Следующее в списке дел: остыть. Разогнуть. Включите все. Посмотрите вокруг
Космический телескоп Джеймса Уэбба наконец прибыл в свой новый дом. После рождественского запуска и месяца развертывания и сборки в космосе новая космическая обсерватория достигла конечного пункта назначения, точки, известной как L2.
Наведение телескопа на L2 - это «невероятное достижение всей команды», - сказал на пресс-конференции 24 января менеджер по вводу в эксплуатацию Уэбба Кит Пэрриш, объявив о прибытии. «Последние 30 дней мы называем «30 дней на грани». Мы очень гордимся тем, что прошли через это». Но работа команды еще не закончена. «Мы как раз накрывали на стол. Мы только что развернули этот прекрасный космический корабль и подготовили его к науке. Так что лучшее еще впереди», - сказал он.
Телескоп еще не может начать заниматься наукой. «Нам уже месяц, а ребенок еще даже не открыл глаза», - сказала Джейн Ригби из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Все, что мы делаем, - это подготовка обсерватории к преобразующей науке.. Вот почему мы здесь».
В списке дел Уэбба еще несколько месяцев, прежде чем телескоп будет готов заглянуть в самый ранний свет во Вселенной или шпионить за инопланетными атмосферами экзопланет (SN: 10/6). /21).
«Это не значит, что что-то не так», - говорит астроном Скотт Фридман из Научного института космического телескопа в Балтиморе, который руководит следующим этапом путешествия Уэбба. «Все может пройти идеально, и все равно пройдет шесть месяцев» с момента запуска, чтобы научные инструменты телескопа были готовы к работе, - говорит он.
Вот чего ожидать дальше.
Жизнь в L2
L2, технически известная как вторая точка Лагранжа Земля-Солнце, представляет собой точку примерно в 1,5 миллионах километров от Земли в направлении Марса, где солнечная и земная гравитация объединяются, чтобы обеспечить притяжение внутрь центростремительной сила, необходимая для удержания меньшего объекта на криволинейной траектории. Это позволяет объектам в точках Лагранжа оставаться на месте без особых усилий. Пары массивных объектов в космосе имеют пять таких точек Лагранжа.
Телескоп, также известный как JWST, не сидит без дела. Он вращается вокруг L2, как L2 вращается вокруг Солнца. Это потому, что L2 не совсем стабилен, говорит Фридман. Это все равно, что пытаться сохранять равновесие прямо на баскетбольном мяче. Если вы подтолкнете объект, находящийся точно в этой точке, его будет легко заставить отклониться. Облет L2 за 180 дней, поскольку L2 вращается вокруг Солнца по «гало-орбите», намного стабильнее - с баскетбольного мяча сложнее упасть, когда он находится в постоянном движении. Но для того, чтобы остаться там, нужно приложить некоторые усилия.
«JWST и другие астрономические спутники, которые, как говорят, находятся в L2, но на самом деле находятся на гало-орбитах, нуждаются в двигателе, чтобы поддерживать свои позиции», - говорит Фридман. «Для JWST мы будем выполнять то, что мы называем маневрами по удержанию станции каждые 21 день. Мы запускаем наши двигатели, чтобы скорректировать наше положение, тем самым поддерживая нашу гало-орбиту».
Количество топлива, необходимое для поддержания дома Уэбба в космосе, определит продолжительность миссии. Как только у телескопа закончится топливо, миссия будет завершена. К счастью, космический корабль совершил почти идеальный запуск и не израсходовал много топлива на пути к L2. В результате, по словам членов команды, он может прослужить более 10 лет, что дольше первоначальной оценки в 5-10 лет.
«Мы очень, очень довольны нашим предполагаемым сроком службы. Это значительно превысит наши 10 лет», - сказал Пэрриш на пресс-конференции 24 января. В течение следующих нескольких месяцев команда установит точную цифру этого срока службы. «Все будут в восторге от этого. Это просто степень того, насколько взволнован», - сказал он.
Webb имеет еще одну особенность, которая помогает ему оставаться стабильным. Гигантский воздушный змей-щит телескопа, защищающий хрупкие инструменты от тепла и света Солнца, Земли и Луны, мог бы получать импульс от потока заряженных частиц, который постоянно течет от Солнца, подобно солнечному парусу. Если это так, это может сбить Уэбба с курса. Чтобы предотвратить это, у телескопа есть створка, которая действует как руль, сказал на пресс-конференции 4 января менеджер по солнцезащитному козырьку Уэбба Джим Флинн из Northrup Grumman..
Охлаждение
Уэбб видит в инфракрасном свете, длина волны которого больше, чем может видеть человеческий глаз. Но люди воспринимают инфракрасное излучение как тепло. «По сути, мы смотрим на Вселенную с помощью теплового зрения», - говорит астрофизик Эрин Смит из Центра космических полетов Годдарда и ученый проекта на Уэббе.
Это означает, что части телескопа, наблюдающие за небом, должны иметь температуру около 40 кельвинов (-233° по Цельсию), что почти соответствует космическому холоду. Таким образом, Уэбб не излучает больше тепла, чем отдаленные источники во Вселенной, за которыми будет наблюдать телескоп, не позволяя ему скрыть их из поля зрения.
Большая часть Уэбба остывает с тех пор, как 4 января развернулся солнцезащитный козырек телескопа. Пятислойный солнцезащитный козырек обсерватории блокирует и отклоняет тепло и свет, позволяя зеркалам телескопа и научным приборам остыть от их температуры при запуске. Ближайший к солнцу слой солнцезащитного экрана прогреется примерно до 85° по Цельсию, а холодная сторона будет около -233° по Цельсию, сказал Пэрриш в веб-трансляции от 4 января.
«Вы можете вскипятить воду спереди от нас, а сзади вас почти до абсолютного нуля», - сказал Пэрриш.
Один из инструментов, MIRI, инструмент среднего инфракрасного диапазона, имеет дополнительную охлаждающую жидкость, позволяющую снизить температуру до 6,7 кельвина (-266 ° по Цельсию), что позволяет ему видеть даже более тусклые и холодные объекты, чем остальные телескопа. Смит говорит, что для MIRI «в космосе недостаточно холодно».
Выравнивание зеркал
Webb закончил развертывание своего золотого зеркала шириной 6,5 метра 8 января, превратив космический корабль в настоящий телескоп. Но это еще не сделано. Это зеркало, которое собирает и фокусирует свет из далекой вселенной, состоит из 18 шестиугольных сегментов. И каждый из этих сегментов должен выстраиваться с точностью около 10 или 20 нанометров, чтобы весь аппарат имитировал одно широкое зеркало.
Webb будет тренировать каждый из своих 18 сегментов зеркала на одной яркой звезде под названием HD 84406 в созвездии Большой Медведицы. Это «прямо возле чаши Большой Медведицы. Вы не можете увидеть его невооруженным глазом, но мне сказали, что вы можете увидеть его в бинокль», - сказал на пресс-конференции 24 января Ли Файнберг, менеджер по элементам оптического телескопа Уэбба в Годдарде.
Начиная с 12 января 126 крошечных двигателей на задней части 18 сегментов начали двигаться и изменять их форму, чтобы убедиться, что они все совпадают. Еще шесть двигателей работали над вторичным зеркалом, которое поддерживается на стреле перед главным зеркалом.
Этот процесс согласования продлится как минимум до апреля. Отчасти это потому, что движения происходят, пока зеркало остывает. Изменяющаяся температура изменяет форму зеркал, поэтому они не могут быть окончательно выровнены до тех пор, пока набор научных инструментов телескопа полностью не охладится.
После первоначального выравнивания свет из далекого космоса сначала отразится от главного зеркала, затем от вторичного зеркала и, наконец, достигнет инструментов, которые будут анализировать космические сигналы. Но выравнивание сегментов зеркала «не прямо сейчас, это непрерывный процесс, просто чтобы убедиться, что они всегда идеально выровнены», - сказал Скарлин Эрнандес, инженер полетных систем из Научного института космического телескопа в Балтиморе. Мероприятие NASA Science Live 24 января. Этот процесс будет продолжаться в течение всего срока службы телескопа.
Калибровка научных инструментов
Пока зеркала выравниваются, включаются научные приборы Уэбба. Технически, именно тогда Уэбб сделает свои первые снимки, говорит астроном Клаус Понтоппидан, также из Научного института космического телескопа. «Но они не будут красивыми», - говорит Понтоппидан. Сначала телескоп проверит фокусировку на одной яркой звезде, объединив 18 отдельных ярких точек в одну путем наклона зеркал.
После нескольких окончательных настроек телескоп «будет работать так, как мы хотим, и будет представлять прекрасные изображения неба на всех инструментах», - говорит Фридман. «Тогда они могут начать делать свою работу».
Эти инструменты включают NIRCam, основную камеру ближнего инфракрасного диапазона, которая будет охватывать диапазон длин волн от 0,6 до 5 микрометров. NIRCam сможет отображать самые ранние звезды и галактики такими, какими они были, когда они сформировались не менее 12 миллиардов лет назад, а также молодые звезды Млечного Пути. Камера также сможет видеть объекты в поясе Койпера на краю Солнечной системы и оснащена коронографом, который может блокировать свет от звезды, чтобы выявить детали более тусклых экзопланет, вращающихся вокруг нее.
Следующим идет NIRSpec, спектрограф ближнего инфракрасного диапазона, который будет охватывать тот же диапазон световых длин волн, что и NIRCam. Но вместо того, чтобы собирать свет и превращать его в изображение, NIRSpec разделит свет на спектр, чтобы выяснить свойства объекта, такие как температура, масса и состав. Спектрограф рассчитан на одновременное наблюдение 100 объектов.
MIRI, прибор среднего инфракрасного диапазона, остается самым холодным для наблюдения на самых длинных волнах, от 5 до 28 микрометров. У MIRI есть и камера, и спектрограф, которые, как и NIRCam и NIRSpec, по-прежнему будут чувствительны к далеким галактикам и новорожденным звездам, но также смогут обнаруживать планеты, кометы и астероиды.
И четвертый инструмент, называемый FGS/NIRISS, состоит из двух частей. FGS - это камера, которая поможет точно навести телескоп. А NIRISS, что означает устройство для формирования изображений в ближнем инфракрасном диапазоне и безщелевой спектрограф, будет специально использоваться для обнаружения и описания экзопланет.
Первые научные цели
После прибытия на L2 потребуется не менее пяти месяцев, чтобы завершить калибровку всех этих научных инструментов, говорит Понтоппидан. Когда все это будет сделано, у научной группы Уэбба есть совершенно секретный план публикации первых полноцветных изображений.
«Эти изображения должны продемонстрировать миру, что обсерватория работает и готова к науке», - говорит Понтоппидан. «Что именно будет в этом пакете, это секрет».
Отчасти секретность связана с тем, что все еще существует некоторая неопределенность в отношении того, что телескоп сможет увидеть, когда придет время. Если установка инструментов займет больше времени, чем ожидалось, Уэбб окажется в другой части своей орбиты, а некоторые участки неба на какое-то время будут вне поля зрения. Команда не хочет обещать что-то конкретное, а затем ошибаться, говорит Понтоппидан.
Но также, «это должно быть сюрпризом», - говорит он. «Мы не хотим портить этот сюрприз».
Первые научные проекты Уэбба, однако, не скрываются. В первые пять месяцев наблюдений Уэбб начнет серию научных проектов раннего выпуска. Они будут использовать каждую функцию каждого инструмента для наблюдения за широким спектром космических целей, включая все, от Юпитера до далеких галактик и от звездообразования до черных дыр и экзопланет.
Все-таки даже ученые жаждут красивых картинок.
«Я просто очень рад возможности увидеть эти первые изображения, просто потому, что они будут впечатляющими», - говорит Смит. «Как бы я ни любил науку, мне также весело охать и ахать».