Dengan setiap sentimeter tambahan apertur, setiap detik tambahan masa pemerhatian, dan setiap atom tambahan kekacauan atmosfera yang dialihkan daripada medan pandangan teleskop, Alam Semesta dapat dilihat dengan lebih baik, lebih dalam dan lebih jelas.
25 tahun Hubble
Apabila teleskop Hubble mula beroperasi pada tahun 1990, ia memulakan era baharu dalam astronomi - angkasa lepas. Tiada lagi pertempuran dengan atmosfera, tiada lagi bimbang tentang awan atau kerlipan elektromagnet. Apa yang diperlukan ialah mengerahkan satelit ke sasaran, menstabilkannya dan mengumpul foton. Dalam tempoh 25 tahun, teleskop angkasa mula meliputi keseluruhan spektrum elektromagnet, membolehkan buat kali pertama melihat alam semesta pada setiap panjang gelombang cahaya.
Tetapi apabila pengetahuan kita telah meningkat, begitu juga pemahaman kita tentang yang tidak diketahui. Semakin jauh kita melihat ke alam semesta, semakin dalam masa lalu yang kita lihat: jumlah masa yang terhad sejak Big Bang, digabungkan dengan kelajuan cahaya yang terhad, memberikan had kepada apa yang boleh kita perhatikan. Selain itu, pengembangan ruang itu sendiri bertindak melawan kita dengan meregangkan panjang gelombangcahaya bintang semasa ia bergerak melalui alam semesta ke mata kita. Malah Teleskop Angkasa Hubble, yang memberikan kita imej alam semesta yang paling dalam dan paling menakjubkan yang pernah kita temui, adalah terhad dalam hal ini.
Keburukan Hubble
Hubble ialah teleskop yang menakjubkan, tetapi ia mempunyai beberapa batasan asas:
- Hanya berdiameter 2.4m, mengehadkan peleraiannya.
- Walaupun ditutup dengan bahan pemantul, ia sentiasa terdedah kepada cahaya matahari langsung, yang memanaskannya. Ini bermakna disebabkan oleh kesan haba, ia tidak dapat memerhatikan panjang gelombang cahaya lebih daripada 1.6 µm.
- Gabungan apertur terhad dan panjang gelombang yang sensitif bermakna teleskop boleh melihat galaksi tidak lebih daripada 500 juta tahun.
Galaksi ini cantik, jauh dan wujud apabila alam semesta hanya kira-kira 4% daripada usianya sekarang. Tetapi diketahui bahawa bintang dan galaksi wujud lebih awal lagi.
Untuk melihat ini, teleskop mesti mempunyai sensitiviti yang lebih tinggi. Ini bermakna bergerak ke panjang gelombang yang lebih panjang dan suhu yang lebih rendah daripada Hubble. Itulah sebabnya Teleskop Angkasa James Webb sedang dibina.
Prospek Sains
James Webb Space Telescope (JWST) direka bentuk untuk mengatasi dengan tepat batasan ini: dengan diameter 6.5 m, teleskop mengumpul 7 kali lebih banyak cahaya daripada Hubble. Dia membukaspektroskopi ultra resolusi tinggi daripada 600 nm hingga 6 µm (4 kali panjang gelombang yang boleh dilihat oleh Hubble), untuk membuat pemerhatian di kawasan inframerah pertengahan spektrum dengan kepekaan yang lebih tinggi berbanding sebelum ini. JWST menggunakan penyejukan pasif kepada suhu permukaan Pluto dan mampu menyejukkan instrumen inframerah pertengahan secara aktif sehingga 7K.
Dia akan membenarkan:
- perhatikan galaksi terawal yang pernah terbentuk;
- lihat melalui gas neutral dan siasat bintang pertama dan pengionan semula alam semesta;
- lakukan analisis spektroskopi bagi bintang pertama (populasi III) yang terbentuk selepas Letupan Besar;
- dapatkan kejutan yang menakjubkan seperti penemuan lubang hitam supermasif terawal dan quasar di alam semesta.
Tahap penyelidikan saintifik JWST tidak seperti mana-mana pada masa lalu, itulah sebabnya teleskop dipilih sebagai misi utama NASA pada tahun 2010-an.
karya saintifik
Dari sudut pandangan teknikal, teleskop James Webb baharu ialah karya seni yang sebenar. Projek ini telah berjalan jauh: terdapat lebihan belanjawan, kelewatan jadual, dan bahaya projek itu dibatalkan. Selepas campur tangan kepimpinan baru, semuanya berubah. Projek itu tiba-tiba berfungsi seperti jam, dana diperuntukkan, kesilapan, kegagalan dan masalah telah diambil kira, dan pasukan JWST mula menyesuaikan diri dengansemua tarikh akhir, jadual dan rangka kerja belanjawan. Pelancaran peranti itu dijadualkan pada Oktober 2018 pada roket Ariane-5. Pasukan bukan sahaja mematuhi jadual, mereka mempunyai baki sembilan bulan lagi untuk mengambil kira semua keadaan luar jangka bagi memastikan semuanya siap dan bersedia untuk tarikh tersebut.
Teleskop James Webb terdiri daripada 4 bahagian utama.
Blok optik
Termasuk semua cermin, yang mana lapan belas cermin bersalut emas bersegmen utama adalah yang paling berkesan. Ia akan digunakan untuk mengumpul cahaya bintang yang jauh dan memfokuskannya pada instrumen untuk analisis. Semua cermin ini kini sedia dan sempurna, dibuat mengikut jadual. Setelah dipasang, ia akan dilipat menjadi struktur padat untuk dilancarkan lebih daripada 1 juta km dari Bumi ke titik L2 Lagrange, dan kemudian secara automatik digunakan untuk membentuk struktur sarang lebah yang akan mengumpul cahaya ultra-jauh untuk tahun-tahun akan datang. Ini adalah satu perkara yang sangat indah dan hasil yang berjaya daripada usaha hebat ramai pakar.
Kamera inframerah berdekatan
Webb dilengkapi dengan empat instrumen saintifik yang 100% lengkap. Kamera utama teleskop ialah kamera IR dekat daripada cahaya jingga yang boleh dilihat kepada inframerah dalam. Ia akan memberikan imej yang belum pernah berlaku sebelum ini bagi bintang terawal, galaksi termuda yang masih dalam proses pembentukan, bintang muda Bima Sakti dan galaksi berdekatan, ratusan objek baharu dalam tali pinggang Kuiper. Diadioptimumkan untuk pengimejan terus planet di sekeliling bintang lain. Ini akan menjadi kamera utama yang digunakan oleh kebanyakan pemerhati.
spektrograf inframerah berdekatan
Alat ini bukan sahaja memisahkan cahaya kepada panjang gelombang yang berasingan, tetapi mampu melakukan ini untuk lebih daripada 100 objek berasingan pada masa yang sama! Instrumen ini akan menjadi spektrograf Webba universal yang mampu beroperasi dalam 3 mod spektroskopi berbeza. Ia dibina oleh Agensi Angkasa Eropah, tetapi banyak komponen, termasuk pengesan dan bateri berbilang pintu, disediakan oleh Pusat Penerbangan Angkasa. Goddard (NASA). Perkakas ini telah diuji dan sedia untuk dipasang.
Alat Inframerah Pertengahan
Peranti akan digunakan untuk pengimejan jalur lebar, iaitu, ia akan menghasilkan imej yang paling mengagumkan daripada semua instrumen Webb. Dari sudut pandangan saintifik, ia akan sangat berguna dalam mengukur cakera protoplanet di sekeliling bintang muda, mengukur dan pengimejan objek tali pinggang Kuiper dan habuk yang dipanaskan oleh cahaya bintang dengan ketepatan yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Ia akan menjadi satu-satunya instrumen yang disejukkan secara kriogenik kepada 7 K. Berbanding dengan teleskop angkasa Spitzer, ini akan meningkatkan hasil dengan faktor 100.
Spektrograf IR Dekat Tanpa Celah (NIRISS)
Peranti akan membolehkan anda menghasilkan:
- spektroskopi sudut lebar dalam panjang gelombang inframerah dekat (1.0 - 2.5 µm);
- spektroskopi grism satu objek dalamjulat kelihatan dan inframerah (0.6 - 3.0 mikron);
- interferometri penutup apertur pada panjang gelombang 3.8 - 4.8 µm (di mana bintang dan galaksi pertama dijangka);
- penangkapan jarak lebar bagi seluruh medan pandangan.
Alat ini dicipta oleh Agensi Angkasa Kanada. Selepas melalui ujian kriogenik, ia juga akan sedia untuk disepadukan ke dalam petak instrumen teleskop.
Pelindung matahari
Teleskop angkasa lepas belum lagi dilengkapi dengannya. Salah satu aspek yang paling menakutkan dalam setiap pelancaran ialah penggunaan bahan baharu sepenuhnya. Daripada menyejukkan keseluruhan kapal angkasa secara aktif dengan penyejuk boleh guna sekali, Teleskop James Webb menggunakan teknologi baharu sepenuhnya, pelindung matahari 5 lapisan yang akan digunakan untuk memantulkan sinaran suria daripada teleskop. Lima helaian 25 meter akan disambungkan dengan rod titanium dan dipasang selepas teleskop digunakan. Perlindungan telah diuji pada tahun 2008 dan 2009. Model berskala penuh yang mengambil bahagian dalam ujian makmal melakukan semua yang mereka sepatutnya lakukan di Bumi. Ini adalah satu inovasi yang cantik.
Ia juga merupakan konsep yang luar biasa: bukan sahaja untuk menyekat cahaya dari Matahari dan meletakkan teleskop dalam bayang-bayang, tetapi untuk melakukannya dengan cara yang semua haba dipancarkan dalam arah yang bertentangan dengan orientasi teleskop. Setiap satu daripada lima lapisan dalam vakum ruang akan menjadi sejuk apabila ia bergerak dari luar, yang akan menjadi lebih panas sedikit daripada suhu.permukaan Bumi - kira-kira 350-360 K. Suhu lapisan terakhir harus turun kepada 37-40 K, iaitu lebih sejuk daripada pada waktu malam di permukaan Pluto.
Selain itu, langkah berjaga-jaga yang penting telah diambil untuk melindungi daripada persekitaran yang keras di angkasa lepas. Salah satu perkara yang perlu dibimbangkan di sini ialah kerikil kecil bersaiz kerikil, butiran pasir, serpihan habuk dan lebih kecil lagi yang terbang melalui ruang antara planet pada kelajuan puluhan atau bahkan ratusan ribu kilometer sejam. Mikrometeorit ini mampu membuat lubang kecil dan mikroskopik dalam semua yang mereka hadapi: kapal angkasa, pakaian angkasawan, cermin teleskop dan banyak lagi. Jika cermin hanya mendapat penyok atau lubang, yang mengurangkan sedikit jumlah "cahaya yang baik" yang tersedia, maka perisai solar boleh koyak dari tepi ke tepi, menjadikan keseluruhan lapisan tidak berguna. Idea bernas telah digunakan untuk memerangi fenomena ini.
Keseluruhan perisai solar telah dibahagikan kepada beberapa bahagian sedemikian rupa sehingga jika terdapat celah kecil pada satu, dua atau tiga daripadanya, lapisan itu tidak akan terkoyak lebih jauh, seperti keretakan pada cermin depan sebuah kereta. Pembahagian akan memastikan keseluruhan struktur utuh, yang penting untuk mengelakkan degradasi.
kapal angkasa: sistem pemasangan dan kawalan
Ini adalah komponen yang paling biasa, seperti yang dimiliki oleh semua teleskop angkasa dan misi sains. Di JWST, ia unik, tetapi juga sedia sepenuhnya. Apa yang tinggal untuk kontraktor am projek, Northrop Grumman, adalah untuk menyiapkan perisai, memasang teleskop, dan mengujinya. Mesin akan bersedia untukdilancarkan dalam masa 2 tahun.
10 tahun penemuan
Jika semuanya berjalan lancar, manusia akan berada di ambang penemuan saintifik yang hebat. Tabir gas neutral yang setakat ini mengaburkan pandangan bintang dan galaksi terawal akan dihapuskan oleh keupayaan inframerah Webb dan kilauannya yang besar. Ia akan menjadi teleskop terbesar dan paling sensitif yang pernah dibina, dengan julat panjang gelombang yang besar antara 0.6 hingga 28 mikron (mata manusia melihat 0.4 hingga 0.7 mikron). Ia dijangka memberikan pemerhatian selama sedekad.
Menurut NASA, hayat misi Webb adalah dari 5.5 hingga 10 tahun. Ia dihadkan oleh jumlah propelan yang diperlukan untuk mengekalkan orbit dan jangka hayat elektronik dan peralatan dalam persekitaran angkasa yang keras. Teleskop Orbital James Webb akan membawa bahan api untuk keseluruhan tempoh 10 tahun, dan 6 bulan selepas pelancaran, ujian sokongan penerbangan akan dijalankan, yang menjamin 5 tahun kerja saintifik.
Apa yang boleh berlaku?
Faktor pengehad utama ialah jumlah bahan api di atas kapal. Apabila ia tamat, satelit akan hanyut dari titik L2 Lagrange, memasuki orbit huru-hara di sekitar Bumi.
Ambil ini, masalah lain boleh berlaku:
- degradasi cermin, yang akan menjejaskan jumlah cahaya yang terkumpul dan mencipta artifak imej, tetapi tidak akan merosakkan operasi selanjutnya teleskop;
- kegagalan sebahagian atau semua skrin suria, yang akan menyebabkan peningkatansuhu kapal angkasa dan sempitkan julat panjang gelombang yang boleh digunakan kepada inframerah yang sangat hampir (2-3 µm);
- Kegagalan sistem penyejukan instrumen IR pertengahan, menjadikannya tidak boleh digunakan tetapi tidak menjejaskan instrumen lain (0.6 hingga 6 µm).
Ujian paling sukar yang menanti teleskop James Webb ialah pelancaran dan penyisipan ke dalam orbit tertentu. Situasi ini telah diuji dan berjaya diselesaikan.
Revolusi dalam sains
Jika Teleskop James Webb beroperasi, bahan api akan mencukupi untuk menggerakkannya dari 2018 hingga 2028. Di samping itu, terdapat potensi untuk mengisi minyak, yang boleh memanjangkan hayat teleskop itu dengan dekad yang lain. Sama seperti Hubble telah beroperasi selama 25 tahun, JWST boleh menyediakan generasi sains revolusioner. Pada Oktober 2018, kenderaan pelancar Ariane 5 akan melancarkan ke orbit masa depan astronomi, yang, selepas lebih 10 tahun bekerja keras, bersedia untuk mula membuahkan hasil. Masa depan teleskop angkasa hampir tiba.
