Через рік після його запуску астрономи розкривають таємниці Всесвіту, оскільки перші наукові результати спостережень, зроблених Джеймс Вебб космічний телескоп (JWST) випущено. Цього місяця, Світ фізики публікує серію публікацій у блозі про відкриття. Це четвертий пост у серії – ви можете прочитати попередній тут.
Минув рік з моменту запуску космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), і після його небезпечного розгортання та ретельної колімації він нарешті надсилає неймовірні зображення та дані. Однак перейти від панелі запуску до повноцінних операцій було непростим завданням. Ось нагадування про те, як усе відбувалося.
Різдво 2021: після майже 25 років розробки JWST злетів у космос на ракеті Ariane 5. Його запуск став тріумфом над технологічними труднощами, перевищенням бюджету та розкладу та навіть (тимчасовим) скасуванням Конгресом США. Отже, емоції були високими, оскільки зворотний відлік стартової панелі наближався до нуля.
«Було напружено, — зізнається Сьюзан Маллаллі, заступник наукового співробітника проекту JWST в Науковому інституті космічного телескопа (STScI) у Балтиморі. «Я не міг повірити, що це правда», — додає Наомі Роу-Герні, постдок JWST GTO (Garanteed Time Observations) у Центрі космічних польотів імені Годдарда NASA, де вона підтримує групу планетарних систем. «Я очікував ще якоїсь затримки. Я думав, що його ніколи не запустять».
Небезпечна подорож
Розробка проекту сталася частково через зростання складності телескопа, який має сегментоване 6.5-метрове головне дзеркало, а також крихкий п’ятишаровий ізоляційний сонцезахисний екран розміром з тенісний корт. Обидва елементи повинні були розгорнутися як орігамі після того, як їх стисли, щоб поміститися в корпус ракети – 30-денний процес, який збігся з подорожжю телескопа до точки Лагранжа L2 на іншому боці Сонця, за 1.6 мільйона кілометрів від Землі.
Ця точка надто віддалена для такого роду обслуговування за допомогою астронавтів, яке отримав космічний телескоп Хаббл через його несправну оптику в 1993 році. Якби щось пішло не так із дзеркалом JWST під час його розгортання, астрономи залишилися б з 10 мільярдами доларів США. слон плаває в глибокому космосі.
«Ці перші 30 днів були досить нервовими, тому що будь-яка проблема була одноточковою несправністю і означала, що у нас не буде телескопа», — каже Роу-Герні.
Загалом, було 344 такі можливі точки відмови: 344 точки, де складні рухомі частини телескопа повинні були ідеально працювати в холодному космічному вакуумі. І все ж вони зробили роботу – «феноменально», за словами Джейн Рігбі з NASA Goddard, яка виступала на Перші наукові результати від JWST конференція, що відбулася в STScI на початку цього місяця.
«У той день, коли я зрозумів, що це справді спрацює, головна стріла розгорнулася, а другорядне дзеркало розгорнулося, і ми фактично отримали телескоп», — каже Роу-Герні. «Навіть якби наступне розгортання не спрацювало, ми могли б уловити світло та ввести його в прилади».
Фокусування телескопа
Коли обидва дзеркала були розгорнуті, наступним кроком було фокусування 18 шестикутних берилієвих сегментів основного дзеркала. Це було досягнуто в сім етапів. Спочатку кожен сегмент створював різне несфокусоване зображення, тому на першому етапі було розпізнати, яке зображення належить до якого дзеркального сегмента. Наступним кроком було приблизно вирівняти дзеркала так, щоб усі 18 зображень були у фокусі. Після цього сегменти додатково підкоригували, щоб вони почали фокусуватися в одній точці.
За цим слідували різні ступені тонкого налаштування та переконання, що фокус потрапляє в поля зору різних інструментів, а потім серія виправлень, щоб гарантувати, що сегменти були вирівняні з точністю до 50 нм один від одного. Нарешті, після тримісячного процесу, телескоп був у фокусі.
Порушення швидкісного режиму
Коли телескоп був у хорошому стані, наступним кроком було відкалібрувати його окремі інструменти: Камера ближнього інфрачервоного діапазону (NIRCam), Спектрометр ближнього інфрачервоного діапазону (NIRSpec)і MIRI, набір детекторів, які входять до складу Інструмент середнього інфрачервоного діапазону.
Далекі об’єкти глибокого космосу здаються нерухомими на небі, але об’єкти Сонячної системи рухаються на тлі зірок, туманностей і галактик. Тому, щоб отримати зображення планет, супутників, комет і астероїдів, JWST має відстежувати їх, фізично повертаючи космічний корабель. Перед запуском було введено обмеження швидкості відстеження: 30 мілісекунд кута за секунду, де одна кутова секунда дорівнює 1/3600 градуса).
Однак опинившись у космосі, команда зрозуміла, що це обмеження є трохи песимістичним. «Ми перевіряли, наскільки швидко ми можемо стежити, і зрозуміли, що насправді можемо робити це набагато швидше», — каже Роу-Герні, який брав участь у введенні в експлуатацію інструментів для збору даних про рухомі цілі та розсіяне світло.
Збільшення швидкості відстеження стало корисним через кілька місяців, коли JWST спостерігав наслідки зіткнення DART (Double Asteroid Redirection Test) з невеликим астероїдом Dimorphos. Місія DART була Світ фізикинаук прорив року на 2022 рік, і JWST зміг відобразити уламки, викинуті внаслідок його удару, відстежуючи втричі швидше, ніж початковий ліміт, утримуючи астероїд у полі зору без розмиття. Дійсно, відтоді телескоп досяг швидкості відстеження до 120 мілісекунд на секунду. Однак, чим швидше він відстежує, тим нижча його ефективність відстеження, що призводить до компромісу по середині. «Наступного року швидкість безпечного відстеження буде доведена до 75 мілісекунд кута секунди, що більш ніж удвічі перевищує обмеження швидкості, тож ми зможемо стежити за ще більшою кількістю об’єктів у Сонячній системі, не зламавши телескоп», — Роу-Герні. каже.
Видалення розсіяного світла
Коли JWST дивиться на яскравий об’єкт – планету, зірку, навіть віддалений квазар – частина надлишку світла утворює дифракційну картину. Ця закономірність є причиною «шипів», які можна побачити навколо зірок переднього плану на багатьох зображеннях JWST, і, незважаючи на гарний вигляд, вона може приховувати наукові деталі. На щастя, унікальну дифракційну картину кожного телескопа можна описати як функцію розповсюдження точок, і, характеризуючи форму цієї функції розповсюдження точок для JWST та його інструментів, астрономи можуть у разі потреби видалити стороннє світло із зображень.
Яскравим прикладом було зображення зірки Вольфа-Райє WR 140, отримане JWST, яка розташована на відстані 5000 світлових років від нас. Коли JWST вперше зробив зображення, астрономи були вражені, побачивши 17 концентричних кілець, або оболонок, навколо зірки. Спочатку вважалося, що ці кільця є артефактами зображення з телескопа, але після видалення функції розподілу точок, кільця все ще були там. Подальше дослідження на основі моделювання показало, що зоряний вітер від подвійних зірок може утворювати кільця пилу, де вони стикаються та конденсуються. Більше того, малюнок змодельованих кілець точно збігався з малюнком кілець навколо WR 140, навіть до лінійної деталі, що прорізає кільця завдяки посиленому інфрачервоному випромінюванню в зоні прямої видимості.
Спостереження WR 140 представляють собою перший випадок, коли структуру зіткнення вітру навколо подвійної зірки було нанесено на карту в 3D. Але якби астрономи спочатку не змоделювали картину розсіяного світла, що просочується в телескоп, щоб вони могли його видалити, було б неможливо зрозуміти, що говорять нам спостереження.
Нова іграшка астрономів
Приклад зірки Вольфа–Райе показує, наскільки важливо пізнати телескоп під час спостережень. «Це те, про що вам потрібно багато думати», — каже Маллаллі. «На кожному кроці ви сподіваєтеся, що у вашій команді буде експерт, який знає якомога більше про прилад або про те, як проводяться такі спостереження».
Відповідно, одна з мотивацій JWST Наука про раннє звільнення (ERS) мав допомогти кільком астрономам ознайомитися з телескопом та його інструментами, щоб вони могли навчити інших прискорюватися для наступних циклів спостережень. «Це як нова іграшка, — каже Роу-Герні. «Потрібно багато роботи, щоб обробити та відкалібрувати дані, щоб переконатися, що вони надійні».
На щастя, JWST грає м'ячем. «Фахівці з приладобудування можуть сказати, що вони все ще знайомляться зі своїми інструментами та тим, як усунути дрібні систематичні дефекти, артефакти та інші подібні речі у ваших даних, — каже Маллаллі, — але загалом у мене у всіх складається враження, що телескоп працює чудово».
Ризик удару
Поки що є лише одне застереження щодо продуктивності JWST: пошкодження, спричинені зіткненнями мікрометеороїдів. У середньому раз на місяць у дзеркало телескопа вдаряється щось досить велике, щоб вплинути зондування хвильового фронту, яка є здатністю телескопа виявляти помилки в орієнтації його оптики, які можуть проявлятися у вигляді світлових хвиль, що виходять з фази. Це зменшення хвильового фронту може зробити зображення менш чіткими.
Такі удари передбачалися ще до запуску, і не очікувалося, що вони будуть настільки сильними, щоб загрожувати терміну служби телескопа. Однак у травні 2022 року один із дзеркальних сегментів отримав більший, ніж зазвичай, вплив. У своїй доповіді на конференції First Science Results from JWST Рігбі повідомила, що цей удар залишив рану на фут поперек, збільшивши загальну похибку хвильового фронту телескопа на 9 нм. Це важливо, тому що якщо помилка хвильового фронту досягне 150 нм, телескоп більше не буде достатньо чутливим, щоб досягти своїх наукових цілей, а це означає, що лише 10 зіткнень подібного масштабу закінчиться для JWST.
Дещо стривожене такою перспективою, NASA скликало робочу групу мікрометеороїдів для дослідження ризику. Популяція мікрометеороїдів на L2 добре відома; незрозумілим є зв’язок між кінетичною енергією зіткнень і погіршенням відчуття хвильового фронту. Чи такі великі удари є надзвичайно рідкісними, і JWST просто не пощастило в травні? Або телескоп зазнає більш серйозних ударів із більшою частотою, ніж прогнозувалося?
Квазари, екзопланети та атмосфери далеких світів: більше про перші результати JWST
Поки робоча група не дасть відповіді, керівники телескопа зменшують ризик, заохочуючи астрономів визначати час своїх спостережень (де це можливо – чутливі до часу спостереження виключаються), щоб телескоп не був спрямований у «дощ» мікрометеороїдів.
Якщо ця система запрацює або робоча група дасть обнадійливу відповідь щодо ймовірності удару, у JWST попереду буде довге життя. Завдяки бездоганному запуску та подорожі до L2, яка вимагала мінімальних коригувань курсу, приціл має достатньо палива на борту, щоб продовжувати свою місію щонайменше ще 27 років. Якщо перші 12 місяців місії свідчать про те, що ці 27 років мають створити купу сенсаційних нових поглядів і даних з чудового інструменту, з високою ймовірністю зміни астрофізики, вивчення екзопланет, космології тощо. Поїздка на американських гірках запуску JWST може закінчитися, але справжня подорож тільки починається.
