Космический телескоп Джеймса Уэбба

С запуском космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) понимание человечеством Вселенной и ее происхождения расширится в геометрической прогрессии.

Первоначально названный Космическим телескопом следующего поколения (NGST) и переименованный в сентябре 2002 года в честь бывшего администратора НАСА Джеймса Уэбба, JWST представляет собой международное сотрудничество партнеров, включая НАСА, Канадское космическое агентство (CSA), Европейское космическое агентство (ЕКА), производитель аэрокосмической продукции Northrop Grumman и Космический институт космического телескопа, которые будут эксплуатировать телескоп после его запуска.

Инфракрасная технология

Что отличает JWST от космических телескопов, которые были до него, таких как космический телескоп Хаббла, вошедший в историю? Во-первых, «Хаббл», запущенный в 1990 году, — это оптический телескоп; JWST — инфракрасный телескоп. Когда световые волны путешествуют по постоянно расширяющейся Вселенной, они «растягиваются», то есть смещаются в сторону более длинных и красных длин волн. В какой-то момент когда-то видимый свет от самых далеких звезд во Вселенной смещается в сторону инфракрасных длин волн, которые больше не могут быть обнаружены оптическими телескопами, такими как Хаббл. JWST специально разработан для захвата изображений этих инфракрасных световых волн и их анализа с использованием современной спектроскопии.

JWST будет не первым случаем, когда ученые используют инфракрасные технологии для исследования Вселенной. В 1983 году НАСА вывело на орбиту свой новаторский инфракрасный астрономический спутник (IRAS), что сделало его первым в мире космическим инфракрасным телескопом. Совместный проект, разработанный США, Нидерландами и Великобританией, он пролетел на высоте 559 миль над Землей в ходе миссии, которая длилась 10 месяцев и наблюдала за более чем 250 000 инфракрасных источников в длинах волн 12, 25, 60 и 100 микрометров. Успех этой миссии привел к установке инфракрасного телескопа с гелиевым охлаждением на борту космического корабля "Челленджер" в 1985 году (STS-51) и, в конечном итоге, к разработке космического телескопа "Спитцер", который был запущен в 2003 году.

В промежутке между этими вехами Европейское космическое агентство в сотрудничестве с НАСА и Японским институтом космонавтики и астронавтики (ISAS) в ноябре 1995 года запустило космическую инфракрасную обсерваторию (ISO) с трехлетней миссией, предназначенной для наблюдения примерно за 30 000 источников инфракрасного излучения. выполнять визуализацию в диапазоне от 2,5 до 240 микрометров и спектроскопию в диапазоне от 2,5 до 196,8 микрометров и передавать данные обратно на Землю в режиме реального времени. А в 1997 году НАСА предоставило оптическому телескопу Хаббла инфракрасные возможности, оснастив его камерой ближнего инфракрасного диапазона и многообъектным спектрометром (NICMOS) во время миссии обслуживания 2 (STS-82).

NICMOS, комбинированное устройство формирования изображения и спектрометр, разработанное и изготовленное Ball Aerospace &Technologies Corp., включает три ртутно-кадмиевых теллуридных детектора ближнего инфракрасного диапазона, которые были прикреплены к сапфировым подложкам и предназначены для работы в диапазоне длин волн от 0,8 до 2,5 микрометров. NICMOS, который работал с 1997 по 1999 год до того, как закончилась охлаждающая жидкость, а затем снова с 2002 по 2008 год после установки новой криогенной системы охлаждения во время обслуживания 3B (STS-109), в конечном итоге был заменен в 2009 году на Wide Field. Камера 3 (WFC3) во время обслуживания 4 (STS-125). Хотя он и не является строго инфракрасным прибором — он также имеет УФ и оптический каналы, способные записывать изображения в диапазоне длин волн от 200 до 1000 нм, — WFC3 имеет детектор ближнего инфракрасного диапазона, предназначенный для захвата изображений в диапазоне длин волн 800–1700 нм. Несмотря на ограниченные инфракрасные возможности по сравнению с NICMOS (1700 нм против 2500 нм), WFC3 может охлаждаться термоэлектрически, что устраняет необходимость в криогенном охлаждении.

Зеркало

Возможно, самый технологически продвинутый научный инструмент, когда-либо запущенный в космос, JWST не только объединит в себе лучшие аспекты космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер», но и намного превзойдет их, начиная с размера своего главного зеркала. Зеркало Уэбба будет иметь диаметр 6,5 метра по сравнению с зеркалом Хаббла диаметром 2,4 метра и компактным зеркалом Спитцера диаметром 0,8 метра.

Поскольку зеркало такого размера слишком велико, чтобы поместиться внутри любой современной ракеты-носителя, оно будет состоять из 18 отдельных сегментов шестиугольной формы, сделанных из легкого бериллия, которые будут разворачиваться и автоматически приспосабливаться к форме после выхода на орбиту. Каждый сегмент будет покрыт методом вакуумного осаждения из паровой фазы тонким слоем золота толщиной всего 1000 ангстрем (100 нанометров). Для сравнения, учитывая плотность золота при комнатной температуре (19,3 г/см ³ ), что составляет 48,25 г золота (примерно такой же массы, как мяч для гольфа), чтобы покрыть поверхность площадью 25 м ² . . Почему золото? Превосходная отражательная способность. Золото отражает 98 % собранного инфракрасного света, в то время как такой материал, как алюминий, обычно отражает только около 85 % видимого света.

JWST предназначен для орбиты точки L2 на высоте 1,5 миллиона километров над Землей. Чем дальше от атмосферы Земли находится телескоп, тем меньше в нем элементов, негативно влияющих на качество собираемых данных. Он также будет находиться достаточно далеко от защитного магнитного поля Земли, где высокоэнергетические космические лучи могут мешать его сигналам или создавать электрические заряды, которые потенциально могут повредить чувствительные инструменты телескопа. В качестве дополнительной страховки JWST был разработан с использованием специальных экранирующих и проводящих материалов, чтобы предотвратить накопление напряжения и повреждение солнцезащитных козырьков и подсистем корабля. Телескоп будет совершать один полный оборот вокруг L2 каждые 198 дней... на случай, если вы захотите понаблюдать за ним.

Солнечный щит

Солнцезащитный козырек телескопа размером примерно с теннисный корт (21,197 м × 14,162 м) на сегодняшний день является самым большим элементом JWST. Состоящий из пяти слоев Du-Pont™ Kapton® с силиконовым покрытием, каждый слой толщиной менее 1 мм, основное назначение солнцезащитного козырька — отделить холодную сторону телескопа, где размещены приборы, от стороны, обращенной к солнцу. Максимальная температура, которую может выдержать слой 1, составляет 383 К (~ 231 ° F), а слой 5 может выдерживать максимальную температуру 221 К (~ -80 ° F) и минимальную температуру 36 К (~ -394 ° F). Поскольку инфракрасные детекторы предпочитают низкие температуры, а любое тепло, выделяемое бортовыми системами JWST, может загрязнить принимаемые инфракрасные сигналы, предпочтительная рабочая температура телескопа составляет менее 50 K (~ -370 °F).

Учитывая размер солнцезащитного козырька и то, насколько тонкими являются его материалы, одной из инженерных задач, с которыми столкнулись его разработчики, было сделать его достаточно прочным, чтобы выдержать суровые условия космических путешествий. Они добились этого, создав гениальную систему поддерживающих ребер, которая обеспечит необходимую структурную устойчивость, не становясь при этом хрупкой. Система также безотказно выдерживает небольшие разрывы и разрывы, вызванные космическим мусором.

С точки зрения технологии JWST можно разделить на три части:модуль интегрированного научного инструмента (ISIM), элемент оптического телескопа и элемент космического корабля.

Научные инструменты

ISIM содержит четыре основных научных инструмента JWST:камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec), прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI), а также датчик точного наведения / формирователь изображений ближнего инфракрасного диапазона и безщелевой спектрограф. (ФГС/НИРИСС).

Камера ближнего инфракрасного диапазона, созданная Аризонским университетом и компанией Lockheed Martin, будет выполнять две важные функции. Первый заключается в захвате изображений в диапазоне длин волн от 600 до 5000 нм с экспозицией 10 000 секунд (примерно 2,8 часа). Разработанный для работы при температуре 37K (~ -393°F), он будет наблюдать и регистрировать свет, излучаемый некоторыми из первых звезд и галактик, образовавшихся во Вселенной после Большого взрыва. Другая его важная функция — постоянно контролировать работу 18 сегментов главного зеркала, чтобы зрительная труба оставалась в фокусе.

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона, предоставленный Европейским космическим агентством (ЕКА), уникален тем, что может одновременно анализировать до 100 объектов в поле зрения размером 3 угловых минуты × 3 угловых минуты в диапазоне длин волн от 600 до 5000 нм. Он может сделать это благодаря инновационной системе из четырех массивов программируемых щелевых масок, содержащих около 250 000 микрозатворов, каждый размером всего 100 × 200 микрон. NIRSpec имеет четыре режима работы:многообъектная спектроскопия (MOS), режим интегрального полевого блока (IFU), высококонтрастная щелевая спектроскопия (SLIT) и режим визуализации (IMA). Как и камера ближнего инфракрасного диапазона, она будет использоваться для анализа света, полученного от истоков Вселенной.

Mid-Infrared Instrument предназначен для работы как в качестве камеры, так и в качестве спектрографа и улавливает то, что прекращают приборы ближнего инфракрасного диапазона, захватывая и анализируя свет в диапазоне длин волн от 5000 до 28000 нм. Ключом к его производительности в этой области являются кремниевые детекторы, легированные мышьяком, также известные как модули фокальной плоскости (FPM), которые имеют разрешение 1024 × 1024 пикселей. MIRI с криогенным охлаждением до 7K (~ -447°F) также содержит спектрометр низкого разрешения, оснащенный металлическим германием и призмами из сульфида цинка, который может анализировать свет в диапазоне длин волн от 5000 до 12000 нм. Он также оснащен коронографами, что дает ему возможность изучать экзопланеты.

Наконец, датчик точного наведения / формирователь изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и безщелевой спектрограф, созданный Канадским космическим агентством, предназначен для наблюдения за светом в диапазоне длин волн от 800 до 5000 нм и выполняет две функции. Датчик точного наведения обеспечивает чувство направления JWST, наводя его на обозначенные цели. Устройство для формирования изображений в ближней инфракрасной области и безщелевой спектрограф, оснащенное ртутно-кадмиевой матрицей с разрешением 2048 × 2048 пикселей и полем зрения 2,2 фута × 2,2 фута, предназначено для обнаружения и анализа экзопланет.

Элемент оптического телескопа (OTE), как следует из названия, является глазами JWST. По данным НАСА, он состоит из 18 шестиугольных сегментов, составляющих 6,5-метровое главное зеркало; круглое вторичное зеркало диаметром 0,74 метра; третичные и мелкие зеркала заднего вида; узел объединительной платы основного зеркала и опорное крепление основной объединительной платы, в котором также находится приборный модуль; подсистема терморегулирования; задний развертываемый излучатель ISIM (ADIR); и система обнаружения и управления волновым фронтом космического корабля.

Подсистемы

Последней частью головоломки является элемент космического корабля, который состоит из солнцезащитного козырька и автобуса космического корабля. В дополнение к поддержке всей массы телескопа в 6500 кг, автобус космического корабля, изготовленный из графитового композитного материала, содержит шесть основных подсистем JWST, а именно подсистему электропитания, подсистему управления ориентацией, подсистему связи, управление и управление. подсистема обработки данных, двигательная подсистема и подсистема терморегулирования.

Основная функция подсистемы электроснабжения заключается в преобразовании энергии, собранной солнечными панелями, в электроэнергию, необходимую для других подсистем. Подсистема управления ориентацией управляет ориентацией и устойчивостью телескопа на орбите. Подсистема связи будет обрабатывать передачу данных и командных сигналов через сеть связи дальнего космоса НАСА. Подсистема обработки команд и данных содержит главный компьютер JWST и процессор командной телеметрии (CTP), а также его твердотельный регистратор (SSR) для хранения данных. Двигательная подсистема состоит из ракет и топливных баков, необходимых для наведения телескопа и удержания его на правильной орбите. А подсистема терморегулирования предназначена для управления четырьмя развертываемыми узлами затенения радиатора и поддержания критических рабочих температур на борту космического корабля.

Основываясь на необычайном количестве и качестве данных, собранных космическими телескопами Хаббл и Спитцер, чувство предвкушения и волнения по поводу того, что мы можем узнать из JWST, по понятным причинам высоки. Предполагаемая продолжительность его миссии составляет 5–10 лет, и за это время ученые надеются не только узнать больше о происхождении и формировании нашей Вселенной, но и собрать ценную информацию о других загадках, таких как черные дыры, сверхновые звезды, молодые галактики и далекие галактики. планеты, на которых может существовать жизнь.

Независимо от того, что он обнаружит, например, вымышленный звездолет «Энтерпрайз» из популярного телесериала «Звездный путь», JWST даст нам реальную возможность с научной точки зрения отправиться «там, куда еще не ступала нога человека».

Эта статья была написана Брюсом А. Беннеттом, редактором отдела Photonics &Imaging Technology, SAE Media Group (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк).

Источники

• Иванова, Нелли. 2012. Пространство Джеймса Уэбба
• Руководство по телескопам . Балтимор:космос
• Научный институт телескопов (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/