Rok po jego wystrzeleniu astronomowie odkrywają tajemnice wszechświata, gdyż pierwsze naukowe wyniki obserwacji przeprowadzonych przez Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST) są zwolnieni. Ten miesiąc, Świat Fizyki publikuje serię wpisów na blogu na temat odkryć. To już czwarty wpis z tej serii – możecie przeczytać poprzedni tutaj.
Minął rok od wystrzelenia Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), a po jego niebezpiecznym rozmieszczeniu i starannej kolimacji w końcu przesyła niesamowite obrazy i dane. Jednak przejście ze startera do pełnej operacji nie było łatwym zadaniem. Oto przypomnienie, jak to wszystko się stało.
Boże Narodzenie 2021: Po prawie 25 latach prac JWST wzbił się w kosmos na szczycie rakiety Ariane 5. Jego uruchomienie było triumfem nad trudnościami technologicznymi, przekroczeniem budżetu i harmonogramu, a nawet (tymczasowym) odwołaniem przez Kongres USA. W związku z tym emocje były duże, gdy odliczanie startera zbliżało się do zera.
„Było napięte” — przyznaje Susan Mullally, zastępca naukowca projektu JWST w Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore. „Nie mogłem uwierzyć, że to było prawdziwe” — dodaje Naomi Rowe-Gurney, postdoc JWST GTO (Guaranteed Time Observations) w Goddard Space Flight Center NASA, gdzie wspiera zespół systemów planetarnych. „Spodziewałem się kolejnego pewnego rodzaju opóźnienia. Myślałem, że nigdy się nie uruchomi”.
Niebezpieczna podróż
Rozwój projektu polegał na ciągłym uruchamianiu i zatrzymywaniu prac nad projektem po części z powodu rosnącej złożoności teleskopu, który obejmuje podzielone na segmenty 6.5-metrowe zwierciadło główne oraz delikatną, pięciowarstwową izolującą osłonę przeciwsłoneczną wielkości kortu tenisowego. Oba elementy musiały się rozwinąć jak origami po zgnieceniu, aby zmieściły się w locie rakiety – 30-dniowy proces, który zbiegł się z podróżą teleskopu do punktu L2 Lagrange'a po drugiej stronie Słońca, 1.6 miliona kilometrów od Ziemi.
Ten punkt jest o wiele za daleko jak na serwisowanie Kosmicznego Teleskopu Hubble'a z pomocą astronautów w 1993 roku z powodu wadliwej optyki. Gdyby coś poszło nie tak z lustrem JWST podczas jego rozmieszczania, astronomowie zostaliby z białymi słoń unoszący się w przestrzeni kosmicznej.
„Te pierwsze 30 dni były dość nerwowe, ponieważ każdy problem był awarią w jednym punkcie i oznaczałby, że nie mielibyśmy teleskopu” — mówi Rowe-Gurney.
W sumie było 344 takich możliwych punktów awarii: 344 punkty, w których skomplikowane ruchome części teleskopu musiały działać idealnie w zimnej próżni kosmicznej. Jednak wykonali pracę – „fenomenalnie” według Jane Rigby z NASA Goddard, która przemawiała na Pierwsze wyniki nauki z JWST konferencji, która odbyła się w STScI na początku tego miesiąca.
„W dniu, w którym wiedziałem, że to faktycznie zadziała, wysunął się główny wysięgnik, a drugie zwierciadło rozłożyło się i faktycznie mieliśmy teleskop” — mówi Rowe-Gurney. „Nawet jeśli kolejne wdrożenia nie zadziałały, mogliśmy uchwycić światło i umieścić je w instrumentach”.
Ustawianie ostrości teleskopu
Po rozłożeniu obu zwierciadeł następnym krokiem było ustawienie ostrości 18 sześciokątnych berylowych segmentów zwierciadła głównego. Osiągnięto to w siedmiu etapach. Początkowo każdy segment generował inny nieostry obraz, więc pierwszą fazą było rozpoznanie, który obraz należy do którego segmentu lustra. Następnym krokiem było z grubsza wyrównanie zwierciadeł, tak aby wszystkie 18 obrazów było ostre. Następnie segmenty były dalej dostosowywane, tak że zaczęły skupiać się w tym samym punkcie.
Po tym nastąpiły różne stopnie precyzyjnego dostrojenia i upewnienia się, że ostrość znalazła się w polach widzenia różnych instrumentów, a następnie seria korekt, aby upewnić się, że segmenty są wyrównane z dokładnością do 50 nm. Wreszcie, po trzymiesięcznym procesie, teleskop uzyskał ostrość.
Łamanie ograniczenia prędkości
Kiedy teleskop był w dobrym stanie, następnym krokiem była kalibracja jego poszczególnych instrumentów: Kamera bliskiej podczerwieni (NIRCam)The Spektrometr bliskiej podczerwieni (NIRSpec)oraz MIRI, zestaw detektorów składających się na Instrument średniej podczerwieni.
Odległe obiekty głębokiego kosmosu wydają się nieruchome na niebie, ale obiekty w Układzie Słonecznym poruszają się na tle gwiazd, mgławic i galaktyk. Dlatego, aby uzyskać obraz planet, księżyców, komet i asteroid, JWST musi je śledzić, fizycznie obracając statek kosmiczny. Przed startem wprowadzono ograniczenie prędkości śledzenia: 30 milisekund łukowych na sekundę, gdzie jedna sekunda łukowa to 1/3600 stopnia).
Jednak w kosmosie zespół zdał sobie sprawę, że ten limit był trochę pesymistyczny. „Testowaliśmy, jak szybko jesteśmy w stanie śledzić i zdaliśmy sobie sprawę, że faktycznie możemy to zrobić znacznie szybciej”, mówi Rowe-Gurney, który był zaangażowany w uruchamianie instrumentów do zbierania danych o ruchomych celach i rozproszonym świetle.
Zwiększona prędkość śledzenia przydała się kilka miesięcy później, kiedy JWST obserwował następstwa uderzenia DART (Double Asteroid Redirection Test) na małą asteroidę Dimorphos. Misja DART była Świat Fizykijest naukowy przełom roku na rok 2022, a JWST był w stanie sfotografować szczątki wyrzucone z uderzenia, śledząc trzy razy szybciej niż początkowy limit, utrzymując asteroidę w polu widzenia bez rozmycia. Rzeczywiście, od tego czasu teleskop osiągnął prędkość śledzenia do 120 milisekund kątowych na sekundę. Jednak im szybciej śledzi, tym niższa jest jego wydajność śledzenia, co prowadzi do kompromisu w połowie drogi. „W przyszłym roku szybkość bezpiecznego śledzenia wzrośnie do 75 milisekund kątowych na sekundę, co oznacza ponad dwukrotne zwiększenie prędkości, dzięki czemu będziemy mogli śledzić jeszcze więcej obiektów w Układzie Słonecznym bez niszczenia teleskopu” — mówi Rowe-Gurney. mówi.
Usuwanie rozproszonego światła
Kiedy JWST wpatruje się w jasny obiekt – planetę, gwiazdę, a nawet odległy kwazar – część nadmiaru światła tworzy wzór dyfrakcyjny. Ten wzór jest przyczyną „kolców” widocznych wokół gwiazd pierwszego planu na wielu zdjęciach JWST i chociaż jest ładny, może przesłaniać naukowe szczegóły. Na szczęście unikalny wzór dyfrakcyjny każdego teleskopu można opisać jako funkcję rozproszenia punktowego, a poprzez scharakteryzowanie kształtu tej funkcji rozproszenia punktowego dla JWST i jego instrumentów, astronomowie mogą w razie potrzeby usunąć obce światło z obrazów.
Dobrym przykładem było wykonane przez JWST zdjęcie gwiazdy Wolfa-Rayeta WR 140, która znajduje się 5000 lat świetlnych stąd. Kiedy po raz pierwszy sfotografowano przez JWST, astronomowie byli oszołomieni, widząc 17 koncentrycznych pierścieni lub muszli wokół gwiazdy. Początkowo uważano, że pierścienie te są artefaktami obrazowania z teleskopu, ale po usunięciu funkcji rozproszenia punktów pierścienie nadal tam były. Dalsze badania oparte na symulacjach wykazały, że wiatry gwiazdowe z gwiazd podwójnych mogą wytwarzać pierścienie pyłu, w których się zderzają i kondensują. Co więcej, wzór symulowanych pierścieni dokładnie pasował do wzoru pierścieni wokół WR 140, nawet do liniowego elementu przecinającego pierścienie dzięki zwiększonej emisji podczerwieni w naszej linii wzroku.
Obserwacje WR 140 to pierwszy raz, kiedy zderzająca się struktura wiatru wokół gwiazdy podwójnej została zmapowana w 3D. Ale gdyby astronomowie najpierw nie wymodelowali wzoru rozproszonego światła wpadającego do teleskopu, aby móc je usunąć, nie byłoby możliwe rozróżnienie, co mówią nam obserwacje.
Nowa zabawka astronomów
Przykład gwiazdy Wolfa-Rayeta pokazuje, jak ważne jest poznanie teleskopu podczas obserwacji. „To coś, o czym trzeba dużo myśleć” — mówi Mullally. „Na każdym etapie masz nadzieję mieć eksperta w swoim zespole, który wie jak najwięcej o instrumencie lub o tym, jak przeprowadzane są tego typu obserwacje”.
W związku z tym jedna z motywacji stojących za JWST Nauka o wczesnym wydaniu (ERS) miał pomóc kilku astronomom zaznajomić się z teleskopem i jego instrumentami, aby mogli przyspieszyć innych w późniejszych cyklach obserwacyjnych. „To jak nowa zabawka” — mówi Rowe-Gurney. „Jest dużo pracy związanej z przetwarzaniem i kalibracją danych, aby upewnić się, że są wiarygodne”.
Na szczęście JWST gra w piłkę. „Naukowcy zajmujący się instrumentami mogą powiedzieć, że wciąż poznają swoje instrumenty i sposoby usuwania małej systematyki, artefaktów i tym podobnych rzeczy w twoich danych”, mówi Mullally, „ale ogólne wrażenie, jakie odnoszę od wszystkich, jest takie, że teleskop spisuje się wyśmienicie”.
Ryzyko uderzenia
Jak dotąd istnieje tylko jedno zastrzeżenie dotyczące wydajności JWST: uszkodzenia spowodowane uderzeniami mikrometeoroidów. Średnio raz w miesiącu zwierciadło teleskopu jest uderzane przez coś wystarczająco dużego, by mieć wpływ wykrywanie czoła fali, czyli zdolność teleskopu do wykrywania błędów w ustawieniu jego optyki, które mogą przejawiać się jako fale świetlne wychodzące z fazy. Ta redukcja wykrywania czoła fali może sprawić, że obrazy będą mniej ostre.
Takie uderzenia przewidywano przed startem i nie spodziewano się, że będą wystarczająco duże, aby zagrozić żywotności teleskopu. Jednak w maju 2022 r. jeden z segmentów lusterka otrzymał uderzenie większe niż zwykle. W swoim przemówieniu na konferencji First Science Results z JWST Rigby poinformowała, że to uderzenie pozostawiło ranę o szerokości stopy, zwiększając całkowity błąd czoła fali teleskopu o 9 nm. Jest to istotne, ponieważ jeśli błąd czoła fali osiągnie 150 nm, teleskop nie będzie już wystarczająco czuły, aby osiągnąć cele naukowe – co oznacza, że zaledwie 10 zderzeń o podobnej skali oznaczałoby „koniec gry” dla JWST.
Nieco zaniepokojona tą perspektywą NASA zwołała grupę roboczą ds. mikrometeoroidów w celu zbadania ryzyka. Populacja mikrometeoroidów w L2 jest dobrze znana; niejasny jest związek między energią kinetyczną uderzeń a degradacją wykrywania czoła fali. Czy tak duże zderzenia są niezwykle rzadkie, a JWST miał po prostu pecha w maju? A może teleskop doświadczy poważniejszych zderzeń z większą częstotliwością niż przewidywano?
Kwazary, egzoplanety i atmosfery odległych światów: więcej o pierwszych wynikach z JWST
Dopóki grupa robocza nie znajdzie odpowiedzi, kierownicy teleskopu ograniczają ryzyko, zachęcając astronomów do ustalania czasu obserwacji (tam, gdzie to możliwe – obserwacje zależne od czasu są wyłączone), tak aby teleskop nie był skierowany w „deszcz” mikrometeoroidów.
Jeśli ten system się powiedzie lub grupa robocza przedstawi uspokajającą odpowiedź na temat prawdopodobieństwa wpływu, JWST powinien mieć przed sobą długie życie. Dzięki bezbłędnemu startowi i podróży do L2, która wymagała minimalnych korekt kursu, luneta ma na pokładzie wystarczającą ilość paliwa, aby kontynuować swoją misję przez co najmniej kolejne 27 lat. Jeśli pierwsze 12 miesięcy misji jest jakąkolwiek wskazówką, te 27 lat powinno przynieść mnóstwo sensacyjnych nowych poglądów i danych z doskonałego instrumentu, z dużym prawdopodobieństwem przekształcenia astrofizyki, badań egzoplanet, kosmologii i nie tylko. Przejażdżka kolejką górską podczas premiery JWST może się skończyć, ale prawdziwa podróż dopiero się zaczyna.
