...ili zašto je to najsloženija i najskuplja kosmička opservatorija u istoriji
Ovo pišem samo par 2 sata pred lansiranje teleskopa JWST, najnaprednije i daleko najskuplje kosmičke letilice posvećene astronomiji u istoriji. O njegovom mučnom porađanju pišem još od 2003, i do sada su svi upoznati s ovim teleskopom, ali možda imaš sumnje u njegove karakteristike ili rad. Pokušajmo da razjasnimo neke od njih.
Ispisivanje povesti.
1 – Da li je Webb naslednik 'Hubblea'?
I da i ne. Da objasnim. Što se tiče dizajna, ne, nije. 'James Webb' je kosmički teleskop koji će promatrati infracrveno područje spektra (od 0,6 do 28,5 mikrona), dok je 'Hubble', mada proučava i blisko infracrveni, ipak fokusiran na vidljivi spektar, kao i na ultraljubičasti. U tom smislu, 'James Webb' je naslednik drugih infracrvenih kosmičkih teleskopa kao što su IRAF, ISO, 'Akari', WISE ili 'Spitzer'. Međutim, 'James Webb' je, kao i 'Hubble', 'generalni' teleskop. To znači, proučavaće praktički sve astronomske objekte koji postoje sa dosad neviđenom rezolucijom u infracrvenom području i uneće revoluciju u sve grane astronomije. U tom smislu biće dostojan naslednik 'Hubblea'.
Poređenje 'Hubblea' i JWST i njihovih primarnih ogledala.
Talasne dužine koje će pokrivati JWST i područja u poređenju sa performansama 'Hubblea' i 'Spitzera'.
A zašto infracrveni spektar? Iz mnogih razloga. Dva glavna cilja 'Jamesa Webba' su proučavanje formiranja prvih zvezda i galaksija kada je Univerzum bio vrlo mlad. Vidljiva svetlost ovih zvijezda trenutno dopire do nas u obliku infracrvenog zračenja zbog širenja kosmosa, pa ako želimo da direktno promatramo prve svetleće objekte koji su stvoreni moramo da koristimo ovu krišku spektra. Osim toga, sledeća dva glavna cilja JWST-a su proučavanje nastanka zvezda i planeta. Infracrveno zračenje nam omogućava da vidimo nastanak zvezda kroz međuzvezdane oblake prašine koji skrivaju ove procese u vidljivom spektru.
2 - Zašto ima tako čudan oblik?
Da bi se mogao da 'gleda' u infracrvenom području, teleskop mora da bude što hladniji, tako da njegov dizajn nužno mora biti vrlo drugačiji od drugih koji promatraju vidljiv spektar. 'James Webb' je prvi veliki infracrveni teleskop lansiran u svemir za promatranje ovog područja spektra bez korišćenja aktivnog hlađenja – prilično veliki tehnološki podvig. Da bi to učinio, 'James Webb' će koristiti sklopivi solarni štit sastavljen od pet slojeva 'kaptona E'[1] koji će održavati optiku teleskopa na svega 40 kelvina iznad apsolutne nule. Infracrveni kosmički teleskopi koji su do sada lansirani koristili su tečni helijum ('WISE' je koristio kriostat, uređaj na čvrstivodonik) za hlađenje čitave letilice do blizu apsolutne nule, ali ova tehnika ima lošu stranu jer se rashladna tečnost – helijum – na kraju istroši i teleskop postaje beskorisan. Upotreba pasivnog sistema hlađenja omogućiće da vek 'James Webba' ne bude ograničen ovim faktorom (ograničen je jedino gorivom za održavanje orbite). Da budemo precizni, instrument MIRI će koristiti helijum za svoje hlađenje na -266ºC, ali taj je sistem zatvorenog tipa i, u principu, ograničen samo trošenjem pokretnih delova a ne rezervama helijuma.
Delovi JWST-a.
Teleskop sa svojih 5 slojeva otvorenog toplotnog štita na probi pre dve godine.
Termoštit tokom testiranja otvaranja. Inače, napravljen je od slojeva poliamida 'kaptona' presvučenog silicijumom i aluminijumom tanjeg od vlasi kose.
3 - Zašto 'James Webb' koristi segmentirano ogledalo?
Oblik primarnog ogledala 'Jamesa Webba', koji podseća na elegantno zlatno pčelinje saće, njegova je glavna karakteristika, ali zašto je tako a ne koristi jedno ogledalo poput teleskopa 'Hubble'? Glavni razlog je vezan za veličinu. 'James Webbovo' ogledalo kada je rašireno ima prečnik od 6,5 metara, što je značajno veće od 'Hubbleovih' 2,4 metra. Kada je projekt zamišljen krajem 90-ih, jednostavno nije bilo dostupne rakete sa vrhom koji bi mogao da primi ogledalo od 6,5 metara, niti se uskoro očekivao. Danas, međutim, već postoje projekti sa širim fairinzima, poput buduće rakete 'New Glenn' kompanije 'Blue Origin' (7 metara) ili onih koje će nositi napredne verzije SLS-a (8,4 metra), ali stižu prekasno. Teretni vrh 'Ariane 5 ECA', rakete koja je danas lansirala 'James Webb', ima u prečniku 5,4 metra (4,57 m korisnog unutrašnjeg prečnika). U svakom slučaju, konstruisanje monolitnog ogledala od 6,5 metara podrazumevalo bi još jedan niz ograničenja i tehnoloških izazova, stoga će predlozi za buduće velike kosmičke teleskope[2] takođe posedovati segmentirana ogledala, bez obzira na to jesu li rakete sposobne da ih lansiraju u jednom komadu.
Primarno ogledalo 'James Webba'.
Teleskop u sklopljenoj konfiguraciji unutrar 'Ariane 5'.
4 - Zašto su ogledala zlatna?
Pa zato što na poršini imaju tanak sloj zlata. 18 šestougaonih segmenata primarnog ogledala – uz sekundarna i tercijarna ogledala – izrađeno je od berilijuma, metala odabranog zbog svoje lakoće, robusnosti i sposobnosti da izdrži vrlo niske temperature kojom je izložena teleskopska optika. Međutim, berilijum ne reflektuje baš dobro u infracrvenom spektru, pa radi poboljšanja reflektujućih svojstva nanešen je sloj zlata debljine svega 120 nanometara. Za pokrivanje svakog šestougaonog segmenta utrošeno je jedva 3 grama zlata. Dobro, dobro, ali zašto zlato? Zašto nije korišćen aluminijum ili neki drugi materijal koji se koristi kod tradicionalnih ogledala? Razlog je taj što aluminijum slabo reflektuje infracrveno zračenje, dok kod zlata refleksija doseže 98% (zapravo, ni u vidljivom spektru aluminijum ne funkcionirše nešto posebno, ali je mnogo jeftiniji i lakši za korišćenje). Naravno, korišćenje zlata čini da je 'James Webb' sposoban da promatra samo talasne dužine veće od 0,6 mikrona, što je brojka koja je diktirala dizajn instrumenata i naučne ciljeve.
Tehnologija stvara umetnost.
Dva segmenta primarnog ogledala, napravljenog od belilijuma, jedno pokriveno zlatom a drugo (još) ne. JWST ima težinu sličnu 'Hubbleu', ali je površina primarnog ogledala (25,4 m2) šest puta je veća.
5 - Zašto će se nalaći u tački L2?
JWST će promatrati nebo iz Lagranžove tačke L2 (ESML-2) sistema Zemlja-Sunce, oko 1,5 miliona kilometara od Zemlje (iako, tehnički, neće biti fiksiran u 'tački', već će opisivati orbitu oko L2 ). Čini se da je to daleko, ali kada se kosmička letilica pošalje van Mesečeve orbite, u energetskom smislu nema velike razlike hoće li biti na pola miliona ili dva miliona km. Glavna prednost L2 je u tome da će tamo JWST biti daleko od infracrvenog zračenja koje emituje Zemlja i Mesec. Kad bi 'James Webb' bio u niskoj orbiti poput 'Hubblea', toplota koju emituje naša planeta, čak i s noćne hemisfere, onemogućila bi teleskop da bude na -233ºC potrebnih da može da proučava nebo u infracrvenom spektru. Zemljina toplota doslovno bi oslepila instrumente teleskopa (to bi bilo nešto poput posmatranja objekat u vidljivom spektru do on emituje svetlost). E sad, da li je potrebno ići tako daleko? U tački L2 gravitaciona sila koju stvara Zemlja uravnotežena je sa silom Sunca, tako da će letilica koja se nalazi u ovoj tački imati relativno stabilan položaj u odnosu na Zemlju. To če omogućiti teleskopu da kontinuirano drži svoju optiku podalje od Sunca dok će druga strana uvek biti usmerena ka Zemlji (ovi uslovi su takođe ispunjeni i u tački L1, ali budući da se nalazi u smeru Sunca, ona je zanimljiva jedino ako želimo da posmatramo kralja zvezda ili Zemlju). U visokoj orbiti, kao što je geostacionarna, sjaj Zemlje u infracrvenom zračenju i dalje bi bio vrlo intenzivan i, uz to, iako se čini kontraintuitivnim, potrebno je više energije (Delta-V) da bi se došlo do nje.
Putovanje teleskopa do tačke L2.
Ali tačka L2 nije lek za sve. 'James Webb' će proizvoditi 300 gigabita podataka dnevno koji se moraju preneti na Zemlju (brodski računar ima memoriju od 471 gigabita). Podaci će se preuzimati pomoću Nasine mreže Deep Space Network (DSN) dva puta dnevno u sesijama od po četiri sata. Zapamtite da što je satelit udaljeniji od Zemlje, komunikacioni sistem mora da bude složeniji i a antene za prijem podataka na Zemlji veće. Tačka L2 je u tom smislu gora od geostacionarne orbite, ali treba izbalansirati prednosti i nedostatke. Još jedan nedostatak je da halo orbita oko tačke L2 nije potpuno stabilna, pa će 'James Webb' morati da koristi gorivo za održavanje korektne orbite a za suzbijanje uticaja radijacionog pritiska Sunčeve svetlosti reakcionetočkove (teleskop nosi 300 kg hipergoličnog pogonskog goriva). Zapravo, potrošnja goriva biće glavno ograničenje životnog veka 'Jamesa Webba', koji se procenjuje na deset ipo godina (primarna naučna misija će trajati pet godina). Naprimer, kako bi se izbeglo korištenje goriva, Spitzerov teleskop je postavljen u heliocentričnu orbitu. Ovo bi bila dobra alternativa za 'Jamesa Webba', ali loša strana je da se ugao u odnosu na Sunce i Zemlju konstantno menja, što, uz veću udaljenost od naše planete, osim što se menja, malo otežava prenošenje ogromne količine podataka koje će JWST generisati i planiranje vaših opservacija unapred.
Putovanje ka tački L2 udaljenoj 1,5 miliona kilometara. Do cilja će biti izvedene makar tri korekcije trajektorije. Sve vreme teleskop će leteti sporije nego što će se okretati oko L2.
6 - Kako će se teleskop usmeravati?
Gledajući njegov čudan oblik, neki ljudi pomisle da će 'James Webb' moći da pokreće primarno ogledalo da bi se usmerio na područje neba koje želi. Ali ne. JWST će ciljati svoje mete poput 'Hubblea' i drugih svemirskih teleskopa, odn. pomicanjem čitave letilice. Uvođenje pokretnih dijelova u tako složen projekat jednostavno bi bilo ravno samoubistvu. Za pomeranje, JWST će, takođe poput 'Hubblea', upotrebljavatireakcione točkove koji će koristiti informacije o orijentaciji teleskopa koje primaju solarni, zvezdani i žiroskopski senzori koje nosi. Šest setova reakcionih točkova montirano je na brodskom 'busu', koji između ostalih elemenata nosi pogonski sistem (10 pari trastera, solarni panel, elektroniku i optiku.
Hipergolični pogonski sistem 'James Webba'. SCAT motori (Secondary Combustion Augmented Thrusters ) će se koristiti za Delta-V manevre potrebne za postizanje točke L2. Monopropelantni hidrazinski DTM motori će se koristiti za periodičnu kontrolu orijentacije teleskopa i oslobađanje ugaonog momenta žiroskopa. Dva para SCAT-a koriste hidrazin i azotni tetroksid. (NASA).
Regije neba koje će JWST moći da posmatra u bilo kojem trenutku. (NASA / ESA)
Naravno, teleskop neće moći da se usmerava ni u jednu tačku na nebu kad god poželimo. Kako bi se garantovala zaštita solarnog štita koji omogućuje niske radne temperature, teleskop će moći da se u datom trenutku usmeri jedino na prstenasti deo neba širine približno 50º i okomito na liniju Sunce-Zemlja (približno 39% neba). Međutim, kako teleskop rotira oko Sunca, moći će da pokrije čitavo nebo. Osim toga, postojaće dva područja koja ćemo moći da kontinuirano promatramo ako želimo, a oba se nalaze u blizini polova ekliptike. S druge strane, ova ograničenja sprečavaju 'Jamesa Webba' da se usmeri ka Suncu – ili Zemlji, naravno – tako da neće moći da promatra Merkur ili Veneru.
Maksimalni dopušteni pokreti JWST-a.
7 - Zašto baš 'Ariane 5'?
Poslednjih godina, čim se negde pomene da će 'James Webb' biti lansiran evropskom raketom 'Ariane 5', uvek se neko pitao zašto se ne koristi američki 'Falcon 9' ili 'Falcon Heavy' iz porodice 'SpaceX-a'. Razlog je taj što je 'Ariane 5' od početka deo doprinosa od 15% Evropske kosmičke agencije (ESA) projektu[3]. U ovom slučaju, doprinos je 'prirodan'. Kada je konstrukcija 'James Webba' bio dovršena, 'SpaceX' nije imao pomenute lansere, a ušteda u promeni lansera ionako nije bila značajna u projektu koji je koštao deset i više milijardi dolara (lansiranje 'Ariane 5' koštalo je između 180 i 200 miliona dolara).
JWST i 'Ariane 5'.
Evropski i kanadski doprinosi projektu. U vreme lobiranja za projekat, Nasin Godardov centar je obećavao lansiranje za 2007. uz cenu od \(500 miliona. Do kraja je to skočilo na ~\)10 mld, od čega EU ~\(1 mld, a Kanada ~\)300 miliona. Samo ove godine (Nasin budžet za '21. je bio \(23,3 mld.) JWST je progutao \)414,7 miliona, što je recimo trećina sredstava odvojenih za čitavu astrofiziku ili polovina za budući lunarni lender.
Pošto se moje pisanje produžilo na dva dana, onda je ova slika neć prošlost jer je juče uspešno odletela u orbitu i odnela svoj dragoceni teret. Raketa je imala 770 tona – 'Super Heavy Starship' će biti teška 4400 tona.
8 - Da li će moći da se popravlja?
To je pitanje, što se kaže, od milion dolara. Tačnije, od deset milijardi dolara. Za razliku od 'Hubblea', koji je od početka bio dizajniran tako da mogu da ga poprave i nadograde u niskoj orbiti posade spejs šatlova, 'James Webb' nema tu sposobnost niti ima piključne sisteme čak i kad bi neko došao do njega. Očito, u slučaju da nešto krene kako ne treba tokom 'meseca terora' u kojem moraju biti raspoređeni svi njegovi sistemi – držaćemo palčeve – možda bi mogla da se razmotri neka bespilotna misija koja bi rešila problem, ovisno od prirode istog. Ali važno je da trenutno ne postoji mogućnost da se 'James Webb' popravi ako bude potrebno. Stoga se samo nadamo da će moći da izvede svoju petogodišnju primarnu naučnu misiju, a zatim da produžiti 10,5 godina, predviđenih na osnovu rezervi goriva (koje se domišljatošću mogu još malo produžiti). S druge strane, Thomas Zurbuchen, Nasin pomoćnik direktora otseka za nauku, izjavio je da će pokušati da potakne razvoj robotske misije koja će moći da dopuni rezerve goriva JWST i produži njegov radni vek na neodređeno vrijeme.
Lansiranje JWST. Trenutak kada je raketa već izašla iz atmosfere i kada je mogla da se oslobodi više nepotrebnog vrha rakete. To se dogodilo juče u T=+00:03:25 na visini od 126 km i pri brzini od 2,33 km/s.
Sumiranje projekta.
9 - Može li da se ponovi isti problem kao na 'Hubbleu'?
Kada je lansiran 1990. godine, orbitni teleskop 'Hubble' je propisno obrukao Nasu kada je otkriveno da primarno ogledalo ima sfernu aberaciju koja ga sprečava da postigne dugoočekivanu rezoluciju. 18 šestougaonih ogledala 'James Webba' kalibrisana su ad nauseam kako bi se proverilo da nemaju nikakvih nedostataka, ali, čak i da imaju, primarno ogledalo opremljeno je naprednim aktivnim optičkim sistemom koji će kontinuirano korigovati položaj ogledala kako se talasni front ne bi izobličio[4]. Da bi se to postiglo, koriste se informacije s glavne kamere, NIRCam, koja istovremeno funkcioniše i kao senzor talasnog fronta. Zato, ne, barem s te strane možemo biti sigurni da JWST neće biti novi 'Hubble'.
Optika novog teleskopa. Sva ogledala je napravio i ispolirao angažovani podizvođač 'Ball Aerospace & Technologies' za glavnog izvođača radova 'Northrop Grumman Aerospace Systems'.
10 - Ko će biti njegov naslednik?
Još nije objavljeno da li se već planira naslednik? Pa, iako još ništa nije sigurno, svemirski teleskopi su složeni i skupi projekti koji se dugo razvijaju, pa je bolje planirati sada. Sledeći veliki svemirski teleskop biće 'Nency Grace Roman'[5] (bivši WHIRST), teleskop s primarnim ogledalom promera 2,4 metra, poput 'Hubblea'(sećaš se: optika dolazi sa špijunskog satelita koji je NRO donirao Nasi). No, WFIRST, ako se na kraju ne ukine, nije baš klasični teleskop, već će biti posvećen proučavanju uglavnom tamne energije, tamne materije i egzoplaneta. Nedavno je naučna zajednica u Sjedinjenim Državama preporučila Nasi da naslednik 'Hubblea' i 'James Webba' bude svemirski teleskop sa ogledalom od najmanje 6 metara, poput JWST-a, ali da može da promatra u ultraljubičastom i vidljivom spektru i da, osim toga, može da proučava egzoplanete kao jedan od njegovih prioriteta (ovaj projekat je zapravo spajanje predloga 'LUVOIR-B' i 'HabEx-a').
Predlog teleskopa 'LUVOIR-B', sa 8-metarskim segmentnim ogledalom za osmatranja u ultraljubičastom, vidljivom i blisko infracrvenom. Kažu da će koštati cifra-boli-glava od \(12 milijardi do \)18 milijardi!
Očigledno je i amateru da je 'James Webb' neverovatna mašina o kojoj će se pričati još decenijama i koja će zauvek označavati revoluciju u astronomiji. Više nego dovoljno razloga da budemo uzbuđeni i ne propustimo prvo uključivanje optike. Srećno 'James Webb'!
JWST snimljen juče kamerom sa dodatnog stepena neposredno posle odvajanja nekih 29 min. posle lansiranja.
[1] Ovaj materijal još od 60-ih godina proizvodi hemijska kompanija 'DuPont' (njihovi su i 'kevlar', 'teflon', 'najlon', 'likra' itd.), koja je za vreme II sv. rata proizvodila 90% baruta na svetu i sve vreme ga uredno prodavala svima ko je plaćao – Nemcima, Japancima, svojoj vojsci itd. To nije bilo nikom čudno (to je biznis!) jer je npr. i 'Ford' proizvodio i prodavao (u Nemačkoj!) šasije za vojne kamione. Rat je očigledno imao bezbroj frontova.
[2] O ovome sam prošle godine napisao interesantnu priču.
[3] Od 1996. u projektu učestvuje NASA, ESA (12 zemalja) i kanadska CSA, a sama raketa je dogovorena 2003. Za termine za osmatranje na opservatoriji, ESA je ponudila instrumente MIRI i NIRSpec i Optical Bench Assembly. Od ukupno 258 kompanija koje učestvuju u projektu, 142 je iz SAD, 104 iz Evrope i 12 iz Kanade.
[4] Sistem sadrži čak 126 malih motora koji imaju zadatak da podešavaju optička svojstva kompleksa
[5] Prošlog maja sam napisao na ovom sajtu priču o ovom novom teleskopu. Sećam se da sam malo poludeo, jer je NASA počela toliko da gura žene u sve i svašta da je već postalo dosadno. Prvi sledeći putnik na Mesec biće žena, prva crnkinja sa pilotskom dozvolom dobila je planinu na Plutonu (!), kao i prva žena koja je letela šatlom, žena je pobedila na konkursu i dala ime Marsovom roveru, neki veliki krateri na Veneri su naprasno u poslednjih godinu dana dobili imena po američkim ženskim piscima Emili Dikinson i Džejn Ostin, a prvu priliku čekaju Sapfo, Boatice, Sacajavea itd. Isto je i sa Merkurom... Isticanje toga i stavljanje u naslove textova na netu stvara utisak nekakve politički obojene kampanje i naprasnog oslobođenja i pobede, što je potpuna glupost i neistina. Bar u solarnom sistemu...
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
