Fırlatıldıktan bir yıl sonra, gökbilimciler tarafından yapılan gözlemlerden elde edilen ilk bilimsel sonuçlarla evrenin sırları açığa çıkıyor. James Webb Uzay Teleskobu (JWST) yayınlandı. Bu ay, Fizik dünyası keşifler üzerine bir dizi blog yazısı yayınlıyor. Bu serideki dördüncü yazı – bir öncekini okuyabilirsiniz. .
James Webb Uzay Teleskobu'nun (JWST) lansmanından bu yana bir yıl geçti ve tehlikeli yerleşimi ve dikkatli kolimasyonundan sonra nihayet inanılmaz görüntüler ve veriler geri gönderiyor. Bununla birlikte, fırlatma rampasından tam operasyonlara geçmek kolay bir iş değildi. İşte her şeyin nasıl olduğuna dair bir hatırlatma.
2021 Noel Günü: Yaklaşık 25 yıllık geliştirme sürecinin ardından JWST, bir Ariane 5 roketinin üzerinde uzaya yükseldi. Lansmanı, teknolojik sıkıntılara, bütçe ve program aşımlarına ve hatta ABD Kongresi tarafından (geçici) iptal edilmesine karşı bir zaferdi. Sonuç olarak, fırlatma rampası geri sayımı sıfıra yaklaşırken duygular yüksekti.
"Gergindi" diye itiraf ediyor Susan MullallyJWST'nin Baltimore'daki Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü'ndeki (STScI) proje bilimcisi yardımcısı. "Gerçek olduğuna inanamadım" diye ekliyor Naomi Rowe-Gurney, Gezegen Sistemleri Ekibini desteklediği NASA'nın Goddard Uzay Uçuş Merkezinde bir JWST GTO (Garantili Zaman Gözlemleri) postdoc'u. “Bir tür başka gecikme bekliyordum. Hiç başlamayacağını düşünmüştüm.”
Tehlikeli bir yolculuk
Projenin gelişiminin dur-kalk doğası kısmen, parçalı 6.5 metrelik birincil aynanın yanı sıra kırılgan, beş katmanlı, tenis kortu büyüklüğünde yalıtıcı bir güneş kalkanına sahip olan teleskopun artan karmaşıklığından kaynaklandı. Her iki öğe de roket yolculuğuna sığdırıldıktan sonra origami gibi açılmak zorunda kaldı - teleskopun Dünya'dan 30 milyon kilometre uzaklıktaki Güneş'in diğer tarafındaki L2 Lagrange noktasına yaptığı yolculukla aynı zamana denk gelen 1.6 günlük bir süreç.
Bu nokta, Hubble Uzay Teleskobu'nun 1993'te hatalı optikleri nedeniyle aldığı astronot destekli hizmet türü için çok uzak. derin uzayda yüzen fil.
Rowe-Gurney, "İlk 30 gün oldukça sinir bozucuydu, çünkü herhangi bir sorun tek noktalı bir başarısızlıktı ve teleskopumuz olmayacağı anlamına gelirdi," diyor.
Sonuç olarak, 344 olası arıza noktası vardı: Teleskobun karmaşık hareketli parçalarının uzayın soğuk boşluğunda mükemmel bir şekilde çalışması gereken 344 nokta. Yine de yaptıkları iş - toplantıda konuşan NASA Goddard'dan Jane Rigby'ye göre "olağanüstü" JWST'den İlk Bilim Sonuçları konferansı bu ayın başlarında STScI'da düzenlendi.
Rowe-Gurney, "Bunun gerçekten işe yarayacağını bildiğim gün, ana bomun sallanıp ikincil aynanın katlandığı ve aslında bir teleskopumuz olduğu gündü" diyor. "Sonraki konuşlandırmalar işe yaramasa bile ışığı yakalayıp aletlere koyabilirdik."
Teleskopu odaklama
Her iki ayna da konuşlandırıldığında, bir sonraki adım birincil aynanın 18 altıgen berilyum parçasını odaklamaktı. Bu yedi aşamada gerçekleştirildi. Başlangıçta, her bölüm farklı bir odaklanmamış görüntü üretti, bu nedenle ilk aşama, hangi görüntünün hangi ayna bölümüne ait olduğunu tanımaktı. Bir sonraki adım, 18 görüntünün tümü odakta olacak şekilde aynaları kabaca hizalamaktı. Bundan sonra, segmentler aynı noktaya odaklanmaya başlayacak şekilde daha da ayarlandı.
Bunu çeşitli derecelerde ince ayar ve odağın farklı enstrümanların görüş alanlarına düştüğünden emin olunması izledi ve ardından segmentlerin birbirinin 50 nm içinde hizalanmasını sağlamak için bir dizi düzeltme yapıldı. Nihayet üç aylık bir sürecin ardından teleskop odaktaydı.
Hız sınırını aşmak
Teleskop iyi durumdayken bir sonraki adım, teleskopun bireysel cihazlarını kalibre etmekti: Yakın Kızılötesi Kamera (NIRCam), Yakın Kızılötesi Spektrometre (NIRSpec)ve MIRI, dedektör paketini oluşturan Orta Kızılötesi Enstrüman.
Uzak, derin uzay nesneleri gökyüzünde sabit görünür, ancak güneş sistemindeki nesneler yıldızların, bulutsuların ve galaksilerin arka planına karşı hareket eder. Bu nedenle, JWST'nin gezegenleri, ayları, kuyruklu yıldızları ve asteroitleri görüntülemek için uzay aracını fiziksel olarak döndürerek onları izlemesi gerekir. Fırlatmadan önce, bir izleme hızı sınırı getirildi: saniyede 30 miliyay saniyesi, burada bir yay saniyesi bir derecenin 1/3600'ü kadardır).
Ancak ekip, uzaya vardığında bu sınırın biraz karamsar olduğunu fark etti. Hareket eden hedefler ve dağınık ışık hakkında veri toplamak için enstrümanları devreye alan Rowe-Gurney, "Ne kadar hızlı takip edebileceğimizi test ediyorduk ve aslında çok daha hızlı yapabileceğimizi fark ettik" diyor.
Artan izleme hızı, birkaç ay sonra, JWST'nin küçük asteroit Dimorphos üzerindeki DART (Çift Asteroid Yönlendirme Testi) etkisinin ardından gözlemlediğinde işe yaradı. DART görevi şuydu: Fizik dünyasıbilimsel yılın atılımı 2022 için ve JWST, asteroidi bulanıklaştırmadan görüş alanında tutarak, ilk sınırdan üç kat daha hızlı izleyerek çarpmasından çıkan enkazı görüntüleyebildi. Gerçekten de, teleskop o zamandan beri saniyede 120 miliyay saniyeye varan izleme hızlarına ulaştı. Ancak, ne kadar hızlı izlerse, izleme verimliliği o kadar düşük olur ve bu da orta düzeyde bir uzlaşmaya yol açar. Rowe-Gurney, "Önümüzdeki yıl, güvenli izleme hızı saniyede 75 miliyay saniyeye çıkarılacak, bu da hız sınırını iki katından fazla artıracak, böylece güneş sistemindeki daha da fazla nesneyi teleskopu kırmadan takip edebileceğiz," dedi Rowe-Gurney diyor.
Dağınık ışığın giderilmesi
JWST parlak bir nesneye - bir gezegene, bir yıldıza, hatta uzaktaki bir kuasara - baktığında, fazla ışığın bir kısmı bir kırınım modeli oluşturur. Bu örüntü, JWST'nin birçok görüntüsünde ön plandaki yıldızların çevresinde görülen "çivilerin" nedenidir ve güzel olmasına rağmen, bilimsel ayrıntıları gizleyebilir. Neyse ki, her teleskobun benzersiz kırınım modeli bir nokta yayılma işlevi olarak tanımlanabilir ve JWST ve cihazları için bu nokta yayılma işlevinin şeklini karakterize ederek, gökbilimciler gerektiğinde görüntülerden harici ışığı kaldırabilirler.
Buna bir örnek, JWST'nin 140 ışıkyılı uzaklıkta bulunan Wolf-Rayet yıldızı WR 5000'ın görüntüsüydü. JWST tarafından ilk kez görüntülendiğinde, gökbilimciler yıldızın etrafında 17 eşmerkezli halka veya kabuk gördüklerinde şaşkına döndüler. Bu halkaların başlangıçta teleskoptan gelen görüntü nesneleri olduğu düşünülüyordu, ancak nokta yayma işlevi kaldırıldıktan sonra halkalar hala oradaydı. Simülasyonlara dayalı daha fazla araştırma, ikili yıldızlardan gelen yıldız rüzgarlarının çarpıştıkları ve yoğunlaştıkları yerde toz halkaları üretebildiğini gösterdi. Dahası, simüle edilmiş halkaların modeli, görüş hattımızdaki gelişmiş kızılötesi emisyon nedeniyle halkaları kesen doğrusal bir özelliğe kadar, WR 140 çevresindeki halkaların modeliyle tam olarak eşleşti.
WR 140'ın gözlemleri, ikili bir yıldızın etrafında çarpışan bir rüzgar yapısının ilk kez 3 boyutlu olarak haritalandığını gösteriyor. Ancak gökbilimciler önce teleskopa sızan dağınık ışık modelini çıkarabilmeleri için modellememiş olsalardı, gözlemlerin bize ne söylediğini ayırt etmek imkansız olurdu.
Astronomların yeni oyuncağı
Wolf-Rayet yıldız örneği, gözlem yaparken teleskopu tanımanın ne kadar önemli olduğunu gösteriyor. Mullally, "Bu, üzerinde çokça düşünmeniz gereken bir konu" diyor. "Yolun her adımında, ekibinizde alet veya bu tür gözlemlerin nasıl yapıldığı hakkında mümkün olduğunca çok şey bilen bir uzman olmasını umuyorsunuz."
Buna göre, JWST'lerin arkasındaki motivasyonlardan biri Erken Yayın Bilimi (ERS), birkaç astronomun teleskopa ve aletlerine aşina olmasına yardımcı olacak, böylece diğerlerini daha sonraki gözlem döngüleri için hızlandırabilecekti. Rowe-Gurney, “Yeni bir oyuncak gibi” diyor. "Güvenilir olduğundan emin olmak için verilerin nasıl işleneceği ve kalibre edileceği konusunda çok çalışma var."
Neyse ki, JWST top oynuyor. Mullally, "Alet bilimcileri, aletlerini tanımaya başladıklarını ve verilerinizdeki küçük sistematiği, artefaktı ve buna benzer şeyleri nasıl kaldıracaklarını söyleyebilirler," diyor, "ancak genel olarak herkesten edindiğim izlenim şu ki, teleskop harika bir performans sergiliyor.”
Etki riski
Şimdiye kadar, JWST'nin performansıyla ilgili tek bir uyarı var: mikrometeoroid çarpmalarının neden olduğu hasar. Ortalama olarak, teleskopun aynasına ayda bir kez etkileyecek kadar büyük bir şey çarpıyor. dalga cephesi algılama, teleskopun hizalamadaki hataları tespit etme yeteneği olan optikleri, fazdan çıkan ışık dalgaları olarak ortaya çıkabilir. Dalga cephesi algılamasındaki bu azalma, görüntüleri daha az keskin hale getirebilir.
Bu tür etkiler fırlatmadan önce tahmin edilmişti ve teleskopun ömrünü tehdit edecek kadar büyük olması beklenmiyordu. Ancak Mayıs 2022'de ayna segmentlerinden biri normalden daha büyük bir darbe aldı. JWST konferansından İlk Bilim Sonuçları'ndaki konuşmasında Rigby, bu etkinin bir ayak çapında bir yara bıraktığını ve teleskopun toplam dalga cephesi hatasını 9 nm artırdığını bildirdi. Bu önemlidir, çünkü dalga cephesi hatası 150 nm'ye ulaşırsa, teleskop artık bilimsel hedeflerini karşılayacak kadar hassas olmayacaktır - yani benzer ölçekte sadece 10 çarpma JWST için "oyun bitti" anlamına gelir.
Bu olasılıktan biraz endişe duyan NASA, riski araştırmak için bir mikrometeoroid çalışma grubu topladı. L2'deki mikrometeoroid popülasyonu iyi bilinmektedir; net olmayan şey, çarpmaların kinetik enerjisi ile dalga cephesi algılamanın bozulması arasındaki ilişkidir. Bu kadar büyük etkiler son derece nadir mi ve JWST Mayıs ayında şanssız mıydı? Yoksa teleskop tahmin edilenden daha büyük bir frekansta daha ciddi darbeler mi yaşayacak?
Kuasarlar, ötegezegenler ve uzak dünyaların atmosferleri: JWST'nin ilk sonuçları hakkında daha fazlası
Çalışma grubu cevaplar bulana kadar, teleskop yöneticileri, astronomları gözlemlerini zamanlamaya teşvik ederek (mümkün olduğunda - zamana duyarlı gözlemler muaftır), böylece teleskop mikrometeoroidlerin "yağmuruna" bakmasın diye riski hafifletiyorlar.
Bu sistem başarılı olursa veya çalışma grubu çarpma olasılıkları hakkında güven verici bir cevap bulursa, JWST'nin önünde uzun bir ömür olacaktır. Kusursuz lansmanı ve minimum rota düzeltmesi gerektiren L2'ye yolculuğu sayesinde, dürbün, görevini en az 27 yıl daha sürdürmeye yetecek kadar yakıta sahip. Görevin ilk 12 ayı herhangi bir göstergeyse, bu 27 yıl astrofizik, ötegezegen çalışmaları, kozmoloji ve daha fazlasını dönüştürme olasılığı yüksek olan muhteşem bir araçtan tonlarca sansasyonel yeni görüş ve veri üretmelidir. JWST'nin lansmanının inişli çıkışlı yolculuğu sona ermiş olabilir, ancak asıl yolculuk daha yeni başlıyor.
