Leto dni po izstrelitvi astronomi razkrivajo skrivnosti vesolja, saj so prvi znanstveni rezultati opazovanj, ki jih je izvedel Vesoljski teleskop James Webb (JWST) so sproščeni. Ta mesec, Svet fizike objavlja vrsto objav na blogu o odkritjih. To je četrta objava v seriji – lahko preberete prejšnjo tukaj.
Minilo je leto dni od izstrelitve vesoljskega teleskopa Jamesa Webba (JWST) in po njegovi nevarni postavitvi in skrbni kolimaciji končno pošilja nazaj neverjetne slike in podatke. Priti od lansirne plošče do polnih operacij pa ni bila lahka naloga. Tukaj je opomnik, kako se je vse zgodilo.
Božič 2021: Po skoraj 25 letih razvoja je JWST poletel v vesolje na vrhu rakete Ariane 5. Njegov začetek je bil zmagoslavje nad tehnološkimi težavami, prekoračitvami proračuna in časovnega načrta ter celo (začasno) odpovedjo ameriškega kongresa. Posledično so bila čustva visoka, ko se je odštevanje lansirne plošče približalo ničli.
"Bilo je napeto," priznava Susan Mullally, namestnik projektnega znanstvenika JWST na Znanstvenem inštitutu za vesoljski teleskop (STScI) v Baltimoru. "Nisem mogel verjeti, da je resnično," dodaja Naomi Rowe-Gurney, postdoktorska študija JWST GTO (Guaranteed Time Observations) v Nasinem centru za vesoljske polete Goddard, kjer podpira ekipo za planetarne sisteme. »Pričakoval sem še kakšno zamudo. Mislil sem, da ne bo nikoli lansiran.”
Nevarno potovanje
Začetek in ustavitev razvoja projekta je delno posledica naraščajoče kompleksnosti teleskopa, ki ima segmentirano 6.5-metrsko primarno zrcalo in krhko, petslojno izolacijsko sončno zaščito v velikosti teniškega igrišča. Oba elementa sta se morala razviti kot origami, potem ko sta bila zmečkana, da sta se prilegala notranjosti rakete – 30-dnevni proces, ki je sovpadal s potovanjem teleskopa do točke L2 Lagrange na drugi strani Sonca, 1.6 milijona kilometrov od Zemlje.
Ta točka je veliko predaleč za vrsto servisiranja s pomočjo astronavtov, ki ga je vesoljski teleskop Hubble prejel zaradi svoje napačne optike leta 1993. Če bi šlo kaj narobe z ogledalom JWST med njegovo postavitvijo, bi astronomi ostali z 10 milijardami dolarjev bele slon, ki lebdi v globokem vesolju.
"Tistih prvih 30 dni je bilo precej živčnih, saj je bila vsaka težava napaka ene točke in bi pomenilo, da ne bi imeli teleskopa," pravi Rowe-Gurney.
Vse skupaj je bilo 344 takih možnih točk okvare: 344 točk, kjer so morali zapleteni gibljivi deli teleskopa delovati brezhibno v hladnem vakuumu vesolja. Kljub temu so opravili delo – "fenomenalno" po besedah Jane Rigby iz Nase Goddard, ki je govorila na Prvi znanstveni rezultati JWST konferenci, ki je potekala na STScI v začetku tega meseca.
»Dan, ko sem vedel, da bo to dejansko delovalo, je bil, ko se je glavna roka zavihtela in se je sekundarno zrcalo zložilo, in dejansko smo imeli teleskop,« pravi Rowe-Gurney. "Tudi če kasnejše uvedbe ne bi delovale, bi lahko ujeli svetlobo in jo dali v instrumente."
Ostrenje teleskopa
Z obema razporejenima zrcaloma je bil naslednji korak fokusiranje 18 šesterokotnih berilijevih segmentov primarnega zrcala. To je bilo doseženo v sedmih fazah. Na začetku je vsak segment proizvedel drugačno neizostreno sliko, zato je bila prva faza prepoznati, katera slika pripada kateremu zrcalnemu segmentu. Naslednji korak je bil približno poravnati zrcala, tako da je bilo vseh 18 slik izostrenih. Po tem so segmente dodatno prilagodili, tako da so se začeli fokusirati na isto točko.
Temu so sledile različne stopnje natančnega prilagajanja in zagotavljanja, da fokus pade v vidna polja različnih instrumentov, nato pa je sledila vrsta popravkov, da se zagotovi, da so segmenti poravnani na 50 nm drug od drugega. Končno je bil teleskop po trimesečnem procesu v fokusu.
Kršitev omejitve hitrosti
Ker je teleskop v dobri formi, je bil naslednji korak umerjanje njegovih posameznih instrumentov: Bližnja infrardeča kamera (NIRCam)je Bližnji infrardeči spektrometer (NIRSpec)in MIRI, nabor detektorjev, ki sestavljajo Srednji infrardeči instrument.
Oddaljeni predmeti v globokem vesolju so videti pritrjeni na nebo, vendar se predmeti v sončnem sistemu premikajo proti ozadju zvezd, meglic in galaksij. Zato mora JWST za slikanje planetov, lun, kometov in asteroidov slediti s fizičnim obračanjem vesoljskega plovila. Pred lansiranjem je bila uvedena omejitev hitrosti sledenja: 30 milisekund na sekundo, kjer je ena ločna sekunda 1/3600 stopinje).
Ko so bili v vesolju, pa je ekipa ugotovila, da je ta meja nekoliko pesimistična. "Preizkušali smo, kako hitro lahko sledimo, in ugotovili smo, da bi dejansko lahko veliko hitreje," pravi Rowe-Gurney, ki je sodeloval pri naročanju instrumentov za zbiranje podatkov o premikajočih se ciljih in razpršeni svetlobi.
Povečana hitrost sledenja se je izkazala za koristno nekaj mesecev pozneje, ko je JWST opazoval posledice udarca DART (Double Asteroid Redirection Test) na majhen asteroid Dimorphos. Misija DART je bila Svet fizikeje znanstvena preboj leta za leto 2022, JWST pa je lahko posnel razbitine, ki so bile izvržene zaradi njegovega trka, s sledenjem trikrat hitreje od začetne omejitve, pri čemer je asteroid obdržal v vidnem polju brez zamegljenosti. Dejansko je teleskop od takrat dosegel hitrosti sledenja do 120 milisekund na sekundo. Vendar pa, hitreje kot sledi, nižja je njegova učinkovitost sledenja, kar vodi do srednjega kompromisa. "V naslednjem letu se bo hitrost varnega sledenja dvignila na 75 milisekund na sekundo, kar bo več kot podvojilo omejitev hitrosti, tako da bomo lahko sledili še več objektom v sončnem sistemu, ne da bi pokvarili teleskop," Rowe-Gurney pravi.
Odstranjevanje razpršene svetlobe
Ko JWST strmi v svetel predmet – planet, zvezdo, celo oddaljeni kvazar – nekaj odvečne svetlobe tvori uklonski vzorec. Ta vzorec je vzrok za "konice", ki jih vidimo okoli zvezd v ospredju na številnih slikah JWST, in čeprav je lep, lahko zakrije znanstvene podrobnosti. Na srečo je edinstven uklonski vzorec vsakega teleskopa mogoče opisati kot funkcijo širjenja točk in z opredelitvijo oblike te funkcije širjenja točk za JWST in njegove instrumente lahko astronomi po potrebi odstranijo tujo svetlobo s slik.
Primer tega je bila slika JWST-jeve zvezde WR 140 Wolf–Rayet, ki je oddaljena 5000 svetlobnih let. Ko so bili astronomi prvič posneti z JWST, so bili osupli, ko so videli 17 koncentričnih obročev ali lupin okoli zvezde. Sprva so mislili, da so ti obroči slikovni artefakti iz teleskopa, toda po odstranitvi funkcije širjenja točk so bili obroči še vedno tam. Nadaljnja preiskava na podlagi simulacij je pokazala, da lahko zvezdni vetrovi iz dvojnih zvezd ustvarijo obroče prahu, kjer se spopadajo in kondenzirajo. Še več, vzorec simuliranih obročev se je natančno ujemal z vzorcem obročev okoli WR 140, celo do linearne značilnosti, ki prereže obroče zaradi izboljšanega infrardečega sevanja v našem vidnem polju.
Opazovanja WR 140 predstavljajo prvič, da je bila struktura trka vetra okoli dvojne zvezde preslikana v 3D. Toda če astronomi ne bi najprej modelirali vzorca razpršene svetlobe, ki uhaja v teleskop, da bi jo lahko odstranili, bi bilo nemogoče razbrati, kaj nam opazovanja sporočajo.
Nova igrača astronomov
Primer Wolf–Rayetove zvezde kaže, kako pomembno je med opazovanjem spoznati teleskop. "To je nekaj, o čemer morate veliko razmišljati," pravi Mullally. "Na vsakem koraku upate, da boste imeli v svoji ekipi strokovnjaka, ki bo vedel čim več o instrumentu ali o tem, kako potekajo te vrste opazovanj."
Skladno s tem je eden od motivov za JWST Znanost o zgodnjih izdajah (ERS) naj bi pomagal nekaj astronomom, da se seznanijo s teleskopom in njegovimi instrumenti, da bi lahko druge seznanili s kasnejšimi cikli opazovanja. "Je kot nova igrača," pravi Rowe-Gurney. "Veliko dela je vloženega v to, kako obdelati in umeriti podatke, da zagotovimo njihovo zanesljivost."
Na srečo JWST igra žogo. »Znanstveniki za instrumente bi lahko rekli, da še vedno spoznavajo svoje instrumente in kako se lotiti odstranjevanja majhnih sistematičnih elementov, artefaktov in podobnih stvari v vaših podatkih,« pravi Mullally, »toda splošni vtis, ki ga vsi dobivam, je, da je teleskop deluje čudovito.”
Tveganje zaradi udarca
Zaenkrat obstaja le eno opozorilo glede delovanja JWST: škoda, ki jo povzročijo udarci mikrometeoroidov. V povprečju zrcalo teleskopa enkrat na mesec zadene nekaj, kar je dovolj veliko, da lahko vpliva zaznavanje valovne fronte, ki je sposobnost teleskopa, da zazna napake v poravnavi njegove optike, ki se lahko kažejo kot svetlobni valovi, ki se razlikujejo od faze. To zmanjšanje zaznavanja valovne fronte lahko naredi slike manj ostre.
Takšni udarci so bili pričakovani pred izstrelitvijo in naj ne bi bili dovolj veliki, da bi ogrozili življenjsko dobo teleskopa. Vendar pa je maja 2022 eden od segmentov zrcala prejel večji učinek od običajnega. V svojem govoru na konferenci First Science Results from JWST je Rigby poročala, da je ta udar pustil rano čez čevelj, kar je povečalo skupno napako valovne fronte teleskopa za 9 nm. To je pomembno, ker če napaka valovne fronte doseže 150 nm, teleskop ne bo več dovolj občutljiv, da bi dosegel svoje znanstvene cilje – kar pomeni, da bi samo 10 udarcev podobnega obsega pomenilo konec igre za JWST.
Nekoliko vznemirjena zaradi te možnosti je NASA sklicala delovno skupino za mikrometeoroide, da razišče tveganje. Populacija mikrometeoroidov na L2 je dobro znana; kar ni jasno, je razmerje med kinetično energijo udarcev in degradacijo zaznavanja valovne fronte. Ali so tako veliki udarci izjemno redki in JWST maja preprosto ni imel sreče? Ali pa bo teleskop doživel resnejše udarce z večjo frekvenco, kot je bilo predvideno?
Kvazarji, eksoplanete in atmosfere oddaljenih svetov: več o prvih rezultatih JWST
Dokler delovna skupina ne dobi odgovorov, upravitelji teleskopa zmanjšujejo tveganje tako, da astronome spodbujajo, naj merijo čas svojih opazovanj (kjer je to mogoče – časovno občutljiva opazovanja so izvzeta), tako da teleskop ne kaže v »dež« mikrometeoroidov.
Če ta sistem uspe ali če delovna skupina pride do pomirjujočega odgovora o verjetnosti udarca, bi morala imeti JWST dolgo življenjsko dobo. Zahvaljujoč brezhibnemu izstrelitvi in potovanju do L2, ki je zahtevalo minimalne popravke smeri, ima daljnogled na krovu dovolj pogonskega goriva, da svojo misijo nadaljuje še vsaj 27 let. Če je prvih 12 mesecev misije kakršen koli pokazatelj, bi moralo teh 27 let prinesti množico senzacionalnih novih pogledov in podatkov iz odličnega instrumenta, z veliko verjetnostjo, da bodo spremenili astrofiziko, študije eksoplanetov, kozmologijo in drugo. Vožnja z toboganom ob lansiranju JWST je morda končana, a pravo potovanje se šele začenja.
