Ktoś kiedyś powiedział: twórcy Hubble'a muszą postawić pomnik w każdym większym mieście na Ziemi. Ma wiele zalet. Na przykład za pomocą tego teleskopu astronomowie zrobili zdjęcie bardzo odległej galaktyki UDFj-39546284. W styczniu 2011 roku naukowcy odkryli, że znajduje się dalej niż poprzedni rekordzista – UDFy-38135539 – o około 150 milionów lat świetlnych. Galaktyka UDFj-39546284 jest oddalona od nas o 13,4 miliarda lat świetlnych. To znaczy, Hubble widział gwiazdy, które istniały ponad 13 miliardów lat temu, 380 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Obiekty te prawdopodobnie nie są "żywe" przez długi czas: widzimy tylko światło dawno martwych gwiazd i galaktyk.
Ale pomimo wszystkich swoich zalet, Kosmiczny Teleskop Hubble'a jest technologią minionego tysiąclecia: został wystrzelony w 1990 roku. Oczywiście przez lata technologia poczyniła wielkie postępy. Gdyby teleskop Hubble'a pojawił się w naszych czasach, jego możliwości przewyższyłyby pierwotną wersję w kolosalny sposób. Tak powstał James Webb.
Dlaczego „James Webb” jest przydatny
Nowy teleskop, podobnie jak jego przodek, jest również orbitującym obserwatorium podczerwieni. Oznacza to, że jego głównym zadaniem będzie badanie promieniowania cieplnego. Przypomnijmy, że obiekty nagrzane do określonej temperatury emitują energię w widmie podczerwieni. Długość fali zależy od temperatury ogrzewania: im wyższa, tym krótsza długość fali i intensywniejsze promieniowanie.
Istnieje jednak jedna różnica koncepcyjna między teleskopami. Hubble znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej, to znaczy krąży wokół Ziemi na wysokości około 570 km. James Webb zostanie wyniesiony na orbitę halo w punkcie L2 Lagrange układu Słońce-Ziemia. Będzie krążył wokół Słońca i, w przeciwieństwie do Hubble'a, Ziemia nie będzie mu przeszkadzać. Problem pojawia się natychmiast: im dalej obiekt znajduje się od Ziemi, tym trudniej jest z nim skontaktować, a zatem tym większe ryzyko jego utraty. Dlatego „James Webb” będzie krążył wokół gwiazdy w synchronizacji z naszą planetą. W tym przypadku odległość teleskopu od Ziemi wyniesie 1,5 mln km w kierunku przeciwnym do Słońca. Dla porównania odległość Ziemi od Księżyca wynosi 384.403 km. Oznacza to, że jeśli sprzęt Jamesa Webba ulegnie awarii, najprawdopodobniej nie uda się go naprawić (z wyjątkiem zdalnej, co nakłada poważne ograniczenia techniczne). Dlatego obiecujący teleskop jest nie tylko niezawodny, ale także super niezawodny. Wynika to częściowo z ciągłego przesuwania daty premiery.
James Webb ma jeszcze jedną ważną różnicę. Sprzęt pozwoli mu skoncentrować się na bardzo starych i zimnych przedmiotach, których Hubble nie mógł zobaczyć. W ten sposób dowiemy się, kiedy i gdzie pojawiły się pierwsze gwiazdy, kwazary, galaktyki, gromady i supergromady galaktyk.
Najciekawsze znaleziska, jakie może dokonać nowy teleskop, to egzoplanety. Mówiąc dokładniej, mówimy o określeniu ich gęstości, co pozwoli nam zrozumieć, jaki rodzaj obiektu znajduje się przed nami i czy taka planeta może być potencjalnie zamieszkana. Z pomocą Jamesa Webba naukowcy mają również nadzieję na zebranie danych o masach i średnicach odległych planet, a to otworzy nowe dane o macierzystej galaktyce.
Wyposażenie teleskopu pozwoli na detekcję zimnych egzoplanet o temperaturze powierzchni dochodzącej do 27°C (średnia temperatura na powierzchni naszej planety to 15°C).„James Webb” będzie mógł znaleźć takie obiekty znajdujące się w odległości ponad 12 jednostek astronomicznych (czyli w odległości od Ziemi do Słońca) od swoich gwiazd i oddalone od Ziemi w odległości do 15 światła lat. Poważne plany dotyczą atmosfery planet. Teleskopy Spitzera i Hubble'a były w stanie zebrać informacje o około stu obłokach gazowych. Zdaniem ekspertów nowy teleskop będzie w stanie zbadać co najmniej trzysta atmosfer różnych egzoplanet.
Osobnym punktem wartym podkreślenia jest poszukiwanie hipotetycznych populacji gwiazd typu III, które powinny stanowić pierwszą generację gwiazd, która pojawiła się po Wielkim Wybuchu. Według naukowców są to bardzo ciężkie oprawy o krótkiej żywotności, których oczywiście już nie ma. Obiekty te miały dużą masę ze względu na brak węgla wymaganego do klasycznej reakcji termojądrowej, w której ciężki wodór zamieniany jest na lekki hel, a nadmiar masy zamieniany jest na energię. Oprócz tego nowy teleskop będzie mógł szczegółowo badać wcześniej niezbadane miejsca, w których rodzą się gwiazdy, co jest również bardzo ważne dla astronomii.
- Poszukiwanie i badanie najstarszych galaktyk;
- Szukaj egzoplanet podobnych do Ziemi;
- Wykrywanie populacji gwiazdowych trzeciego typu;
- Eksploracja „gwiezdnych kołysek”
Cechy konstrukcyjne
Urządzenie zostało opracowane przez dwie amerykańskie firmy – Northrop Grumman i Bell Aerospace. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba to arcydzieło inżynierii. Nowy teleskop waży 6, 2 tony - dla porównania Hubble ma masę 11 t. Ale jeśli stary teleskop można porównać wielkością do ciężarówki, to nowy jest porównywalny z kortem tenisowym. Jego długość sięga 20 m, a wysokość jest taka sama jak trzypiętrowego budynku. Największa część Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba to ogromna tarcza słoneczna. To podstawa całej konstrukcji, stworzona z folii polimerowej. Z jednej strony pokryta jest cienką warstwą aluminium, az drugiej metalicznym silikonem.
Osłona przeciwsłoneczna ma kilka warstw. Pustki między nimi wypełnione są próżnią. Jest to konieczne, aby chronić sprzęt przed „udarem cieplnym”. Takie podejście pozwala schłodzić ultraczułe matryce do temperatury –220°C, co jest bardzo ważne przy obserwacji odległych obiektów. Faktem jest, że pomimo doskonałych czujników nie widzieli obiektów ze względu na inne „gorące” szczegóły „Jamesa Webba”.
W centrum konstrukcji znajduje się ogromne lustro. To „nadbudowa” potrzebna do skupienia wiązek światła – lustro prostuje je, tworząc wyraźny obraz. Średnica zwierciadła głównego teleskopu Jamesa Webba wynosi 6,5 m. Składa się z 18 bloków: podczas startu rakiety segmenty te będą miały zwartą formę i otworzą się dopiero po wejściu statku kosmicznego na orbitę. Każdy segment ma sześć narożników, aby jak najlepiej wykorzystać dostępną przestrzeń. A zaokrąglony kształt lustra pozwala na najlepsze skupienie światła na detektorach.
Do produkcji lustra wybrano beryl - stosunkowo twardy metal o jasnoszarym kolorze, który między innymi charakteryzuje się wysokimi kosztami. Wśród zalet tego wyboru jest fakt, że beryl zachowuje swój kształt nawet w bardzo niskich temperaturach, co jest bardzo ważne dla prawidłowego zbierania informacji.
Instrumenty naukowe
Przegląd obiecującego teleskopu byłby niekompletny, gdybyśmy nie skupili się na jego głównych instrumentach:
MIRI. To urządzenie na średnią podczerwień. Zawiera kamerę i spektrograf. MIRI obejmuje kilka macierzy detektorów arsenowo-krzemowych. Dzięki czujnikom tego urządzenia astronomowie mają nadzieję rozważyć przesunięcie ku czerwieni odległych obiektów: gwiazd, galaktyk, a nawet małych komet. Kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni nazywa się spadkiem częstotliwości promieniowania, co tłumaczy się dynamiczną odległością źródeł od siebie w wyniku ekspansji Wszechświata. Co najciekawsze, nie chodzi tylko o naprawienie tego czy innego zdalnego obiektu, ale o pozyskanie dużej ilości danych o jego właściwościach.
NIRCam, czyli kamera bliskiej podczerwieni, to główna jednostka obrazowania teleskopu. NIRCam to zespół czujników rtęciowo-kadmowo-tellurowych. Zakres pracy urządzenia NIRCam to 0,6-5 mikronów. Trudno sobie nawet wyobrazić, jakie tajemnice NIRCam pomoże rozwikłać. Naukowcy chcą ją wykorzystać np. do stworzenia mapy ciemnej materii za pomocą tzw. metody soczewkowania grawitacyjnego, czyli tzw. znajdowanie skrzepów ciemnej materii na podstawie ich pola grawitacyjnego, zauważalnego przez krzywiznę trajektorii pobliskiego promieniowania elektromagnetycznego.
NIRSpec. Bez spektrografu bliskiej podczerwieni niemożliwe byłoby określenie właściwości fizycznych obiektów astronomicznych, takich jak masa czy skład chemiczny. NIRSpec może zapewnić spektroskopię średniej rozdzielczości w zakresie długości fal 1-5 μm oraz spektroskopię niskiej rozdzielczości z długościami fal 0,6-5 μm. Urządzenie składa się z wielu komórek z indywidualnym sterowaniem, co pozwala skupić się na konkretnych obiektach, „odfiltrowując” niepotrzebne promieniowanie.
FGS / NIRISS. Jest to para składająca się z precyzyjnego czujnika celowniczego i urządzenia do obrazowania w bliskiej podczerwieni ze spektrografem bez szczelin. Dzięki czujnikowi precyzyjnego naprowadzania (FGS) teleskop będzie mógł jak najdokładniej ustawić ostrość, a dzięki NIRISS naukowcy zamierzają przeprowadzić pierwsze testy orbitalne teleskopu, które dadzą ogólne pojęcie o jego stanie. Uważa się również, że urządzenie do obrazowania odegra ważną rolę w obserwacji odległych planet.
Formalnie zamierzają eksploatować teleskop przez pięć do dziesięciu lat. Jednak, jak pokazuje praktyka, okres ten można przedłużyć w nieskończoność. A „James Webb” może dostarczyć nam o wiele bardziej użytecznych i po prostu interesujących informacji, niż ktokolwiek mógłby sobie wyobrazić. Co więcej, teraz nie można sobie nawet wyobrazić, jaki „potwór” zastąpi „Jamesa Webba” i ile będzie kosztować jego budowa.
Wiosną 2018 roku cena projektu wzrosła do niewyobrażalnych 9,66 miliarda dolarów, dla porównania roczny budżet NASA wynosi około 20 miliardów dolarów, a Hubble w momencie budowy był wart 2,5 miliarda dolarów. James Webb przeszedł już do historii jako najdroższy teleskop i jeden z najdroższych projektów w historii eksploracji kosmosu. Tylko program księżycowy, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, promy i globalny system pozycjonowania GPS kosztują więcej. Jednak „James Webb” ma wszystko przed sobą: jego cena może wzrosnąć jeszcze bardziej. I choć w jego budowie brali udział eksperci z 17 krajów, lwia część finansowania nadal spoczywa na barkach Stanów Zjednoczonych. Przypuszczalnie tak będzie nadal.
