaa pölyrenkaita, joissa ne törmäävät ja tiivistyvät. Lisäksi simuloitujen renkaiden kuvio vastasi tarkasti WR 140:n ympärillä olevien renkaiden kuviota, jopa lineaariseen ominaisuuteen, joka leikkaa renkaat läpi näkölinjamme tehostetun infrapunasäteilyn ansiosta.
WR 140:n havainnot edustavat ensimmäistä kertaa kaksoitähden ympärillä törmäävä tuulirakenne on kartoitettu 3D:nä. Mutta jos tähtitieteilijät eivät olisi ensin mallintaneet kaukoputkeen vuotavaa sironnutta valoa, jotta he olisivat voineet poistaa sen, olisi ollut mahdotonta erottaa, mitä havainnot kertoivat meille.
Tähtitieteilijöiden uusi lelu
Wolf–Rayet-tähtiesimerkki osoittaa, kuinka tärkeää on tutustua kaukoputkeen havainnoinnin aikana. "Se on asia, jota sinun täytyy ajatella paljon", Mullally sanoo. "Jokaisella askeleella toivot tiimissäsi olevan asiantuntijan, joka tietää mahdollisimman paljon joko instrumentista tai siitä, miten tämäntyyppiset havainnot tehdään."
Näin ollen yksi JWST:n taustalla olevista motiiveista Early Release Science (ERS) auttoi muutamaa tähtitieteilijää tutustumaan kaukoputkeen ja sen instrumentteihin, jotta he voivat saada muut vauhtiin myöhempiä havaintojaksoja varten. "Se on kuin uusi lelu", Rowe-Gurney sanoo. "Tietojen käsittelyssä ja kalibroinnissa on paljon työtä sen luotettavuuden varmistamiseksi."
Onneksi JWST pelaa palloa. "Instrumenttitutkijat saattavat sanoa, että he opettelevat edelleen tuntemaan instrumenttejaan ja kuinka edetä poistamalla pieniä systematiikkaa ja esineitä ja sen kaltaisia asioita tiedoistasi", Mullally sanoo, "mutta kaiken kaikkiaan saan vaikutelman, jonka saan kaikista kaukoputkesta. toimii loistavasti."
Vaikutusriski
Toistaiseksi JWST:n suorituskykyyn liittyy vain yksi varoitus: mikrometeoroidien törmäysten aiheuttamat vahingot. Keskimäärin kaukoputken peiliin osuu kerran kuukaudessa jotain riittävän suurta vaikuttaakseen aaltorintaman tunnistus, joka on kaukoputken kyky havaita optiikan kohdistusvirheet, jotka voivat ilmetä valoaaltoina poissa vaiheesta. Tämä aaltorintaman havaitsemisen heikkeneminen voi tehdä kuvista vähemmän teräviä.
Tällaisia vaikutuksia odotettiin ennen laukaisua, eikä niiden odotettu olevan tarpeeksi suuria uhkaamaan kaukoputken käyttöikää. Toukokuussa 2022 yksi peilisegmenteistä sai kuitenkin tavanomaista suuremman vaikutuksen. Rigby kertoi puheessaan First Science Results from JWST -konferenssissa, että tämä isku jätti jalkaan poikki haavan, mikä lisäsi kaukoputken kokonaisaaltorintamavirhettä 9 nm:llä. Tämä on merkittävää, koska jos aaltorintamavirhe saavuttaa 150 nm, kaukoputki ei ole enää tarpeeksi herkkä saavuttaakseen tieteellisiä tavoitteitaan - mikä tarkoittaa, että vain 10 saman mittakaavan vaikutusta olisi "pelin ohi" JWST:lle.
Hieman huolestuneena tästä mahdollisuudesta NASA on kutsunut koolle mikrometeoroidityöryhmän tutkimaan riskiä. Mikrometeoroidipopulaatio L2:ssa tunnetaan hyvin; mikä ei ole selvää, on suhde iskujen kineettisen energian ja aaltorintaman havaitsemisen heikkenemisen välillä. Ovatko näin suuret vaikutukset erittäin harvinaisia ja JWST oli yksinkertaisesti epäonninen toukokuussa? Vai kokeeko kaukoputki ennustettua useammin vakavampia iskuja?
Kvasaarit, eksoplaneetat ja kaukaisten maailmojen ilmapiirit: lisää JWST:n ensimmäisistä tuloksista
Ennen kuin työryhmä saa vastauksia, kaukoputken johtajat pienentävät riskiä rohkaisemalla tähtitieteilijöitä ajoittamaan havaintojaan (jos mahdollista – aikaherkät havainnot vapautetaan), jotta kaukoputki ei osoita mikrometeoroidien "sateeseen".
Jos tämä järjestelmä onnistuu tai työryhmä antaa vakuuttavan vastauksen vaikutuskertoimista, JWST:llä pitäisi olla pitkä elinikä edessään. Virheettömän laukaisunsa ja minimaalisia kurssikorjauksia vaatineen matkan ansiosta kiikaritähtäimessä on riittävästi ponneainetta jatkaakseen tehtäväänsä vielä ainakin 2 vuodeksi. Jos tehtävän ensimmäiset 27 kuukautta ovat viitteitä, näiden 12 vuoden aikana pitäisi tuottaa valtavasti uusia sensaatiomaisia näkemyksiä ja tietoja erinomaisesta instrumentista, jolla on suuri todennäköisyys muuttaa astrofysiikkaa, eksoplaneettojen tutkimuksia, kosmologiaa ja paljon muuta. JWST:n lanseerauksen vuoristorata saattaa olla ohi, mutta todellinen matka on vasta alussa.
