หนึ่งปีหลังจากการเปิดตัว นักดาราศาสตร์กำลังเปิดเผยความลับของเอกภพ ซึ่งเป็นผลลัพธ์ทางวิทยาศาสตร์ชิ้นแรกจากการสังเกตการณ์ของ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (JWST) ออกแล้ว เดือนนี้, โลกฟิสิกส์ กำลังเผยแพร่บล็อกโพสต์เกี่ยวกับการค้นพบ นี่เป็นโพสต์ที่สี่ในซีรีส์ – คุณสามารถอ่านโพสต์ก่อนหน้าได้ ที่นี่
เป็นเวลาหนึ่งปีแล้วที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) เปิดตัว และหลังจากการติดตั้งที่อันตรายและการปรับเทียบอย่างระมัดระวัง ในที่สุดมันก็ส่งภาพและข้อมูลที่น่าทึ่งกลับมา อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนจากแผ่นเปิดใช้ไปสู่การดำเนินการเต็มรูปแบบนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย นี่คือการเตือนความจำว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร
วันคริสต์มาสปี 2021: หลังจากพัฒนามาเกือบ 25 ปี JWST ก็ทะยานขึ้นสู่อวกาศบนยอดจรวด Ariane 5 การเปิดตัวครั้งนี้ถือเป็นชัยชนะเหนือความยากลำบากทางเทคโนโลยี งบประมาณและกำหนดการที่มากเกินไป และแม้กระทั่งการยกเลิก (ชั่วคราว) โดยรัฐสภาสหรัฐฯ ด้วยเหตุนี้ อารมณ์จึงพุ่งสูงเมื่อการนับถอยหลังของ Launchpad ใกล้ศูนย์
“มันเครียด” ยอมรับ ซูซาน มัลลีนักวิทยาศาสตร์โครงการรองของ JWST ที่สถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ (STScI) ในบัลติมอร์ “ฉันไม่อยากจะเชื่อเลยว่ามันมีอยู่จริง” เสริม นาโอมิ โรว์-เกอร์นีย์ซึ่งเป็น postdoc ของ JWST GTO (Guaranteed Time Observations) ที่ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA ซึ่งเธอสนับสนุนทีมระบบดาวเคราะห์ “ฉันคาดว่าจะมีความล่าช้าอีกครั้ง ฉันคิดว่ามันจะไม่เปิดตัว”
การเดินทางที่อันตราย
ลักษณะการหยุดชะงักของการพัฒนาโครงการนี้เกิดขึ้นส่วนหนึ่งเนื่องจากความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งมีกระจกหลักขนาด 6.5 เมตรที่แบ่งเป็นส่วนๆ และแผ่นบังแดดฉนวนขนาดสนามเทนนิส 30 ชั้นที่เปราะบาง ทั้งสององค์ประกอบต้องคลี่ออกเหมือนโอริกามิหลังจากถูกขัดให้พอดีกับระยะจรวด ซึ่งเป็นกระบวนการ 2 วันที่ใกล้เคียงกับการเดินทางของกล้องโทรทรรศน์ไปยังจุด L1.6 Lagrange ซึ่งอยู่อีกด้านหนึ่งของดวงอาทิตย์ ซึ่งอยู่ห่างจากโลก XNUMX ล้านกิโลเมตร
จุดนี้อยู่ไกลเกินไปสำหรับประเภทของการให้บริการช่วยเหลือนักบินอวกาศที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้รับจากเลนส์ที่ผิดพลาดในปี 1993 หากมีบางอย่างผิดปกติกับกระจกของ JWST ระหว่างการติดตั้ง นักดาราศาสตร์จะเหลือเงินขาว 10 หมื่นล้านดอลลาร์ ช้างลอยอยู่ในห้วงอวกาศ
Rowe-Gurney กล่าวว่า “30 วันแรกนั้นค่อนข้างน่าวิตกกังวล เพราะปัญหาใดๆ ก็ตามเกิดจากความล้มเหลวเพียงจุดเดียว และนั่นหมายความว่าเราจะไม่มีกล้องโทรทรรศน์” Rowe-Gurney กล่าว
ทั้งหมดบอกว่ามีจุดขัดข้องที่เป็นไปได้ 344 จุด: 344 จุดที่ชิ้นส่วนเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนของกล้องโทรทรรศน์ต้องทำงานได้อย่างสมบูรณ์ในสุญญากาศเย็นของอวกาศ แต่ผลงานที่พวกเขาทำ - "น่าอัศจรรย์มาก" ตามที่ Jane Rigby ของ NASA Goddard ซึ่งพูดในงาน ผลลัพธ์วิทยาศาสตร์ครั้งแรกจาก JWST การประชุมที่จัดขึ้นที่ STScI เมื่อต้นเดือนนี้
“วันที่ฉันรู้ว่าสิ่งนี้จะได้ผลจริงๆ คือตอนที่บูมหลักเหวี่ยงออก และกระจกรองก็พับออก และเรามีกล้องโทรทรรศน์จริงๆ” Rowe-Gurney กล่าว “แม้ว่าการปรับใช้งานครั้งต่อๆ ไปจะไม่ได้ผล เราก็สามารถจับแสงและใส่เข้าไปในเครื่องมือได้”
โฟกัสกล้องโทรทรรศน์
เมื่อติดตั้งกระจกทั้งสองแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการโฟกัสส่วนเบริลเลียมหกเหลี่ยม 18 เหลี่ยมของกระจกเงาหลัก สิ่งนี้สำเร็จในเจ็ดขั้นตอน ในขั้นต้น แต่ละส่วนสร้างภาพที่ไม่ได้โฟกัสต่างกัน ดังนั้น ระยะแรกคือการจำแนกว่าภาพใดเป็นของส่วนใดของกระจกเงา ขั้นตอนต่อไปคือการจัดแนวกระจกอย่างคร่าว ๆ เพื่อให้ภาพทั้ง 18 ภาพอยู่ในโฟกัส หลังจากนั้นจึงปรับส่วนต่างๆ ต่อไป จนเริ่มโฟกัสที่จุดเดียวกัน
ตามมาด้วยการปรับละเอียดหลายระดับและตรวจสอบให้แน่ใจว่าโฟกัสอยู่ในขอบเขตการมองเห็นของเครื่องมือต่างๆ จากนั้นจึงแก้ไขชุดต่างๆ เพื่อให้แน่ใจว่าส่วนต่างๆ อยู่ในแนวเดียวกันภายในระยะ 50 นาโนเมตรของกันและกัน ในที่สุด หลังจากกระบวนการสามเดือน กล้องโทรทรรศน์ก็อยู่ในโฟกัส
ทำลายขีดจำกัดความเร็ว
เมื่อกล้องโทรทรรศน์อยู่ในสภาพดี ขั้นตอนต่อไปคือการปรับเทียบเครื่องมือแต่ละตัว: กล้องอินฟราเรดใกล้ (NIRCam)ที่ สเปกโตรมิเตอร์อินฟราเรดใกล้ (NIRSpec)และ MIRI ซึ่งเป็นชุดอุปกรณ์ตรวจจับที่ประกอบกันเป็น เครื่องมือกลางอินฟราเรด.
วัตถุในห้วงอวกาศที่อยู่ห่างไกลดูเหมือนจับจ้องอยู่บนท้องฟ้า แต่วัตถุในระบบสุริยะเคลื่อนที่สวนทางกับพื้นหลังของดวงดาว เนบิวลา และกาแล็กซี ดังนั้น ในการถ่ายภาพดาวเคราะห์ ดวงจันทร์ ดาวหาง และดาวเคราะห์น้อย JWST จึงต้องติดตามพวกมันด้วยการหมุนยานอวกาศ ก่อนการเปิดตัว มีการจำกัดความเร็วในการติดตาม: 30 มิลลิอาร์ควินาทีต่อวินาที โดยที่หนึ่งอาร์ควินาทีเท่ากับ 1/3600 ขององศา)
อย่างไรก็ตาม เมื่ออยู่ในอวกาศ ทีมงานตระหนักว่าขีดจำกัดนี้เป็นการมองโลกในแง่ร้ายเล็กน้อย “เรากำลังทดสอบว่าเราสามารถติดตามได้เร็วแค่ไหน และเราตระหนักว่าเราสามารถทำได้เร็วกว่านี้มาก” Rowe-Gurney ผู้มีส่วนเกี่ยวข้องในการทดสอบการใช้งานเครื่องมือสำหรับการรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับเป้าหมายที่กำลังเคลื่อนที่และแสงที่กระจัดกระจายกล่าว
ความเร็วในการติดตามที่เพิ่มขึ้นมีประโยชน์ในอีกไม่กี่เดือนต่อมา เมื่อ JWST สังเกตผลที่ตามมาของ DART (การทดสอบการเปลี่ยนเส้นทางดาวเคราะห์น้อยสองครั้ง) ที่ส่งผลกระทบต่อดาวเคราะห์น้อยไดมอร์ฟอสขนาดเล็ก ภารกิจ DART คือ โลกฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์ ก้าวกระโดดแห่งปี ในปี พ.ศ. 2022 และ JWST สามารถจับภาพเศษซากที่พุ่งออกมาจากการชนด้วยการติดตามเร็วกว่าขีดจำกัดเริ่มต้นถึงสามเท่า ทำให้ดาวเคราะห์น้อยอยู่ในขอบเขตการมองเห็นโดยไม่ทำให้ภาพพร่ามัว กล้องโทรทรรศน์มีความเร็วในการติดตามสูงถึง 120 มิลลิอาร์ควินาทีต่อวินาที อย่างไรก็ตาม ยิ่งติดตามได้เร็วเท่าไหร่ ประสิทธิภาพการติดตามก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ซึ่งนำไปสู่การประนีประนอมในระดับกลาง “ในปีหน้า อัตราการติดตามอย่างปลอดภัยจะเพิ่มเป็น 75 มิลลิอาร์ควินาทีต่อวินาที ซึ่งมากกว่าขีดจำกัดความเร็วสองเท่า ดังนั้น เราจะสามารถติดตามวัตถุในระบบสุริยะได้มากขึ้นโดยไม่ทำลายกล้องโทรทรรศน์” Rowe-Gurney พูดว่า.
การขจัดแสงที่กระจัดกระจาย
เมื่อ JWST จ้องมองวัตถุที่สว่าง เช่น ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ แม้แต่ควอซาร์ที่อยู่ไกลออกไป แสงส่วนเกินบางส่วนจะก่อให้เกิดรูปแบบการเลี้ยวเบน รูปแบบนี้เป็นสาเหตุของ "หนามแหลม" ที่เห็นรอบดาวเบื้องหน้าในภาพหลายภาพของ JWST และถึงแม้จะดูสวยงาม แต่ก็บดบังรายละเอียดทางวิทยาศาสตร์ได้ โชคดีที่รูปแบบการเลี้ยวเบนที่ไม่เหมือนใครของกล้องโทรทรรศน์ทุกตัวสามารถอธิบายได้ว่าเป็นฟังก์ชันกระจายจุด และด้วยการระบุลักษณะรูปร่างของฟังก์ชันกระจายจุดนี้สำหรับ JWST และเครื่องมือของมัน นักดาราศาสตร์สามารถขจัดแสงภายนอกออกจากภาพได้เมื่อจำเป็น
กรณีตัวอย่างคือภาพของดาววูลฟ์-ราเยต WR 140 ของ JWST ซึ่งอยู่ห่างออกไป 5000 ปีแสง เมื่อถ่ายภาพครั้งแรกโดย JWST นักดาราศาสตร์ต้องตะลึงที่เห็นวงแหวนหรือเปลือกหอย 17 วงรอบดาวฤกษ์ ตอนแรกคิดว่าวงแหวนเหล่านี้เป็นสิ่งประดิษฐ์จากกล้องโทรทรรศน์ แต่หลังจากถอดฟังก์ชันกระจายจุดออกแล้ว วงแหวนก็ยังคงอยู่ที่นั่น การตรวจสอบเพิ่มเติมตามการจำลองแสดงให้เห็นว่าลมดาวฤกษ์จากดาวคู่สามารถสร้างวงแหวนฝุ่นที่ปะทะกันและควบแน่น ยิ่งไปกว่านั้น รูปแบบของวงแหวนจำลองยังตรงกับรูปแบบของวงแหวนรอบๆ WR 140 อย่างแม่นยำ แม้กระทั่งลักษณะเชิงเส้นที่ตัดผ่านวงแหวนเนื่องจากการปล่อยรังสีอินฟราเรดที่ได้รับการปรับปรุงในแนวสายตาของเรา
การสังเกตการณ์ของ WR 140 เป็นครั้งแรกที่โครงสร้างลมที่ชนกันรอบดาวคู่ได้รับการแมปในรูปแบบ 3 มิติ แต่ถ้านักดาราศาสตร์ไม่ได้จำลองรูปแบบของแสงกระจัดกระจายที่รั่วไหลเข้ามาในกล้องโทรทรรศน์ก่อนเพื่อให้พวกเขาสามารถเอาออกได้ ก็คงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะแยกแยะว่าการสังเกตบอกอะไรเรา
ของเล่นใหม่ของนักดาราศาสตร์
ตัวอย่างดาว Wolf–Rayet แสดงให้เห็นว่าการทำความรู้จักกล้องโทรทรรศน์ขณะสังเกตการณ์มีความสำคัญเพียงใด “มันเป็นสิ่งที่คุณต้องคิดให้มาก” มัลลลี่กล่าว “ทุกขั้นตอนที่คุณหวังว่าจะมีผู้เชี่ยวชาญในทีมของคุณที่รู้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ทั้งเกี่ยวกับเครื่องมือหรือเกี่ยวกับวิธีการสังเกตประเภทเหล่านั้น”
ดังนั้นหนึ่งในแรงจูงใจที่อยู่เบื้องหลัง JWST วิทยาศาสตร์การเปิดตัวก่อนกำหนด (ERS) คือการช่วยให้นักดาราศาสตร์สองสามคนคุ้นเคยกับกล้องโทรทรรศน์และเครื่องมือของมัน เพื่อที่พวกเขาจะได้สามารถเร่งความเร็วคนอื่นๆ สำหรับการสังเกตการณ์รอบต่อไป “มันเหมือนกับของเล่นชิ้นใหม่” Rowe-Gurney กล่าว “มีงานมากมายที่ต้องดำเนินการในการประมวลผลและสอบเทียบข้อมูลเพื่อให้แน่ใจว่าเชื่อถือได้”
โชคดีที่ JWST กำลังเล่นบอลอยู่ “นักวิทยาศาสตร์ด้านเครื่องมืออาจบอกว่าพวกเขายังคงทำความรู้จักกับเครื่องดนตรีของพวกเขา และวิธีดำเนินการในการลบระบบและสิ่งประดิษฐ์เล็กๆ น้อยๆ และสิ่งที่คล้ายกันในข้อมูลของคุณ” มัลลีกล่าว “แต่โดยรวมแล้ว ความประทับใจที่ฉันได้รับจากทุกคนก็คือกล้องโทรทรรศน์ กำลังดำเนินการอย่างยอดเยี่ยม”
ความเสี่ยงต่อผลกระทบ
จนถึงตอนนี้ มีข้อแม้เพียงอย่างเดียวสำหรับประสิทธิภาพของ JWST นั่นคือความเสียหายที่เกิดจากผลกระทบของอุกกาบาตขนาดเล็ก โดยเฉลี่ยแล้ว กระจกของกล้องโทรทรรศน์จะถูกกระแทกเดือนละครั้งโดยสิ่งที่ใหญ่พอที่จะกระทบได้ การตรวจจับหน้าคลื่นซึ่งเป็นความสามารถของกล้องโทรทรรศน์ในการตรวจจับข้อผิดพลาดในการจัดตำแหน่งออปติคที่สามารถแสดงเป็นคลื่นแสงออกจากเฟส การตรวจจับด้านหน้าคลื่นที่ลดลงนี้ทำให้ภาพมีความคมชัดน้อยลง
ผลกระทบดังกล่าวมีการคาดการณ์ไว้ก่อนเปิดตัว และคาดว่าจะไม่ใหญ่พอที่จะคุกคามอายุการใช้งานของกล้องโทรทรรศน์ อย่างไรก็ตาม ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2022 หนึ่งในกลุ่มกระจกเงาได้รับผลกระทบที่มากกว่าปกติ ในการพูดคุยของเธอที่ First Science Results จากการประชุม JWST Rigby รายงานว่าผลกระทบนี้ทำให้เกิดรอยแผล เพิ่มความคลาดเคลื่อนของหน้าคลื่นโดยรวมของกล้องโทรทรรศน์อีก 9 นาโนเมตร สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากหากข้อผิดพลาดของหน้าคลื่นถึง 150 นาโนเมตร กล้องโทรทรรศน์จะไม่ไวพอที่จะบรรลุเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์อีกต่อไป ซึ่งหมายความว่าผลกระทบเพียง 10 ครั้งในระดับที่คล้ายกันจะถือว่า "จบเกม" สำหรับ JWST
ค่อนข้างตื่นตระหนกกับโอกาสนี้ NASA ได้จัดตั้งคณะทำงาน micrometeoroid เพื่อตรวจสอบความเสี่ยง ประชากรอุกกาบาตขนาดเล็กที่ L2 เป็นที่รู้จักกันดี สิ่งที่ไม่ชัดเจนคือความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์ของการกระแทกและการลดลงของการตรวจจับหน้าคลื่น ผลกระทบขนาดใหญ่เช่นนี้หายากมากและ JWST โชคไม่ดีในเดือนพฤษภาคมหรือไม่? หรือกล้องโทรทรรศน์จะได้รับผลกระทบที่รุนแรงมากขึ้นในความถี่ที่มากกว่าที่คาดการณ์ไว้?
ควอซาร์ ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ และชั้นบรรยากาศของโลกอันไกลโพ้น: ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลลัพธ์แรกจาก JWST
จนกว่าคณะทำงานจะได้คำตอบ ผู้จัดการของกล้องโทรทรรศน์กำลังลดความเสี่ยงด้วยการกระตุ้นให้นักดาราศาสตร์จับเวลาการสังเกต (หากเป็นไปได้ การสังเกตที่ไวต่อเวลาจะได้รับการยกเว้น) เพื่อไม่ให้กล้องโทรทรรศน์ชี้ไปที่ “ฝน” ของอุกกาบาตขนาดเล็ก
หากระบบนี้ประสบความสำเร็จ หรือคณะทำงานได้คำตอบที่มั่นใจเกี่ยวกับโอกาสที่จะเกิดผลกระทบ JWST น่าจะมีชีวิตที่ยืนยาวรออยู่ข้างหน้า ต้องขอบคุณการเปิดตัวที่ไร้ที่ติและการเดินทางสู่ L2 ที่ต้องการการแก้ไขเส้นทางเล็กน้อย ขอบเขตมีแรงขับเพียงพอที่จะดำเนินภารกิจต่อไปอย่างน้อยอีก 27 ปี หาก 12 เดือนแรกของภารกิจเป็นข้อบ่งชี้ใดๆ 27 ปีนี้น่าจะสร้างมุมมองและข้อมูลใหม่ที่น่าตื่นเต้นจากเครื่องมือที่ยอดเยี่ยม โดยมีโอกาสสูงที่จะเปลี่ยนแปลงฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบ จักรวาลวิทยา และอื่นๆ การนั่งรถไฟเหาะของการเปิดตัว JWST อาจจบลงแล้ว แต่การเดินทางที่แท้จริงเพิ่งเริ่มต้นขึ้น
