Ця стаття висвітлює поточну подію. |
Космічний телескоп ім. Джеймса Вебба | |
Загальна інформація | |
---|---|
Організація | НАСА / ЄКА / КАА / ІДКТ[1] |
Виготовлено з участю |
Northrop Grumman Ball Aerospace & Technologies |
Дата запуску | 25 грудня 2021[2] |
Запущено з | Куру |
Засіб запуску | Ariane 5 ECA |
Тривалість місії | 5-10 років |
Маса | 6 т |
Тип орбіти |
гало-орбіта навколо точки Лагранжа L2 системи Сонце—Земля |
Орбітальний період | 6 місяців |
Довжина хвилі | Інфрачервоне, Видимий спектр(частково) |
Діаметр | ~6,5 м |
Фокальна відстань | 131,4 м |
Інструменти | |
Mid-Infrared Instrument (MIRI) | 5 — 27 мкм (до 29мкм) |
Інфрачервоний Спектрограф (ближнього діапазону)(NIRSpec) |
0,6 — 5 мкм до 100 об'єктів рівночасно |
Інфрачервона камера (ближнього діапазону) (NIRCam) | 0,6 — 5 мкм |
Fine Guidance Sensor (FGS) | 1,6 — 4,9 мкм |
Зовнішні посилання | |
Інтернет-сторінка |
jwst.nasa.gov sci.esa.int/jwst asc-csa.gc.ca jwst.stsci.edu |
Космічний телескоп ім. Джеймса Вебба (англ. James Webb Space Telescope, JWST) — американський орбітальний інфрачервоний космічний телескоп. Телескоп дозволить здійснювати широкий спектр досліджень в астрономії і космології, спостерігати деякі найбільш віддалені об'єкти і події у Всесвіті, наприклад утворення перших галактик.
Проєкт здійснюється шляхом міжнародної співпраці 17 країн, на чолі з NASA, зі значним внеском Європейського та Канадського космічних агенств. Керує розробкою Центр космічних польотів імені Ґоддарда, головний підрядник — Northrop Grumman[3]. Початкова назва — «Космічний телескоп нового покоління» (англ. Next-generation space telescope — NGST). У 2002 році названий на честь другого керівника NASA Джеймса Вебба (1902—1992), що керував агенцією в 1961—1968 рр.
На кінець 2021 року витрати на створення телескопа складали понад 10 млрд доларів США[4]. Телескоп успішно запущено о 12:20 UTC 25 грудня 2021 року ракетою-носієм Аріан-5.[5]
На момент запуску, телескоп Вебба є найбільшим, найдорожчим та найчутливішим оптичним та інфрачервоним космічним телескопом в історії людства, та одним з найважливіших проектів в астрономії в третьому десятилітті 21 ст.
Ранні роботи з розробки наступника Габбла між 1989 і 1994 роками привели до концепції телескопа Hi-Z[6], 4-метрового інфрачервоного телескопа, який працював би на орбіті в 3 астрономічні одиниці. Ця далека орбіта була б вигідна через менший світловий шум від зодіакального пилу[7]. Інші ранні плани передбачали місію телескопа-попередника ініціативи NASA NEXUS (Nexus for Exoplanet System Science)[8].
Рік | Планована дата запуску |
Повний бюджет (мільярдів доларів США) |
---|---|---|
1997 | 2007[9] | 0.5[9] |
1998 | 2007[10] | 1[11] |
1999 | 2007 to 2008[12] | 1[11] |
2000 | 2009[13] | 1.8[11] |
2002 | 2010[14] | 2.5[11] |
2003 | 2011[15] | 2.5[11] |
2005 | 2013 | 3[16] |
2006 | 2014 | 4.5[17] |
2008: Preliminary Design Review | ||
2008 | 2014 | 5.1[18] |
2010: Critical Design Review | ||
2010 | 2015 to 2016 | 6.5[19] |
2011 | 2018 | 8.7[20] |
2013 | 2018 | 8.8[21] |
2017 | 2019[22] | 8.8 |
2018 | 2020[23] | ≥8.8 |
2019 | Березень 2021[24] | 9.66 |
2021 | Грудень 2021[25] | 9.70 |
Виправлення невтішних характеристик космічного телескопа Габбл (HST) у перші роки його роботи зіграло значну роль у народженні JWST. У 1993 році NASA підготувало місію Space Shuttle, яка мала замінити камеру HST і модернізувати його спектрограф, щоб компенсувати сферичну аберацію в його основному дзеркалі. Хоча астрономічна спільнота з нетерпінням чекала цієї місії, NASA попереджало, що така унікальна місія є досить ризикована, і що її успішне завершення жодним чином не гарантується. Отже, Асоціація університетів для астрономічних досліджень (англ. Association of Universities for Research in Astronomy, AURA, консорціум, що керує Науковим інститутом космічних телескопів англ. Space Telescope Science Institute, STSI) сформувала комітет із провідних американських астрономів для оцінки ефективності ремонтної місії та вивчення ідей для майбутніх космічних телескопів, які знадобляться, якщо ремонтна місія не буде виконана. Комітет «HST & Beyond», як його згодом назвали, мав щастя побачити беззастережний успіх місії з обслуговування у грудні 1993 року та безпрецедентний суспільний резонанс на приголомшливі зображення, які HST показав після цього. І астрономічна спільнота, і саме NASA відреагували також із ентузіазмом.
Підбадьорений успіхом HST та визнаючи інноваційну роботу в Європі для майбутніх місій[26][27], комітет «HST & Beyond» дослідив концепцію більшого та набагато холоднішого, чутливого до інфрачервоного випромінювання телескопу, який міг би досягти космологічного часу народження перших галактик. Ця високопріоритетна наукова мета була поза межами можливостей HST, оскільки, як теплий телескоп, він засліплений інфрачервоним випромінюванням від власної оптичної системи. На додаток до рекомендацій щодо продовження місії HST до 2005 року та розробки технологій для пошуку планет навколо інших зірок, NASA прийняло головну рекомендацію «HST & Beyond»[28] щодо великого холодного космічного телескопа (охолодженого до сотень градусів нижче 0 °C) і розпочало процес планування майбутнього JWST.
Починаючи з 1960-х років і на початку кожного десятиліття після цього Національні академії організували спільноту астрономів США, щоб творчо мислити про астрономічні інструменти та дослідження на наступне десятиліття, а також досягти консенсусу щодо цілей і пріоритетів. Будучи вірним прихильником «Декадних (десятирічних) оглядів астрономії та астрофізики» (англ. Astronomy and Astrophysics Decadal Survey), опитувань, які ще з 1960-х доносило думку астрономічної спільноти щодо перспектив розвитку астрономії до агенства, NASA також досягло надзвичайного успіху в розробці програм та інструментів для виконання рекомендацій опитування. Таким чином, навіть надаючи підтримку майбутньому телескопу ще з середини 1990-х років, астрономічне співтовариство зробило його високим пріоритетом вже у Декадному огляді 2000 року. Підготовка огляду включала подальший розвиток наукової програми того, що стало відомим як «Космічний телескоп наступного покоління» (англ. Next Generation Space Telescope, NGST)[29], а також досягнення відповідних технологій НАСА. У міру розвитку концепції NGST було посилено важливість місії для вивчення народження галактик у молодому Всесвіті та пошуку планет навколо інших зірок. Як і було очікувано, NGST отримав найвищий рейтинг у Декадному огляді астрономії та астрофізики 2000 року[30], що дозволило продовжити проект із повним схваленням консенсусу спільноти.
Концепція, яка стане JWST, виникла в 1996 році як пропозиція під назвою Космічний телескоп наступного покоління (NGST). У 2002 році, після подальшого розвитку дизайну, його перейменували на честь другого адміністратора NASA (1961—1968) Джеймса Е. Вебба (1906—1992). Вебб очолював агентство під час програми Аполлон і заснував наукові дослідження як основну діяльність NASA[31]. JWST — це проект NASA у міжнародній співпраці Європейського космічного агентства (ESA) та Канадського космічного агентства (CSA).
Розробка телескопа розпочалась у 1996 році з бюджетом 500 млн дол., а запуск спочатку планувався на 2007 рік. Проте проект кілька разів відкладали, а видатки зростали. 2005 року відбувся редизайн проекту. Початкові оцінки вартості межах $500 млн - $1 млрд. були ненадійними і пізніше спонукали робити детальніші розрахунки перед Декадними оглядами.
Для NASA проєкт є однією з «великих стратегічних місій» Відділу астрофізики (англ. Astrophysics Science Division), де «великими» зазвичай називають проєкти вартістю більше $1 млрд[32].
Станом на 2009 NASA почало прохати більше грошей. Незалежне оцінювання (Independent Comprehensive Review Panel, ICRP) у звіті за жовтень 2010 показало, що бюджет, прийнятий у 2008 був недосконалим і не враховував деякі передбачувані видатки. Звіт також стверджував, що збільшення кошту і затримки були спричинені бюджетом і керівництвом, а не інженерними проблемами. Як наслідок, для керування бюджетом проєкту створили нову структуру, окрему від Відділу астрофізики. Нові видатки привернули політичну й громадську увагу, мали вплив на усі астрофізичні проєкти та Директорат наукових місій NASA[en] в цілому. NASA винесло з цього кілька уроків, зокрема усвідомлювати залежність від незавершених розробок, ефективніше оцінювати вимоги і мати бюджетні резерви[32].
У січні 2007 року дев’ять із десяти пунктів розвитку технологій у проекті успішно пройшли перевірку без захисту[33]. Ці технології були визнані достатньо зрілими, щоб зняти значні ризики в проекті. У квітні 2007 року технологічний елемент, що залишився, (криоохолоджувач MIRI) завершив свій етап розвитку технології. Ця технологічна перевірка стала початковим кроком у процесі, який зрештою переніс проект на етап детального проектування (Фаза C). До травня 2007 р. витрати все ще були на плановому рівні[34]. У березні 2008 року проект успішно завершив попередній огляд проекту (англ. Preliminary Design Review, PDR). У квітні 2010 року телескоп пройшов технічну частину критичного огляду проекту (англ. Mission Critical Design Review, MCDR). Проходження MCDR означало, що інтегрована обсерваторія може відповідати всім науковим та інженерним вимогам для своєї місії[35]. Після MCDR було скоректовано розклад запуску місії. Запуск передбачався між 2015 і 2018 роком.
До 2011 року проект JWST перебував на завершальній стадії проектування та виготовлення (фаза C). Як і будь-яка складна конструкція, яку неможливо змінити після запуску, були детальні огляди кожної частини проекту, будівництва та передбачуваної експлуатації. Проект запровадив нові технологічні кордони, він пройшов перевірку дизайну. У 1990-х було невідомо, чи був можливий телескоп такої великої маси[9]. Датою запуску було оголошено 2018 рік[36].
25 листопада 2015 року на телескоп встановили першу частину дзеркала та деяке інше обладнання[37]. У лютому 2016 року головне дзеркало було повністю готове. Його збирання відбувалося в Центрі космічних польотів імені Ґоддарда[38].
Збирання телескопа було завершено в 2016 році, того ж року розпочали тестування[39][40]. У вересні 2017 дату старту перенесли на весну 2019 року[41].
У березні 2018 через пошкодження сонцезахисного екрану телескопа, який розірвався під час тестового розгортання, НАСА відклало запуск на травень 2020 року[42][43].
У липні 2018 за рекомендаціями незалежної комісії запуск було перенесено на 31 березня 2021 року.[44][45][46]
У березні 2020 року роботи з телескопом були призупинені через пандемію коронавірусної хвороби, що вилилось в чергове перенесення запуску. У червні 2020 НАСА оголосила про запуск до кінця 2021 р.[47] Після відновлення робіт над телескопом у липні 2020, дата запуску була призначена на 31 жовтня 2021 року[48][49].
Наприкінці травня 2021 року виникли проблеми з доставкою вже готового телескопа на космодром, його монтажем на ракету та власне з ракетою-носієм Ariane 5 і дату старту знову відклали[50][51].
У вересні 2021 року запуск телескопа було призначено на 18 грудня 2021 року[52][53], а наприкінці листопада запуск перенесли на 22 грудня 2021 року[54][55].
14 грудня телескоп встановили на ракету-носій Аріан-5 і виявили проблеми обміну даними між телескопом та ракетою (частина даних під час передачі втрачалася). НАСА відклала старт щонайменше до 25 грудня[2].
JWST орієнтований на астрономію ближньо-інфрачервону астрономію, але він також може спостерігати оранжеве та червоне видиме світло, а також середню інфрачервону область, залежно від інструменту. Він зроблений з акцентом на дослідженні близького (до видимого світла) і середнього інфрачервоного випромінювання з трьох основних причин:
Наземні телескопи мають спостерігати крізь атмосферу Землі, яка є непрозорою в багатьох інфрачервоних діапазонах (див. малюнок атмосферного поглинання). Атмосфера містить багато хімічних сполук, таких як вода, вуглекислий газ і метан, що значно ускладнює аналіз навіть у тих діапазонах, де вона майже прозора, адже вони поглинають електромагнітне випромінювання у відповідних лініях спектру. Існуючі космічні телескопи, такі як Габбл, не можуть вивчати ці смуги, оскільки їх дзеркала недостатньо охолоджені (дзеркало Габбла підтримується при температурі близько 15 °C (288 K)), тому сам телескоп сильно випромінює в інфрачервоних діапазонах[56].
NASA виділяє чотири основні цілі телескопу Вебба[57]:
У списку головних завдань телескопа — 2100 спостережень за планетами й малими тілами Сонячної системи, екзопланетами й протопланетними дисками, галактиками, квазарами[58].
JWST працюватиме поблизу точка Лагранжа L2 системи Земля-Сонце, на відстані приблизно 1 500 000 км від Землі. Для порівняння, Габбл обертається на висоті 550 км над поверхнею Землі, а Місяць перебуває на відстані близько 380 000 км від Землі. Така відстань робить ремонт або оновлення апаратного забезпечення JWST після запуску практично неможливими, принаймні з тими космічними кораблями, що доступні на етапі проектування та виготовлення телескопа. Об'єкти поблизу цієї точки Лагранжа обертатися навколо Сонця синхронно із Землею, що дозволяє телескопу залишатися на приблизно постійній відстані від нашої планети[59] та мати приблизно однакову орієнтацію сонячного щита і платформи телескопу відносно Сонця та Землі. Така конфігурація дозволить підтримувати температуру телескопу нижче 50 K, що необхідно для спостережень в інфрачервоному діапазоні[60][61].
«Джеймс Вебб» матиме вдвічі меншу масу, ніж Габбл, проте його головне дзеркало — 6,5-метровий вкритий золотом берилієвий рефлектор — матиме збиральну площу в понад шість разів більшу, а саме — 25,4 кв.м. завдяки 18 гексагональним дзеркалам діаметром 0,9 кв.м. кожне.[62]
Для проведення спостережень в інфрачервоному спектрі JWST необхідно підтримувати при температурі нижче 50 К, інакше інфрачервоне випромінювання самого телескопа засліплює його прилади. Тому телескоп використовує великий сонцезахисний екран, щоб блокувати світло і тепло від Сонця, Землі та Місяця, а його розташування поблизу точки Земля-Сонце L2 дозволяє залишати всі три тіла по один бік від космічного корабля в будь-який момент часу[63]. Його гало-орбіта навколо точки L2 уникає тіні Землі та Місяця, підтримуючи постійні умови для сонячного екрана та сонячних батарей[59].
Кожен шар п'ятишарового сонцезахисного екрану має товщину людської волосини[64] і виготовлений з Каптону E, комерційно доступної поліімідної плівки від DuPont, з мембранами, спеціально покритими алюмінієм з обох сторін. Два найгарячіші шари з боку Сонця додатково леговані кремнієм, щоб відбивати сонячне тепло назад у космос[65]. Випадкові мікророзриви полотна щиту під час тестів в 2018 році привели до чергових затримок запуску Джеймса Вебба[66].
Сонцезахисний щит розрахований на дванадцятикратне складання, щоб мати змогу поміститись в обтічник корисного навантаження ракети Ariane 5, який має діаметр 4,57 м і довжину 16,19 м. Після розгортання в точці L2 щит розгорнеться до розмірів 14,162 м × 21,197 м, що можна порівняти з розміром тенісного корту. Сонцезахисний щит був зібраний вручну компанією ManTech (NeXolve) в Гантсвіллі, штат Алабама, перед тим, як він був доставлений в Northrop Grumman в Редондо-Біч, Каліфорнія, для тестування[67].
В цілому, телескоп складається з таких частин: елементи оптичної системи, інтегрований науково-інструментальний модуль, платформа космічного апарату, і сонцезахисний щит.
Головне дзеркало телескопа ім. Джеймса Вебба складається з 18 гексагональних дзеркальних елементів діаметром 1,32 м зроблених із берилію, вкритого тонким шаром золота. У складеному вигляді діаметр дзеркала становить 6,5 м. На відміну від Габбла, який досліджує небо у ближньому ультрафіолетовому, видимому і ближньому інфрачервоному спектрах (0,1—1 мкм), новий телескоп здійснюватиме спостереження в нижчому частотному діапазоні: від довгохвильового видимого світла до середнього інфрачервоного (0,6—28,3 мкм), що дозволить йому спостерігати об'єкти з великим червоним зміщенням, які занадто старі і дуже далекі для спостереження Габблом.[68][69]
Інтегрований науково-інструментальний модуль (англ. Integrated Science Instrument Module, ISIM) складається з таких дослідницьких інструментів:
Камера ближнього інфрачервоного діапазону є основним блоком формування зображення «Вебба» і складається з масиву ртутно-кадмієво-телурових детекторів[70][71]. Робочий діапазон приладу становить від 0,6 до 5 мкм. Його розробив Аризонський університет спільно Центром передових технологій компанії Lockheed Martin.
До завдань приладу входять:
Прилад оснащений коронографом, який дозволяє робити знімки слабких об'єктів поблизу яскравих джерел. За допомогою коронографа астрономи сподіваються визначити характеристики екзопланет, що обертаються навколо найближчих зірок.
Спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону аналізуватиме спектр джерел, що дозволить отримувати інформацію як про фізичні властивості досліджуваних об'єктів (наприклад, температуру та масу), так і про їх хімічний склад. Інструмент здатний робити спектроскопію середньої роздільної здатності в діапазоні довжин хвиль 1—5 мкм і низької роздільної здатності з довжиною хвилі 0,6—5 мкм[72].
Багато об'єктів, які «Вебб» вивчатиме, випромінюють настільки мало світла, що телескопу для аналізу спектра необхідно збирати світло від них протягом сотень годин. Щоб вивчити тисячі галактик за 5 лет роботи телескопа, спектрограф був розроблений з можливістю спостереження за 100 об'єктами на площі неба 3×3 кутових хвилин[72] одночасно. Для цього вчені та інженери Годдарда розробили нову технологію мікрозатворів для управління світлом, що входить в спектрограф.
Суть технології, що дозволяє одержувати 100 одночасних спектрів, полягає в мікроелектромеханічній системі, що називається "масив мікрозатворів" (англ. microshutter array). У комірках мікрозатворів спектрографа NIRSpec є кришки, які відкриваються і закриваються під дією магнітного поля. Кожен осередок розміром 100 на 200 мкм[73] індивідуально керується і може бути відкритим або закритим, надаючи або, навпаки, блокуючи частину неба для спектрографа, відповідно. Всього в пристрої 250 000 мікрозатворів.
Прилад для роботи в середньому діапазоні інфрачервоного випромінювання (5—28 мкм[74]) складається з камери з датчиком, що має роздільну здатність 1024×1024 пікселя[75], та спектрографа.
MIRI складається з трьох масивів арсен-кремнієвих детекторів. Чутливі детектори цього приладу дозволять побачити червоне зміщення далеких галактик, формування нових зірок і слабко видимі комети, а також об'єкти в поясу Койпера. Модуль камери надає можливість зйомки об'єктів у широкому діапазоні частот з великим полем зору, а модуль спектрографа забезпечує спектроскопію середньої роздільної здатності з меншим полем зору, що дозволить отримувати докладні фізичні дані про віддалені об'єкти.
Номінальна робоча температура для MIRI — 7 К. Така температура не може бути досягнута використанням лише пасивної системи охолодження. Замість цього, охолодження проводиться в два етапи: установка попереднього охолодження на основі пульсаційної труби охолоджує прилад до 18 К, потім теплообмінник з адіабатичним дроселюванням за рахунок ефекту Джоуля — Томсона знижує температуру до 7 К.
Прилад був розроблений групою під назвою MIRI Consortium, що складається з вчених та інженерів з країн Європи, команди співробітників Лабораторії реактивного руху у Каліфорнії та вчених з низки інститутів США[76].
Датчик точного наведення (FGS) та пристрій формування зображення в ближньому інфрачервоному діапазоні та безщілинний спектрограф (NIRISS) будуть упаковані разом, але по суті це два різні пристрої[77]. Обидва пристрої були розроблні Канадським космічним агентством.
FGS використовується для стабілізації лінії променя зору телескопу під час наукових спостережень. Вимірювання FGS використовуються для контролю загальної орієнтації космічного апарату, так і для керування тонким рульовим дзеркалом для стабілізації зображення.
Платформа космічного корабля є основним несучим компонентом космічного телескопа Джеймса Вебба, який містить безліч обчислювальних, комунікаційних, рухових та структурних частин, об'єднуючи різні частини телескопа[78]. Двома іншими основними елементами JWST є інтегрований модуль наукових інструментів (англ. Integrated Science Instrument Module, ISIM) та елемент оптичного телескопа (англ. Optical Telescope Element, OTE)[79].
Очікувалося, що за чутливістю телескоп Вебба перевершить свого попередника — телескоп Габбла — в 100 разів[80]. В таблиці наведено порівняння основних технічних параметрів найважливіших оптичних та інфрачервоних космічних телескопів останніх 40 років.
Назва | Рік | Довжина хвилі (μm) |
Апертура (m) |
Охолоджнння |
---|---|---|---|---|
Spacelab Infrared Telescope (IRT) | 1985 | 1.7–118 | 0.15 | Гелій |
Infrared Space Observatory (ISO)[82] | 1995 | 2.5–240 | 0.60 | Гелій |
Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) телескопу Габбла | 1997 | 0.115–1.03 | 2.4 | Пасивне |
Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) телескопу Габбла | 1997 | 0.8–2.4 | 2.4 | Нітроген, згодом кріокамера |
Спітцер | 2003 | 3–180 | 0.85 | Гелій |
Wide Field Camera 3 (WFC3) телескопу Габбла | 2009 | 0.2–1.7 | 2.4 | Пасивне та термо-електричне[83] |
Гершель | 2009 | 55–672 | 3.5 | Гелій |
JWST | 2021 | 0.6–28.5 | 6.5 | Пасивне і кріокамера (MIRI) |
Виведення на орбіту було здійснено ракетою-носієм «Аріан-5» з космодрому Куру. Ракету-носій надала Європейська космічна агенція. Після успішного запуску адміністратор NASA Білл Нельсон назвав це «великим днем для планети Земля»[84]. Телескоп був відділений від верхнього ступеня через 27 хвилин 7 секунд після запуску, розпочавши 30-денну подорож до точки Лагранжа L2. Спеціальна сторінка на сайті NASA дозволяє спостерігати у реальному часі поточний стан телескопу на його шляху до точки призначення: час польоту, відстань від Землі, відстань до точки Лагранжа, швидкість, температуру і фазу розгортання[85].
Час спостереження за JWST буде розподілятися через програму загальних спостерігачів (англ. General Observers, GO), програму спостереження за гарантованим часом (англ. Guaranteed Time Observations, GTO) та наукову програму раннього доступу на розсуд директора (англ. Director's Discretionary Early Release Science, DD-ERS)[86]. Програма GTO забезпечує гарантований час спостереження для вчених, які розробляли апаратні та програмні компоненти для телескопу. Програма GO надає всім астрономам можливість подати заявку на час спостереження і представлятиме основну частину часу спостереження. Програми GO будуть відібрані шляхом peer review відбору Комітетом із розподілу часу (англ. Time Allocation Committee, TAC), подібно до процесу розгляду пропозицій на використання космічного телескопа Габбла. Очікується, що попит на час спостереження на JWST буде значно перевищувати доступний час спостереження.
Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Джеймс Вебб (телескоп) |
|
|
|
|
Представлений вміст статті Вікіпедії було вилучено в 2022-01-05 на основі https://uk.wikipedia.org/?curid=374114