과학자들은 JWST가 XNUMX년 동안 '놀라운' 성능을 발휘하고 있다고 말합니다.

JWST(James Webb Space Telescope)가 발사된 지 XNUMX년이 지났고 위험한 배치와 신중한 시준을 거쳐 마침내 놀라운 이미지와 데이터를 다시 전송하고 있습니다. 그러나 런치패드에서 전체 운영으로 전환하는 것은 쉬운 일이 아니었습니다. 모든 일이 어떻게 일어 났는지 상기시켜줍니다.

2021년 크리스마스: 거의 25년 간의 개발 끝에 JWST는 Ariane 5 로켓을 타고 우주로 날아올랐습니다. 그것의 발사는 기술적 어려움, 예산 및 일정 초과, 심지어 미 의회의 (일시적) 취소를 극복한 승리였습니다. 결과적으로 발사대 카운트다운이 XNUMX에 가까워지면서 감정이 고조되었습니다.

“긴장했다”고 인정 수잔 멀러리, 볼티모어에 있는 우주 망원경 과학 연구소(STScI)의 JWST 부 프로젝트 과학자. 이어 “진짜라는 게 믿기지 않았다”고 덧붙였다. 나오미 로우-거니, JWST GTO(Guaranteed Time Observations) 박사후 연구원으로 NASA 고다드 우주 비행 센터에서 행성 시스템 팀을 지원하고 있습니다. “어떤 종류의 또 다른 지연을 예상하고 있었습니다. 나는 그것이 결코 발사되지 않을 것이라고 생각했습니다.”

위험한 여행

프로젝트 개발의 중단-시작 특성은 부분적으로 망원경의 복잡성 증가로 인해 발생했습니다. 이 망원경은 분할된 6.5미터 주경과 깨지기 쉬운 30층 테니스 코트 크기의 단열 선실드를 특징으로 합니다. 두 요소는 지구에서 2만 킬로미터 떨어진 태양 반대편에 있는 L1.6 라그랑주 지점까지 망원경이 이동하는 XNUMX일 과정인 XNUMX일 과정인 로켓 안에 들어갈 수 있도록 구겨진 후 종이접기처럼 펼쳐져야 했습니다.

이 지점은 1993년 허블 우주 망원경이 결함이 있는 광학 장치에 대해 받은 우주 비행사 지원 서비스에 비해 너무 멀었습니다. 배치 중에 JWST의 거울에 문제가 발생했다면 천문학자들은 10억 달러의 흰색 깊은 우주에 떠있는 코끼리.

Rowe-Gurney는 “처음 30일은 매우 신경이 쓰였습니다. 어떤 문제든 한 지점에서 실패하면 망원경이 없다는 것을 의미하기 때문입니다.”라고 말합니다.

전체적으로 344개의 실패 가능성이 있는 지점이 있었습니다. 344개의 지점에서 망원경의 복잡한 움직이는 부품이 우주의 차갑고 진공 상태에서 완벽하게 작동해야 했습니다. 그러나 그들은 일을 했습니다. JWST의 첫 번째 과학 결과 이달 초 STScI에서 열린 컨퍼런스.

Rowe-Gurney는 “이것이 실제로 작동할 것이라는 것을 알았던 날은 메인 붐이 튀어나오고 보조 거울이 접혔을 때였습니다. 그리고 우리는 실제로 망원경을 갖게 되었습니다.”라고 말합니다. "후속 배치가 작동하지 않더라도 우리는 빛을 포착하여 기기에 넣을 수 있었습니다."

망원경 초점 맞추기

두 개의 거울이 배치된 상태에서 다음 단계는 기본 거울의 18개 육각형 베릴륨 세그먼트에 초점을 맞추는 것이었습니다. 이것은 18단계로 이루어졌다. 처음에는 각 세그먼트가 서로 다른 초점이 맞지 않은 이미지를 생성했기 때문에 첫 번째 단계는 어떤 이미지가 어떤 미러 세그먼트에 속하는지 인식하는 것이었습니다. 다음 단계는 XNUMX개의 이미지가 모두 초점이 맞도록 거울을 대략적으로 정렬하는 것이었습니다. 그 후 세그먼트가 동일한 지점에 초점을 맞추기 시작하도록 추가로 조정되었습니다.

그 다음에는 다양한 수준의 미세 조정과 초점이 ​​다른 기기의 시야 내에 있는지 확인한 다음 세그먼트가 서로 50nm 이내로 정렬되도록 일련의 수정 작업을 거쳤습니다. 마침내 XNUMX개월의 과정 끝에 망원경의 초점이 맞았다.

제한 속도 위반

망원경의 상태가 양호한 상태에서 다음 단계는 개별 장비를 보정하는 것이었습니다. 근적외선 카메라(NIRCam)Walk Through California 프로그램, 근적외선 분광계(NIRSpec), 및 MIRI를 구성하는 검출기 제품군 중적외선 기기.

멀고 깊은 우주 물체는 하늘에 고정된 것처럼 보이지만 태양계의 물체는 별, 성운 및 은하를 배경으로 움직입니다. 따라서 행성, 달, 혜성 및 소행성을 이미지화하려면 JWST가 우주선을 물리적으로 회전시켜 추적해야 합니다. 출시 전에 추적 속도 제한이 도입되었습니다. 초당 30밀리아크초(1아크초는 3600/XNUMX도)입니다.

그러나 일단 우주에 도착한 후 팀은 이 한계가 다소 비관적이라는 것을 깨달았습니다. "우리는 얼마나 빨리 추적할 수 있는지 테스트하고 있었고 실제로 훨씬 더 빠르게 추적할 수 있다는 것을 깨달았습니다." 움직이는 표적과 산란광에 대한 데이터를 수집하기 위한 장비 시운전에 관여했던 Rowe-Gurney는 말합니다.

향상된 추적 속도는 몇 달 후 JWST가 작은 소행성 Dimorphos에 대한 DART(Double Asteroid Redirection Test) 충돌의 여파를 관찰했을 때 유용하게 사용되었습니다. DART 임무는 물리 세계의 과학적 올해의 돌파구 2022년에 JWST는 초기 한계보다 120배 더 빠르게 추적하여 소행성을 흐려짐 없이 시야에 유지함으로써 충돌에서 방출된 잔해를 이미지화할 수 있었습니다. 실제로 이 망원경은 이후 초당 최대 75밀리아크초의 추적 속도를 달성했습니다. 그러나 추적 속도가 빠를수록 추적 효율성이 낮아져 중간 지점에서 타협하게 됩니다. Rowe-Gurney는 "내년에는 안전 추적 속도가 초당 최대 XNUMX밀리아크초로 제한 속도를 두 배 이상으로 높여 망원경을 깨지 않고 태양계의 더 많은 물체를 추적할 수 있게 될 것입니다."라고 말했습니다. 말한다.

산란광 제거

JWST가 밝은 물체(행성, 별, 멀리 떨어진 퀘이사)를 응시할 때 과도한 빛의 일부가 회절 패턴을 형성합니다. 이 패턴은 JWST의 많은 이미지에서 전경 별 주위에 보이는 "스파이크"의 원인이며, 예쁘기는 하지만 과학적 세부 사항을 가릴 수 있습니다. 다행스럽게도 모든 망원경의 고유한 회절 패턴은 점 퍼짐 함수로 설명될 수 있으며 JWST와 그 장비에 대한 이 점 퍼짐 함수의 모양을 특성화함으로써 천문학자는 필요할 때 이미지에서 외부 빛을 제거할 수 있습니다.

JWST가 140광년 떨어진 울프-레이에 별 WR 5000 이미지를 예로 들 수 있습니다. JWST가 처음 이미지를 촬영했을 때 천문학자들은 별 주위에 17개의 동심원 고리 또는 껍질을 보고 놀랐습니다. 이 고리는 처음에는 망원경의 이미징 인공물로 생각되었지만 포인트 확산 기능을 제거한 후에도 고리는 여전히 존재했습니다. 시뮬레이션을 기반으로 한 추가 조사에 따르면 쌍성에서 나오는 항성풍은 충돌하고 응결되는 먼지 고리를 생성할 수 있습니다. 게다가 시뮬레이트된 고리의 패턴은 WR 140 주변의 고리 패턴과 정확히 일치했으며, 우리의 시야에서 강화된 적외선 방출로 인해 고리를 절단하는 선형 특징까지 내려갔습니다.

WR 140의 관측은 쌍성 주변의 충돌하는 바람 구조가 3D로 매핑된 최초의 사례를 나타냅니다. 그러나 천문학자들이 먼저 망원경으로 누출되는 산란광의 패턴을 모델링하여 망원경을 제거하지 않았다면 관측 결과가 우리에게 무엇을 말해주는지 분별하는 것이 불가능했을 것입니다.

천문학자들의 새로운 장난감

Wolf-Rayet 별의 예는 관측을 하면서 망원경을 알아가는 것이 얼마나 중요한지를 보여줍니다. Mullally는 “많은 생각을 해봐야 합니다. "기기에 대해 또는 이러한 유형의 관찰이 수행되는 방법에 대해 가능한 한 많이 알고 있는 전문가를 팀에 두기를 바라는 모든 단계입니다."

따라서 JWST의 동기 중 하나는 초기 릴리스 과학 (ERS)는 소수의 천문학자들이 망원경과 그 장비에 익숙해지도록 도와 다른 사람들이 이후의 관측 주기를 위해 속도를 높일 수 있도록 했습니다. Rowe-Gurney는 “새 장난감 같아요. "데이터의 신뢰성을 보장하기 위해 데이터를 처리하고 보정하는 방법에 많은 작업이 필요합니다."

다행스럽게도 JWST는 공을 치고 있습니다. Mullally는 "기기 과학자들은 자신의 기기에 대해 알아가는 중이고 데이터에서 작은 체계와 인공물 등을 제거하는 방법에 대해 알아가고 있다고 말할 수 있습니다."라고 말합니다. 훌륭하게 수행하고 있습니다.”

영향 위험

지금까지 JWST의 성능에 대한 단 하나의 주의 사항은 미소 유성 충돌로 인한 손상입니다. 평균적으로 망원경의 거울은 한 달에 한 번 망원경에 영향을 미칠 만큼 큰 물체에 부딪힙니다. 파면 감지, 이는 광파가 위상을 벗어나는 것으로 나타날 수 있는 광학 장치의 정렬 오류를 감지하는 망원경의 능력입니다. 파면 감지의 이러한 감소는 이미지를 덜 선명하게 만들 수 있습니다.

이러한 영향은 발사 전에 예상되었으며 망원경의 수명을 위협할 만큼 크지 않을 것으로 예상되었습니다. 그러나 2022년 9월에 미러 세그먼트 중 하나가 일반적인 것보다 더 큰 영향을 받았습니다. Rigby는 JWST 컨퍼런스의 첫 번째 과학 결과 발표에서 이 충격이 150피트 정도의 상처를 남겼고 망원경의 전체 파면 오차가 10nm 증가했다고 보고했습니다. 웨이브프론트 오류가 XNUMXnm에 도달하면 망원경이 더 이상 과학적 목표를 충족할 만큼 충분히 민감하지 않기 때문에 이는 중요합니다. 즉, JWST에서는 비슷한 규모의 XNUMX번의 충격만 "게임 오버"가 됩니다.

이 전망에 다소 놀란 NASA는 위험을 조사하기 위해 미세 유성체 작업 그룹을 소집했습니다. L2의 미세 유성체 개체군은 잘 알려져 있습니다. 명확하지 않은 것은 충격의 운동 에너지와 파면 감지 성능 저하 사이의 관계입니다. 그러한 큰 영향은 극히 드물고 JWST는 XNUMX월에 운이 좋지 않았습니까? 아니면 망원경이 예상보다 더 큰 빈도로 더 심각한 영향을 받게 될까요?

실무 그룹이 답변을 제시할 때까지 망원경의 관리자는 망원경이 미세 유성체의 "비"를 가리키지 않도록 천문학자들이 관측 시간을 정하도록 권장함으로써 위험을 완화하고 있습니다(가능한 경우 – 시간에 민감한 관측은 제외됨).

이 시스템이 성공하거나 작업 그룹이 임팩트 확률에 대한 안심할 수 있는 답변을 제시한다면 JWST는 그보다 긴 수명을 가질 것입니다. 완벽한 발사와 최소한의 코스 수정이 필요한 L2로의 여정 덕분에 스코프는 적어도 27년 동안 임무를 계속할 수 있는 충분한 추진체를 탑재하고 있습니다. 임무의 첫 12개월이 어떤 징후라면 이 27년은 천체물리학, 외계행성 연구, 우주론 등을 변형시킬 가능성이 높은 뛰어난 장비에서 엄청난 새로운 견해와 데이터를 생산해야 합니다. JWST 출시의 롤러코스터는 끝났을지 모르지만 진정한 여정은 이제 막 시작되었습니다.