Zdjęcie w tle: NASA/Chris Gunn

Po wielu latach jesteśmy coraz bliżej wyniesienia w przestrzeń kosmiczną długo wyczekiwanego Teleskopu Jamesa Webba (JWST). Ma on pozwolić nam spojrzeć jeszcze dalej, może nawet dostrzec jedne z pierwszych galaktyk, a co za tym idzie – dowiedzieć się jeszcze więcej o początkach Wszechświata. Z tego powodu JWST nazywany jest następcą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Warto jednak zaznaczyć, że choć oczekujemy, że JWST pozwoli nam dokonać równie przełomowych odkryć, to jednak pod względem konstrukcyjnym różni się on od Hubble’a, co wpływa na jego możliwości obserwacyjne.

Poza oczywistą różnicą w wyglądzie, którą opiszemy w dalszej części artykułu, Hubble i JWST różnią się zakresami promieniowania elektromagnetycznego, w których działają. Nasz kosmiczny weteran obserwuje w świetle widzialnym i nadfiolecie, natomiast nowe obserwatorium będzie pracowało w dużo szerszym zakresie obejmującym długości fali o 600 nm do 28 800 nm (0,6–28,8 mikronów), czyli od światła czerwonego w zakresie widzialnym po średnią podczerwień. Wiąże się to też z koniecznością odpowiedniego schłodzenia teleskopu, by obserwacje nie były zakłócane przez promieniowanie termiczne niezbędnego do zdalnej pracy osprzętu elektronicznego oraz przez światło i ciepło emitowane przez Słońce, Ziemię i Księżyc.

Na granicy temperatur – osłona przeciwsłoneczna

Jak wiadomo, promieniowanie termiczne obiektów o temperaturze niższej niż 950 K można zaobserwować właśnie w podczerwieni, o czym możemy się przekonać, korzystając z kamery termowizyjnej. Im zimniejszy obiekt, tym słabiej promieniuje, więc dla teleskopu optymalną temperaturą pracy jest mniej niż 50 K, czyli -223 °C. Komputery pokładowe i pozostałe układy elektroniczne, by funkcjonować poprawnie, muszą być jednak stale ogrzewane do temperatury pokojowej 25 °C. Z tego powodu na Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba zamontowano ogromną osłonę przeciwsłoneczną, która odgradzać będzie ciepłą część teleskopu od zimnej.

Osłona przeciwsłoneczna teleskopu, o wymiarach 21,197 × 14,162 m, zbudowana jest z pięciu bardzo cienkich warstw kaptonu pokrytego aluminium. Dzięki takiej budowie każda kolejna warstwa jest chłodniejsza od poprzedniej, ponieważ ciepło jest wypromieniowane spomiędzy warstw. Jednocześnie próżnia pomiędzy warstwami pełni rolę bardzo dobrego izolatora. Dodatkowo dwie zewnętrzne warstwy, najbardziej wystawione na promieniowanie słoneczne, są pokryte domieszkowanym krzemem, co ma zwiększyć zdolność odbijania światła. Zewnętrzna warstwa jest również najgrubsza. Jej grubość to aż 0,05 mm! Pozostałe cztery są nieco cieńsze i mają po 0,025 mm.

Rozmieszczenie modułów Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

Bez tego teleskop nie poleci – platforma satelitarna

Platforma satelitarna (ang. spacecraft bus), to nic innego jak zestaw modułów umożliwiających podstawowe funkcjonowanie teleskopu. W jej skład wchodzą:

  • Podsystem elektroenergetyczny – jego głównym zadaniem jest konwersja promieniowania słonecznego padającego na panele słoneczne na energię niezbędną do zasilania zarówno platformy satelitarnej, jak i instrumentów naukowych.

  • Podsystem komunikacyjny – bez niego niemożliwa byłaby dwustronna komunikacja z centrum operacyjnym na Ziemi. Inżynierowie nie mogliby sterować teleskopem, by ustawić go w pozycji odpowiedniej do wykonania zaplanowanych obserwacji, a z kolei sam teleskop nie mógłby przesyłać zebranych danych do obróbki i analizy

  • Podsystem dowodzenia i obsługi danych – ten moduł uważany jest za mózg całego teleskopu. To w jego skład wchodzi komputer podkładowy – Command Telemetry Processor (CTP), którego zadaniem jest „tłumaczenie” komend odebranych przez podsystem komunikacji i przesyłanie ich do odpowiednich modułów, a także nadzorowanie przepływu informacji pomiędzy instrumentami naukowymi, pamięcią i podsystemem komunikacji.

  • Podsystem kontroli położenia – dzięki niemu znana jest orientacja obserwatorium w przestrzeni, możliwe jest zachowanie prawidłowej orbity, jak i skierowanie teleskopu w interesujący nas obszar nieba.

  • Podsystem napędowy – w jego skład wchodzą zbiorniki paliwa oraz silniki wykorzystywane do utrzymania prawidłowego położenia. Gdy potrzebna jest korekcja orbity, używana jest do tego jedna z dwóch par silników SCAT (skrót od ang. Secondary Combustion Augmented Thrusters). Choć do manewrów niezbędne są tylko dwa silniki, ich liczba została zwiększona, by zapewnić redundancję na wypadek awarii jednej z par. SCAT jako paliwo wykorzystuje hydrazynę (substancja palna) oraz tetratlenek diazotu (utleniacz). Drugi rodzaj silników, w które wyposażony jest JWST, służy do kontroli orientacji w przestrzeni i desaturacji kół rekacyjnych – zmian pędu kół, w taki sposób, by nie wpłynęło to na moment pędu całego teleskopu. Jako że silniki te wykorzystują jako paliwo tylko hydrazynę, zostały nazwane MRE-1, od ang. Mono-propellant Rocket Engine.

  • Podsystem kontroli termicznej – zadaniem tego podsystemu jest zapewnienie odpowiedniej temperatury pracy dla platformy satelitarnej.

Kosmiczne obserwatorium

Omówiliśmy już większość modułów niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania teleskopu Jamesa Webba, możemy więc przejść do części najważniejszej z punktu widzenia prowadzących badania naukowe.

Główną częścią obserwatorium, a zarazem tą najbardziej rozpoznawalną, jest OTE – Optical Telescope Element, złożony z 18 segmentów lustrzanych w kształcie sześciokątów. Skąd pomysł na właśnie taką konstrukcję głównego lustra teleskopu Jamesa Webba? Podczas wstępnego projektowania teleskopu oszacowano, że do obserwacji obiektów oddalonych o 13 miliardów lat świetlnych od Ziemi niezbędne jest lustro o średnicy 6,5 m. Gdyby tak duże zwierciadło wykonać w ten sam sposób, co główne lustro Teleskopu Hubble’a (mierzącego zaledwie 2,4 m), byłoby ono zbyt ciężkie, by wynieść je w kosmos. Konieczne było więc opracowanie nowej konstrukcji optyki, która, przy zachowaniu koniecznych parametrów, byłaby jednocześnie wytrzymała i stosunkowo lekka.

Porównanie wielkości zwierciadeł głównych teleskopów Jamesa Webba i Hubble’a.

Padło na kształt sześciokąta. Segmenty takie łatwo dopasować do siebie, a po złożeniu tworzą one lustro o kształcie najbardziej zbliżonym do koła, co pozwala uzyskać dość zwięzłą wiązkę światła. Każdy z segmentów ma 1,32 m szerokości i został wykonany z berylu, lekkiego metalu, dzięki czemu waży ok. 20 kg. Dodatkowo metal ten nie ulega znacznym odkształceniom pod wpływem dużego zakresu temperatur. Segmenty zostały też pokryte cienką warstwą złota, by zwiększyć ich zdolność odbiciową promieniowania podczerwonego.

W celu uzyskania jak najlepszej ostrości obrazu, OTE jest wyposażone w aktuatory pozwalające na dostrojenie krzywizny lustra. Całość zamontowana jest na specjalnym, ważącym niemal 2,5 tony stelażu, który musi wytrzymać temperaturę co najmniej -240 °C z dopuszczalną zmianą położenia zaledwie 32 nm, czyli ok. jednej dziesięciotysięcznej grubości ludzkiego włosa.

Jednak to nie teleskop, a zintegrowany moduł instrumentów naukowych ISIM (ang. Integrated Science Instrument Module), jest najważniejszym ładunkiem na JWST. Składa się on z czterech instrumentów:

  • NIRCam (ang. Near-Infrared Camera) – kamery pracującej w zakresie bliskiej podczerwieni, wykonanej przez Uniwersytet Arizony,

  • NIRSpec (ang. Near-Infrared Spectrograph) – spektrografu, również operującego w bliskiej podczerwieni, dostarczonego przez Europejską Agencję Kosmiczną,

  • MIRI (ang. Mid-Infrared Instrument) – urządzenia działającego w zakresie średniej podczerwieni, wykonanego przy współpracy Europejskiej Agencji Kosmicznej oraz Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL) NASA,

  • FGS/NIRISS (ang. Fine Guidance Sensor/ Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph) – czujnika precyzyjnego prowadzenia z kamerą w bliskiej podczerwieni i bezszczelinowym spektrografem, dostarczonego przez Kanadyjską Agencję Kosmiczną.

Instrumenty te znajdują się w regionie 1 modułu ISIM, czyli tuż za zwierciadłem głównym i wtórnym, dzięki czemu światło wyłapywane przez OTE trafia bezpośrednio do instrumentów naukowych. W regionie 2 ISIM zamontowana została niezbędna elektronika sterująca instrumentami, ogrzewana do odpowiedniej temperatury pracy. W ostatnim regionie znajdują się między innymi submoduł kontroli ISIM i kriogeniczna chłodziarka dla MIRI.

ISIM w szczegółach

NIRCam jest głównym instrumentem naukowym teleskopu Jamesa Webba. To dzięki niemu możliwe będą obserwacje zarówno odległych o miliardy lat świetlnych galaktyk, jak i gwiazd w Drodze Mlecznej czy obiektów z Pasa Kuipera. Instrument składa się z dwóch identycznych kamer pozwalających na rejestrowanie promieniowania elektromagnetycznego o długości fali od 0,6 do 5 mikronów, czyli 600–5000 nm. NIRCam jest wyposażony w wiele filtrów, w tym w dichroiczny, dzięki któremu możliwe jest prowadzenie jednoczesnych obserwacji na kanałach o długiej i krótkiej fali. Za pomocą kanału krótkiej fali rejestrowane jest promieniowanie o długości od 0,6 do 2,3 mikronów, natomiast kanał długiej fali wyłapuje promieniowanie od 2,4 do 5 mikronów z obszaru 2,2 × 2,2 minut łuku.

NIRSpec pracuje w niemal takim samym zakresie promieniowania co NIRCam – od 0,6 do 5,3 mikronów. Dzięki zastosowaniu matrycy mikroprzesłonowej możliwe jest jednoczesne uzyskanie 100 widm różnych obiektów z wybranego obszaru nieba o wielkości 9 kwadratowych minut łuku. W tym mikromechanizmie możliwe jest sterowanie pojedynczą przysłoną – otwieranie i zamykanie jej za pomocą przyłożonego pola magnetycznego. Pozwala to m.in. na zmniejszenie obserwowanego obszaru nieba oraz na ograniczenie docierającego do instrumentu światła, tak by móc uchwycić bardzo słabe obiekty. Analiza widm obiektów, wykonanych za pomocą spektrografu, pozwoli na określenie takich parametrów fizycznych jak: masa, temperatura czy skład chemiczny.

MIRI pozwoli przyjrzeć się kosmosowi w średniej podczerwieni, rejestrując promieniowanie od 4,9 do 28,8 mikronów. Instrument ten składa się z dwóch pomniejszych modułów: kamery szerokopasmowej z dziewięcioma filtrami i spektrografu. Aby całość pracowała poprawnie, MIRI musi zostać schłodzony do temperatury 7 K (-266 °C). Możliwe jest to dzięki specjalnie zaprojektowanej chłodziarce kriogenicznej. Proces chłodzenia jest realizowany w dwóch krokach. Najpierw za pomocą chłodnicy z lampą pulsacyjną osiągana jest temperatura 18 K, a następnie wymiennik ciepła wykorzystujący efekt Joule’a-Thomsona obniża temperaturę do wymaganych 7 K.

Ostatni z instrumentów wchodzący w skład ISMI – FGS/NIRISS – zostanie wykorzystany głównie do obserwacji egzoplanet i w wykonywania spektroskopii ich tranzytów. Pozwala on na obserwacje w nieco węższym paśmie bliskiej podczerwieni niż NIRCam i NIRSpec, bo od 0,8 do 5 mikronów. Dodatkowo FGS zapewni precyzyjne ustawienie instrumentów na cel obserwacyjny.

Na zakończenie

W tym tekście staraliśmy się przybliżyć nieco szczegóły konstrukcji Teleskopu Jamesa Webba. Nie sposób jednak w pojedynczym artykule wyczerpująco opisać jednego z najbardziej zaawansowanych statków kosmicznych, jakie dotychczas powstały. Wytrwali mogą zapoznać się z ogólnodostępną (w większości) dokumentacją użytkownika JWST (tzw. JDox) na stronach STScI pod adresem jwst-docs.stsci.edu.

OTIS tuż po wyjęciu z komory kriogenicznej. Akronim OTIS powstał po połączeniu OTE (Optical Telescope Element) i ISIM (Integrated Science Instrument Module).

Autor

Anna Wizerkaniuk

Absolwentka studiów magisterskich na kierunku Elektronika na Politechnice Wrocławskiej, członek Zarządu Klubu Astronomicznego Almukantarat w latach 2017-2021, zastępca redaktora naczelnego AstroNETu od 2021 r.