Et år etter lanseringen avslører astronomer universets hemmeligheter, som de første vitenskapelige resultatene fra observasjoner gjort av James Webb Space Telescope (JWST) er utgitt. Denne måneden, Fysikkens verden publiserer en serie blogginnlegg om funnene. Dette er det fjerde innlegget i serien – du kan lese det forrige her.
Det har gått ett år siden James Webb Space Telescope (JWST) ble skutt opp, og etter dens farlige utplassering og forsiktig kollimering sender det endelig utrolige bilder og data tilbake. Å komme seg fra startrampen til full operasjon var imidlertid ingen enkel oppgave. Her er en påminnelse om hvordan det hele skjedde.
Juledag 2021: Etter nesten 25 år med utvikling svevde JWST opp i verdensrommet på toppen av en Ariane 5-rakett. Lanseringen var en triumf over teknologiske trengsler, budsjett- og tidsplanoverskridelser, og til og med en (midlertidig) kansellering av den amerikanske kongressen. Følgelig var følelsene høye da startrampens nedtelling nærmet seg null.
"Det var anspent," innrømmer Susan Mullally, JWSTs assisterende prosjektforsker ved Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore. "Jeg kunne ikke tro at det var ekte," legger til Naomi Rowe-Gurney, en JWST GTO (Guaranteed Time Observations) postdoc ved NASAs Goddard Space Flight Center hvor hun støtter Planetary Systems Team. «Jeg forventet en ny forsinkelse av noe slag. Jeg trodde den aldri kom til å lanseres.»
En farlig reise
Stopp-start-naturen til prosjektets utvikling kom delvis på grunn av den økende kompleksiteten til teleskopet, som har et segmentert 6.5 meter primært speil samt et skjørt, femlags, isolerende solskjold på størrelse med en tennisbane. Begge elementene måtte utfolde seg som origami etter å ha blitt skrudd sammen for å passe inn i rakettfarten – en 30-dagers prosess som falt sammen med teleskopets reise til L2 Lagrange-punktet på den andre siden av solen, 1.6 millioner kilometer fra Jorden.
Dette punktet er altfor langt unna for den typen astronautassistert service som Hubble-romteleskopet mottok for sin defekte optikk i 1993. Hvis noe hadde gått galt med JWSTs speil under utplasseringen, ville astronomene ha sittet igjen med en hvit 10 milliarder dollar. elefant som flyter i det store rommet.
"De første 30 dagene var ganske nervepirrende, fordi ethvert problem var en enkeltpunktsfeil og ville bety at vi ikke ville ha et teleskop," sier Rowe-Gurney.
Alt i alt var det 344 slike mulige feilpunkter: 344 punkter der teleskopets intrikate bevegelige deler måtte fungere perfekt i rommets kalde vakuum. Likevel arbeidet de - "fenomenalt nok" ifølge NASA Goddards Jane Rigby, som talte på Første vitenskapelige resultater fra JWST konferanse holdt på STScI tidligere denne måneden.
"Den dagen da jeg visste at dette faktisk kom til å fungere, var da hovedbommen svingte ut, og sekundærspeilet foldet seg ut, og vi hadde faktisk et teleskop," sier Rowe-Gurney. "Selv om de påfølgende utplasseringene ikke fungerte, kunne vi fange lys og sette det inn i instrumentene."
Fokusering av teleskopet
Med begge speilene utplassert, var neste trinn å fokusere de 18 sekskantede berylliumsegmentene til primærspeilet. Dette ble gjennomført i syv faser. Til å begynne med produserte hvert segment et annet ufokusert bilde, så den første fasen var å gjenkjenne hvilket bilde som tilhørte hvilket speilsegment. Neste trinn var å grovjustere speilene slik at de 18 bildene alle var i fokus. Etter det ble segmentene ytterligere justert slik at de begynte å fokusere på samme punkt.
Dette ble fulgt av ulike grader av finjustering og å sørge for at fokuset falt innenfor synsfeltene til de forskjellige instrumentene, og deretter av en rekke korrigeringer for å sikre at segmentene ble justert til innenfor 50 nm fra hverandre. Til slutt, etter en tre måneder lang prosess, var teleskopet i fokus.
Bryter fartsgrensen
Med teleskopet i god form, var neste trinn å kalibrere de individuelle instrumentene: de Nær-infrarødt kamera (NIRCam)den Nær-infrarødt spektrometer (NIRSpec), og MIRI, pakken med detektorer som utgjør Midt-infrarødt instrument.
Fjerne, dype romobjekter ser ut til å være festet på himmelen, men objekter i solsystemet beveger seg mot bakgrunnen av stjerner, stjernetåker og galakser. Derfor, for å avbilde planeter, måner, kometer og asteroider, må JWST spore dem ved fysisk å snu romfartøyet. Før lansering ble det innført en sporingshastighetsgrense: 30 millibuesekunder per sekund, der ett buesekund er 1/3600-del av en grad).
En gang i verdensrommet innså teamet imidlertid at denne grensen var litt pessimistisk. "Vi testet hvor raskt vi kunne spore, og vi innså at vi faktisk kunne gjøre det mye raskere," sier Rowe-Gurney, som var involvert i å sette i gang instrumenter for å samle inn data om bevegelige mål og spredt lys.
Den økte sporingshastigheten kom til nytte noen måneder senere, da JWST observerte kjølvannet av DART (Double Asteroid Redirection Test)-påvirkningen på den lille asteroiden Dimorphos. DART-oppdraget var Fysikkens verdener vitenskapelig årets gjennombrudd for 2022, og JWST var i stand til å avbilde rusk som ble kastet ut fra støtet ved å spore tre ganger raskere enn den opprinnelige grensen, og holde asteroiden i synsfeltet uten å bli uskarpt. Faktisk har teleskopet siden oppnådd sporingshastigheter på opptil 120 millibuesekunder per sekund. Men jo raskere den sporer, desto lavere er sporingseffektiviteten, noe som fører til et mellomgrunnskompromiss. "I det neste året vil den sikre sporingshastigheten bli satt opp til 75 millibuesekunder per sekund, mer enn en dobling av fartsgrensen, så vi vil være i stand til å følge enda flere objekter i solsystemet uten å knuse teleskopet," Rowe-Gurney sier.
Fjerner spredt lys
Når JWST stirrer på et lyst objekt – en planet, en stjerne, til og med en fjern kvasar – danner noe av overflødig lys et diffraksjonsmønster. Dette mønsteret er årsaken til "piggene" som sees rundt forgrunnsstjernene i mange av JWSTs bilder, og selv om det er pent, kan det skjule vitenskapelige detaljer. Heldigvis kan hvert teleskops unike diffraksjonsmønster beskrives som en punktspredningsfunksjon, og ved å karakterisere formen på denne punktspredningsfunksjonen for JWST og dens instrumenter, kan astronomer fjerne det fremmede lyset fra bilder når det er nødvendig.
Et eksempel var JWSTs bilde av Wolf–Rayet-stjernen WR 140, som ligger 5000 lysår unna. Da de først ble tatt av JWST, ble astronomer overrasket over å se 17 konsentriske ringer, eller skjell, rundt stjernen. Disse ringene ble opprinnelig antatt å avbilde gjenstander fra teleskopet, men etter å ha fjernet punktspredningsfunksjonen var ringene fortsatt der. Ytterligere undersøkelser basert på simuleringer viste at stjernevinder fra dobbeltstjerner kan produsere ringer av støv der de kolliderer og kondenserer. Dessuten matchet mønsteret til de simulerte ringene mønsteret til ringene rundt WR 140, helt ned til et lineært trekk som skjærer gjennom ringene på grunn av forbedret infrarød emisjon i vår synslinje.
Observasjonene av WR 140 representerer første gang en kolliderende vindstruktur rundt en dobbeltstjerne har blitt kartlagt i 3D. Men hvis astronomer ikke først hadde modellert mønsteret av spredt lys som lekker inn i teleskopet slik at de kunne fjerne det, ville det vært umulig å skjønne hva observasjonene fortalte oss.
Astronomenes nye leketøy
Wolf–Rayet-stjerneeksemplet viser hvor viktig det er å bli kjent med teleskopet mens du gjør observasjoner. "Det er noe du må tenke mye på," sier Mullally. "Hvert trinn på veien håper du å ha en ekspert i teamet ditt som vet så mye som mulig enten om instrumentet eller om hvordan slike observasjoner blir tatt."
Følgelig er en av motivasjonene bak JWST-ene Tidlig utgivelsesvitenskap (ERS) skulle hjelpe noen få astronomer med å bli kjent med teleskopet og dets instrumenter, slik at de kan bringe andre opp i fart for senere å observere sykluser. "Det er som et nytt leketøy," sier Rowe-Gurney. "Det er mye arbeid med å behandle og kalibrere dataene for å sikre at de er pålitelige."
Heldigvis spiller JWST ball. "Instrumentforskere kan si at de fortsatt blir kjent med instrumentene deres og hvordan de skal gå frem for å fjerne små systematikk og artefakter og slike ting i dataene dine," sier Mullally, "men det generelle inntrykket jeg får fra alle er at teleskopet presterer fantastisk."
Påvirkningsrisiko
Så langt er det bare ett forbehold til JWSTs ytelse: skaden forårsaket av mikrometeoroid-nedslag. I gjennomsnitt blir teleskopets speil truffet en gang i måneden av noe stort nok til å påvirke bølgefrontføling, som er teleskopets evne til å oppdage feil i justeringen av dets optikk som kan manifestere seg som lysbølger som går ut av fase. Denne reduksjonen i bølgefrontføling kan gjøre bildene mindre skarpe.
Slike nedslag ble forventet før oppskytingen, og ble ikke forventet å være store nok til å true teleskopets levetid. I mai 2022 fikk imidlertid et av speilsegmentene en større innvirkning enn typisk. I sitt foredrag på First Science Results fra JWST-konferansen rapporterte Rigby at denne innvirkningen etterlot et sår en fot på tvers, og økte teleskopets totale bølgefrontfeil med 9 nm. Dette er betydelig fordi hvis bølgefrontfeilen når 150 nm, vil teleskopet ikke lenger være følsomt nok til å nå sine vitenskapelige mål - noe som betyr at bare 10 nedslag av lignende skala ville være "game over" for JWST.
Noe skremt av dette prospektet har NASA kalt sammen en mikrometeoroid-arbeidsgruppe for å undersøke risikoen. Mikrometeoroidpopulasjonen ved L2 er velkjent; det som ikke er klart er forholdet mellom den kinetiske energien til støt og degraderingen av bølgefrontføling. Er slike store påvirkninger ekstremt sjeldne, og JWST var rett og slett uheldig i mai? Eller vil teleskopet oppleve mer alvorlige sammenstøt med en høyere frekvens enn forutsagt?
Kvasarer, eksoplaneter og atmosfærer i fjerne verdener: mer om de første resultatene fra JWST
Inntil arbeidsgruppen kommer med svar, reduserer teleskopets ledere risikoen ved å oppmuntre astronomer til å time sine observasjoner (der det er mulig – tidssensitive observasjoner er unntatt) slik at teleskopet ikke peker inn i "regnet" av mikrometeoroider.
Hvis dette systemet lykkes, eller arbeidsgruppen kommer med et betryggende svar om påvirkningsodds, bør JWST ha et langt liv foran seg. Takket være den feilfrie lanseringen og en reise til L2 som krevde minimale kurskorrigeringer, har kikkerten nok drivmiddel om bord til å fortsette oppdraget i minst 27 år til. Hvis oppdragets første 12 måneder er noen indikasjon, bør disse 27 årene produsere mengder av sensasjonelle nye synspunkter og data fra et suverent instrument, med stor sannsynlighet for å transformere astrofysikk, eksoplanetstudier, kosmologi og mer. Berg-og-dal-banen til JWST-lanseringen er kanskje over, men den virkelige reisen har så vidt begynt.
