Teleskop Kosmiczny Webba, po latach opóźnienia, w końcu dotarł do wyrzutni. To było wielkie wydarzenie, ale obserwatorium musiało przejść przez bezprecedensową i skomplikowaną operację, która trwała sześć miesięcy. Wygląda na to, że najtrudniejsza część jeszcze przed nami.
Opracowany przez amerykańskie, europejskie i kanadyjskie agencje kosmiczne, z pomocą prywatnych wykonawców, takich jak Lockheed Martin, Webb został opisany jako „najbardziej złożony i najpotężniejszy teleskop, jaki kiedykolwiek zbudowano”. Wykorzystując swoje możliwości w podczerwieni, Webb będzie polował na starożytne gwiazdy i galaktyki, badał powstawanie gwiazd i egzoplanet oraz poszukiwał życia w Drodze Mlecznej. Teleskop kosmiczny może zmienić, dosłownie i w przenośni, nasz pogląd na wszechświat i nasze zrozumienie naszego w nim miejsca.
Podekscytowanie misją było podsycane przez fakt, że Webb miał się rozwijać w 2007 roku, ale poważna zmiana projektu dotyczyła osłony przeciwsłonecznej, koszt nadwyżki był prawie dwukrotnie wyższy początkowo, ciągłe przeszkody techniczne, rozległe testy, problemy z wybranym pojazdem startowym – zatrzymaj się na oddech – pandemia Covid19 i problemy z obsługą w Guyana Space Center połączyły się, aby ustalić rzeczywistą datę startu na 25 grudnia 2021 r.
Podnoszenie ciężarów wydaje się być za nami, ale jeszcze wiele kroków do podjęcia, zanim Webb ogłosi pełną aktywność. Nie potrafię wyjaśnić wszystkiego, co mogło się wtedy nie udać, ale mogę omówić kilka kluczowych kroków, a nawet niektóre gadżety technologiczne, które mogą powodować problemy w ciągu następnych sześciu miesięcy.
Ale zanim o tym powiem, chcę porozmawiać o rakiecie Ariane 5, która wyśle Webba w kosmos. Rakieta Arianespace jest super niezawodna, ale wcześniejszy problem techniczny sprawił, że trochę się denerwowałem nadchodzącym startem. Dwa razy w 2020 roku Rakieta Ariane 5 doświadczyła nieoczekiwanego przyspieszenia pojazdu podczas oddzielania siłownika. Arianespace od tego czasu naprawił problem i wszystko wydaje się w porządku, ale nie podoba mi się, że to się dzieje. Trochę mnie to denerwuje w świąteczny poranek, kiedy popijam jajka i oglądam premierę.
Pomimo katastrofalnej awarii rakiety (nie daj Boże) start może wywołać szkodliwe wibracje. To powiedziawszy, Webb jest specjalnie zaprojektowany, aby wytrzymać oczekiwane wstrząsy. W 2016 roku testy wibracyjne ujawniły problem ze wspornikami lub „siłownikami” podtrzymującymi łopatki zwierciadeł teleskopu. Szeroko zakrojone testy dźwięku i wibracji przeprowadzone na 1
,300-funtowym urządzeniu wykluczą te i inne potencjalne problemy, ale nie dowiemy się, dopóki Webb w końcu nie zostanie uwzględniony.
Jak wyjaśniono w e-mailu od Alison Nordt, dyrektor ds. badań kosmicznych i oprzyrządowania w Lockheed Martin, Webb nie tylko przeżył start, ale także musiał przetrwać paskudny start w kosmos.
„Jestem oczywiście bardzo podekscytowany uruchomieniem JWST, a stawka jest naprawdę wysoka”, powiedział Nordt. „Środowisko kosmiczne, w tym start, różni się od Ziemi – takie rzeczy jak ładunki startowe, próżnia, ekstremalne temperatury i nieważkość”, niekoniecznie testowane w terenie.
Sama sekwencja startu powinna być rutynowym wydarzeniem, z bocznymi boosterami Ariane opadającymi kilka minut po starcie, po których następuje rozładunek. Niższy stopień rakiety nadal będzie zapewniał niezbędny ciąg, ale kiedy zabraknie mu paliwa, będzie musiał również zejść, pozostawiając kontrolę nad górnym stopniem. Statek kosmiczny musi następnie wykonać serię manewrów oscylacyjnych, aby zapobiec dotarciu promieniowania słonecznego do jednej strony aktualnie odsłoniętego teleskopu. Powyższa faza zostanie wycofana około 27 minut po uruchomieniu, przy czym Webb będzie niezależny i samoobsługowy.
Starty zawsze niosą ze sobą element ryzyka, ale w tym przypadku największy problem może stanowić to, co dzieje się później. Teleskop kosmiczny, który ma więcej zagięć niż rzeźba z papieru origami, musi się rozkładać, metaforycznie ziewać i rozkładać na wiele elementów.
Statek kosmiczny rozłoży swoje panele słoneczne około 33 minut po rozpoczęciu misji, „aby Webb mógł zacząć generować energię elektryczną ze słońca i przestać rozładowywać baterię” – napisała NASA w Pytaniach. „Webb szybko nauczy się nawigować i »latać« w przestrzeni”. Według NASA, w tym czasie zostanie również zastosowana antena Webba o wysokim zysku, aby „umożliwić najszybszą możliwą transmisję danych” z najwyższą dostępną prędkością”.
Rozmieszczenie paneli słonecznych będzie kwestią czasu, ale tak samo będzie z pierwszą korektą trajektorii. W przeciwieństwie do Hubble’a, który pracuje na niskiej orbicie okołoziemskiej, Webb będzie prowadził swoją działalność w drugim punkcie Lagrange’a, czyli L2. Ten słodki punkt jest bardzo stabilny ze względu na przyciąganie grawitacyjne Ziemi i Słońca, co oznacza, że Webb nie będzie musiał zużywać nadmiernej ilości paliwa, aby pozostać na swoim miejscu. L2 znajduje się około 1 miliona mil (1,5 miliona km) od Ziemi, więc dotarcie tam zajmie Webbowi cały miesiąc. W tym czasie sonda będzie musiała dokonać pewnych korekt kursu. Pierwszy, znany jako MCC-1a, będzie miał miejsce około 12,5 godziny po rozpoczęciu misji.
Jak wyjaśnia SpaceNews, pierwszy dzień Webba w kosmosie brzmi intensywnie, ale kolejne tygodnie i miesiące będą również obejmować kilka bardzo ważnych kroków, z których każdy może zagrozić misji :
Jednak te początkowe wdrożenia należą do najbardziej krytycznych i najbardziej ryzykownych. Na listopadowym briefingu Mike Menzel, główny inżynier systemów misji JWST w NASA Goddard Space Flight Center, powiedział, że w statku kosmicznym występują 344 awarie jednopunktowe, z których 80% jest związanych z mechanizmami rozmieszczania. „Kiedy masz mechanizm zwalniający, trudno jest wprowadzić w to pełną redundancję” — powiedział.
Osłona przeciwsłoneczna, na przykład, zawiera 140 mechanizmów zwalniających, 70 zespołów zawiasów, osiem silników rozmieszczania, około 400 kół pasowych i 90 kabli o łącznej długości 400 metrów, powiedział Krystal Puga, inżynier systemów statków kosmicznych JWST w Northrop Grumman, podczas listopadowego briefingu. .
Proces rozkładania pięciowarstwowej osłony przeciwsłonecznej teleskopu rozpocznie się trzy dni po wystrzeleniu. Będąc teleskopem na podczerwień, Webb potrzebuje tej osłony, aby zminimalizować potencjalne zakłócenia; Teleskop został zaprojektowany do wykrywania źródeł ciepła, więc ostatnią rzeczą, jakiej potrzebują naukowcy, jest odbieranie ciepła z własnych instrumentów. W tygodniu po premierze „najważniejszymi operacjami będą wszystkie rozmieszczenia osłon przeciwsłonecznych i napinanie warstw” – powiedział Nordt Gizmodo. „Wdrażanie osłon przeciwsłonecznych wzbudza najwięcej dyskusji, po części dlatego, że był to najtrudniejszy system do przetestowania jak w locie”. Inne wdrożenia, takie jak rozwijanie grzejników Webba, będą miały miejsce w tym samym czasie.
Do drugiego tygodnia zespół powinien zakończyć wdrożenia, w tym rozkładanie i zatrzaskiwanie statywu zwierciadła wtórnego, obracanie i zatrzaskiwanie dwóch skrzydeł zwierciadła głównego oraz odblokowywanie segmentów zwierciadła głównego. Pełne rozmieszczenie teleskopu powinno zakończyć się około 13 dni po rozpoczęciu misji. Efekty działania parasola powinny zacząć być widoczne w tym czasie, a instrumenty naukowe będą szybko stygnąć.
„Zespół Webb zrobił wszystko, co mógł, aby przetestować wszystko, aby zapewnić sukces, i wiem, że wszyscy będziemy trochę łatwiej odetchnąć, gdy wszystkie wdrożenia zostaną zakończone i będziemy mogli przejść do wyrównania”, powiedział Nordt.
Koniec pierwszego miesiąca to ostateczna korekta kursu (dzień 29) i wprowadzenie Webba na orbitę L2. Co ciekawe, kontrolery zasilałyby następnie cztery instrumenty naukowe obserwatorium: kamerę bliskiej podczerwieni (NIRCam), spektrometr bliskiej podczerwieni (NIRSpec) i medium instrumentalne na podczerwień (MIRI) oraz precyzyjny czujnik celowniczy/kamerę bliskiej podczerwieni i nie luki. Spektrofotometr (FGSNIRISS).
„Po zakończeniu wszystkich tych wdrożeń najbardziej ekscytuje mnie kolejny krok w procesie uruchomienia — włączenie kamery NIRCam, aby rozpocząć żmudny proces wyrównywania 18 segmentów głównego lustra” — powiedział Nordt.
Aby rozpocząć ten proces dostrajania lustra, NASA mówi: „126 niezwykle precyzyjnych siłowników z tyłu pozycji lustra i zginaj lub wyginaj każde lustro do określonej formuły, proces ten zajmie miesiące” – powiedziała NASA. NIRCam może wykrywać zniekształcenia padającego światła z dużą dokładnością, mówi Nordt, a te dane pozwolą zespołowi manipulować poszczególnymi segmentami lustra, aby „precyzyjnie przesuwać, obracać i modyfikować ich krzywiznę”. Pod koniec tego wyrównania 18 poszczególnych segmentów będzie pełnić rolę zwierciadła głównego. „Jak możesz sobie wyobrazić, te pomiary NIRCam muszą być dokładne, aby wszystko działało”, wyjaśnia Nordt.
Te pierwsze testy optyczne i ustawienie teleskopu odbędą się za około dwa do czterech miesięcy. W maju i czerwcu nastąpi ostateczna kalibracja i zakończenie procesu uruchamiania. Webb przeprowadzi reprezentatywne obserwacje celów, aby pomóc w kalibracji, a pierwsze demonstracje przetestują zdolność obserwatorium do śledzenia obiektów, takich jak asteroidy, komety i księżyce. Zespół przygotuje następnie wstępny raport, Early Release Observations, aby zademonstrować możliwości teleskopu. Dopiero wtedy rozpoczął się oficjalny etap działalności naukowej.
Webb powinien działać przez co najmniej 5 lat, ale będzie aktywny przez co najmniej 10, a być może 12. W ciągu tych lat teleskop będzie musiał wykonywać małe uderzenia silnika, aby utrzymać go na L2. te zmiany zostaną ostatecznie zakończone, po czym teleskop będzie unosił się na wodzie, pomyślnie kończąc naukową fazę misji.
Nie ma realnego sposobu na naprawienie teleskopu, jeśli coś pójdzie nie tak, i jest prawdopodobne, że za 10 lat odkryć naukowych w równowadze będziemy na swoich miejscach w ten świąteczny poranek. Następna dekada będzie pracowita dla Webba i wielu astronomów planuje z niej skorzystać. Jednak aby to wszystko się wydarzyło, wydaje się prawdopodobne, że gwiazdy musiałyby leżeć w idealnej linii prostej.
Poprawka: Wcześniejsza wersja tego artykułu błędnie stwierdzała, że punkt Lagrange’a 2 leży między Ziemią a Słońcem; L2 znajduje się w rzeczywistości poza orbitą Ziemi.