科学者によると、JWSTはXNUMX年後に「驚異的に」パフォーマンスを上げています

ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) が打ち上げられてから XNUMX 年が経ち、その危険な展開と慎重なコリメートの後、ついに信じられないほどの画像とデータを送り返してきました。 しかし、発射台から本格的な運用に移行するのは簡単なことではありませんでした。 ここで、すべてがどのように起こったかを思い出してください。

2021 年のクリスマスの日: JWST は 25 年近くの開発期間を経て、アリアン 5 ロケットに乗って宇宙に飛び立ちました。 その立ち上げは、技術的な問題、予算とスケジュールの超過、さらには米国議会による (一時的な) 中止に対する勝利でした。 その結果、ランチパッドのカウントダウンがゼロに近づくと、感情が高まりました。

「緊張していました」と認める スーザン・ムラリー、ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）のJWSTの副プロジェクト科学者。 「それが本物だとは信じられませんでした」と付け加えます ナオミ・ロウ＝ガーニーは、NASA のゴダード宇宙飛行センターの JWST GTO (Guaranteed Time Observations) ポスドクであり、惑星システム チームをサポートしています。 「また何らかの遅延が発生することを予想していました。 私はそれが決して打ち上げられることはないと思っていました。」

危険な旅

このプロジェクトの開発のストップ アンド スタートの性質は、一部には望遠鏡の複雑さが増したために生じました。この望遠鏡は、セグメント化された 6.5 メートルの主鏡と、壊れやすい 30 層のテニスコート サイズの断熱日よけを特徴としています。 両方の要素は、折り紙のように折り紙のように展開しなければなりませんでした。これは、地球から 2 万キロメートル離れた太陽の反対側にある L1.6 ラグランジュ ポイントへの望遠鏡の旅と一致する XNUMX 日間のプロセスでした。

この点は、ハッブル宇宙望遠鏡が 1993 年に欠陥のある光学系のために受けた宇宙飛行士支援サービスにはあまりにも遠すぎます。配備中に JWST の鏡に何か問題があったとしたら、天文学者は 10 億ドルの白紙を手にしたことでしょう。宇宙に浮かぶゾウ。

「最初の 30 日間は非常に神経質になりました。問題は XNUMX 点障害であり、望遠鏡がないことを意味していたからです」と Rowe-Gurney 氏は言います。

全体として、このような失敗の可能性があるポイントは 344 ありました。344 のポイントでは、望遠鏡の複雑な可動部品が宇宙の冷たい真空の中で完全に機能しなければなりませんでした。 NASA ゴダードのジェーン リグビー氏は、 JWSTからの最初の科学的結果 今月初めに STScI で開催された会議。

「これが実際に機能することを知ったのは、メイン ブームが振り出され、副鏡が展開され、実際に望遠鏡が設置されたときでした」と Rowe-Gurney 氏は言います。 「その後の展開がうまくいかなかったとしても、光を捉えて装置に入れることができました。」

望遠鏡の焦点合わせ

両方のミラーを配置したら、次のステップは、主ミラーの 18 の六角形のベリリウム セグメントに焦点を合わせることでした。 これは 18 つのフェーズで達成されました。 最初に、各セグメントは異なる焦点の合っていない画像を生成したため、最初のフェーズは、どの画像がどのミラー セグメントに属しているかを認識することでした。 次のステップは、XNUMX 枚の画像すべてに焦点が合うようにミラーを大まかに調整することでした。 その後、セグメントはさらに調整され、同じポイントに焦点を合わせ始めました。

これに続いて、さまざまな程度の微調整が行われ、焦点がさまざまな機器の視野内に収まるようにされた後、一連の修正が行われ、セグメントが互いに 50 nm 以内に整列されるようになりました。 最後に、XNUMX か月のプロセスの後、望遠鏡に焦点が合いました。

速度制限を破る

望遠鏡が良好な状態になったので、次のステップは個々の機器を調整することでした。 近赤外線カメラ（NIRCam） 近赤外分光計 (NIRSpec)、および MIRI を構成する一連の検出器です。 中赤外装置.

遠く離れた深宇宙の物体は空に固定されているように見えますが、太陽系の物体は星、星雲、銀河を背景に動いています。 したがって、惑星、月、彗星、小惑星を画像化するには、JWST は宇宙船を物理的に回転させて追跡する必要があります。 打ち上げ前に、追跡速度の制限が導入されました: 毎秒 30 ミリアーク秒 (1 アーク秒は 3600/XNUMX 度)。

しかし、宇宙に行ってみると、チームはこの限界が少し悲観的であることに気付きました。 「私たちはどれだけ速く追跡できるかをテストしていましたが、実際にははるかに速く追跡できることに気付きました」と、移動するターゲットと散乱光に関するデータを収集するための機器の試運転に携わった Rowe-Gurney は言います。

追跡速度の向上は、数か月後、JWST が小さな小惑星ディモルフォスへの DART (Double Asteroid Redirection Test) の影響の余波を観察したときに役に立ちました。 DARTミッションは 物理学の世界の科学的 今年のブレークスルー 2022 年に向けて、JWST は初期限界の 120 倍の速さで追跡することにより、その衝突から放出された破片を画像化することができ、小惑星をぼやけることなく視野内に保ちました。 実際、望遠鏡はそれ以来、毎秒最大 75 ミリアーク秒の追跡速度を達成しています。 ただし、追跡が高速になればなるほど、追跡効率が低下し、中間の妥協につながります。 「来年には、安全な追跡速度が毎秒 XNUMX ミリアーク秒まで引き上げられ、速度制限の XNUMX 倍以上になります。そのため、望遠鏡を壊すことなく、太陽系内のさらに多くの天体を追跡できるようになります」と Rowe-Gurney 氏は述べています。と言う。

散乱光の除去

JWST が惑星、恒星、遠くのクエーサーなどの明るい物体を見つめると、余分な光の一部が回折パターンを形成します。 このパターンは、JWST の画像の多くで前景の星の周りに見られる「スパイク」の原因であり、きれいではありますが、科学的な詳細を不明瞭にする可能性があります。 幸いなことに、すべての望遠鏡の固有の回折パターンは点広がり関数として記述でき、JWST とその機器のこの点広がり関数の形状を特徴付けることにより、天文学者は必要に応じて画像から無関係な光を取り除くことができます。

適切な例は、140 光年離れた位置にあるウォルフ・ライエ星 WR 5000 の JWST の画像でした。 JWST によって最初に画像化されたとき、天文学者は、星の周りに 17 個の同心円状のリング、またはシェルを見て唖然としました。 これらのリングは当初、望遠鏡からの画像化されたアーティファクトであると考えられていましたが、点広がり関数を削除した後も、リングはまだそこにありました。 シミュレーションに基づくさらなる調査により、連星からの恒星風は、衝突して凝縮する場所で塵の輪を生成する可能性があることが示されました。 さらに、シミュレートされたリングのパターンは、WR 140 の周りのリングのパターンと正確に一致し、視線内の強化された赤外線放射によってリングを切断する線形の特徴までも一致しました。

WR 140 の観測は、連星の周りの衝突する風の構造が 3D でマッピングされた初めての例です。 しかし、天文学者が最初に望遠鏡に漏れる散乱光のパターンをモデル化してそれを取り除くことができなかったとしたら、観測が私たちに何を伝えているのかを識別することは不可能だったでしょう.

天文学者の新しいおもちゃ

Wolf-Rayet 星の例は、観測を行う際に望遠鏡を知ることがいかに重要かを示しています。 「それはあなたがよく考えなければならないことです」とムラリーは言います。 「あなたが望んでいる方法のすべての段階で、機器について、またはそのような種類の観察がどのように行われるかについて、可能な限り多くのことを知っている専門家がチームにいることを望んでいます。」

したがって、JWST の背後にある動機の XNUMX つは、 アーリーリリースサイエンス (ERS) の目的は、数人の天文学者が望遠鏡とその機器に慣れ、後の観測サイクルに向けて他の人を最​​新の状態にできるようにすることでした。 「まるで新しいおもちゃのようです」と Rowe-Gurney 氏は言います。 「データの信頼性を確保するために、データを処理および調整する方法について多くの作業が行われています。」

幸いなことに、JWST は順調に進んでいます。 「機器科学者は、自分たちの機器についてまだ理解を深めており、データから小さな体系やアーティファクトなどを取り除く方法についてはまだ学んでいると言うかもしれません」と Mullally 氏は言います。素晴らしいパフォーマンスをしている。」

影響リスク

これまでのところ、JWST の性能に関する注意点は XNUMX つだけです。それは、微小流星体の衝突による損傷です。 平均して、望遠鏡の鏡は月に一度、影響を与えるのに十分な大きさの何かによって打たれます。 波面センシング、これは、光波の位相がずれて現れる可能性がある光学系のアライメントのエラーを検出する望遠鏡の能力です。 この波面センシングの減少により、画像の鮮明さが低下する可能性があります。

このような影響は打ち上げ前に予想されていたものであり、望遠鏡の寿命を脅かすほど大きくなるとは予想されていませんでした。 ただし、2022 年 9 月に、ミラー セグメントの 150 つが通常よりも大きな影響を受けました。 Rigby は、JWST 会議からの最初の科学結果での講演で、この衝撃が足を横切るほどの傷を残し、望遠鏡の総波面誤差を 10 nm 増加させたと報告しました。 波面誤差が XNUMX nm に達すると、望遠鏡はもはやその科学的目標を達成するのに十分な感度を持たなくなるため、これは重要です。つまり、同様の規模の衝突が XNUMX 回だけ JWST の「ゲーム オーバー」になることを意味します。

NASA は、この可能性にやや不安を感じ、このリスクを調査するために微小流星体ワーキング グループを招集しました。 L2 における流星体の数はよく知られています。 はっきりしていないのは、衝撃の運動エネルギーと波面センシングの低下との関係です。 このような大規模な衝突は非常にまれであり、JWST は XNUMX 月に運が悪かっただけなのでしょうか? それとも、望遠鏡は予測よりも高い頻度でより深刻な影響を受けるのでしょうか?

クエーサー、太陽系外惑星、遠い世界の大気: JWST の最初の結果の詳細

作業部会が答えを出すまで、望遠鏡の管理者は、望遠鏡が微小流星体の「雨」を指さないように、天文学者に観測​​の時間を計ることを奨励することでリスクを軽減しています (可能な場合 - 時間に敏感な観測は除外されます)。

このシステムが成功するか、ワーキング グループがインパクト オッズについて心強い答えを出すことができれば、JWST の寿命は長く続くはずです。 完璧な打ち上げと最小限の軌道修正を必要とする L2 への旅のおかげで、このスコープには、少なくともあと 27 年間その任務を続けるのに十分な推進剤が搭載されています。 ミッションの最初の 12 か月が何らかの指標であるとすれば、この 27 年間は、天体物理学、太陽系外惑星研究、宇宙論などを変革する可能性が高い、優れた機器からセンセーショナルな新しいビューとデータの連なりを生み出すはずです。 JWST のローンチのジェットコースターは終わったかもしれませんが、本当の旅はまだ始まったばかりです。