Met elke extra centimeter opening, elke extra seconde observatietijd en elk extra atoom atmosferische rommel verwijderd uit het gezichtsveld van de telescoop, kan het heelal beter, dieper en helderder worden gezien.
25 jaar Hubble
Toen de Hubble-telescoop in 1990 begon te werken, luidde hij een nieuw tijdperk in de astronomie in: de ruimte. Er werd niet meer gevochten met de atmosfeer, geen zorgen meer over wolken of elektromagnetische flikkering. Het enige dat nodig was, was de satelliet op het doel plaatsen, het stabiliseren en fotonen verzamelen. Binnen 25 jaar begonnen ruimtetelescopen het hele elektromagnetische spectrum te bestrijken, waardoor ze voor het eerst het heelal konden zien op elke golflengte van het licht.
Maar naarmate onze kennis is toegenomen, neemt ook ons begrip van het onbekende toe. Hoe verder we in het heelal kijken, hoe dieper het verleden we zien: de eindige hoeveelheid tijd sinds de oerknal, gecombineerd met de eindige lichtsnelheid, vormt een grens aan wat we kunnen waarnemen. Bovendien werkt de uitbreiding van de ruimte zelf tegen ons door de golflengte uit te rekkenhet licht van de sterren terwijl het door het heelal naar onze ogen reist. Zelfs de Hubble-ruimtetelescoop, die ons het diepste, meest adembenemende beeld van het universum geeft dat we ooit hebben ontdekt, is in dit opzicht beperkt.
Nadelen van Hubble
Hubble is een geweldige telescoop, maar hij heeft een aantal fundamentele beperkingen:
- Slechts 2,4 m in diameter, wat de resolutie beperkt.
- Ondanks dat het bedekt is met reflecterende materialen, wordt het constant blootgesteld aan direct zonlicht, waardoor het opwarmt. Dit betekent dat het vanwege thermische effecten geen lichtgolflengten van meer dan 1,6 µm kan waarnemen.
- De combinatie van een beperkte opening en de golflengten waarvoor hij gevoelig is, betekent dat de telescoop sterrenstelsels kan zien die niet ouder zijn dan 500 miljoen jaar.
Deze sterrenstelsels zijn mooi, ver weg en bestonden toen het heelal nog maar ongeveer 4% van zijn huidige leeftijd had. Maar het is bekend dat sterren en sterrenstelsels zelfs eerder bestonden.
Om dit te zien, moet de telescoop een hogere gevoeligheid hebben. Dit betekent verhuizen naar langere golflengten en lagere temperaturen dan Hubble. Daarom wordt de James Webb Space Telescope gebouwd.
Vooruitzichten voor de wetenschap
James Webb Space Telescope (JWST) is ontworpen om precies deze beperkingen te overwinnen: met een diameter van 6,5 m verzamelt de telescoop 7 keer meer licht dan de Hubble. Hij opentultra-spectroscopie met hoge resolutie van 600 nm tot 6 µm (4 keer de golflengte die Hubble kan zien), om waarnemingen te doen in het midden-infrarode gebied van het spectrum met een hogere gevoeligheid dan ooit tevoren. JWST gebruikt passieve koeling tot Pluto's oppervlaktetemperatuur en is in staat midden-infraroodinstrumenten actief te koelen tot 7K.
Hij zal toestaan:
- observeer de vroegste sterrenstelsels die ooit zijn gevormd;
- kijk door neutraal gas en onderzoek de eerste sterren en de reïonisatie van het heelal;
- spectroscopische analyse uitvoeren van de allereerste sterren (populatie III) gevormd na de oerknal;
- ontdek verbazingwekkende verrassingen, zoals de ontdekking van de vroegste superzware zwarte gaten en quasars in het universum.
JWST's niveau van wetenschappelijk onderzoek is anders dan alles in het verleden, daarom werd de telescoop gekozen als NASA's vlaggenschipmissie van de jaren 2010.
Wetenschappelijk meesterwerk
Technisch gezien is de nieuwe James Webb-telescoop een waar kunstwerk. Het project heeft een lange weg afgelegd: er zijn budgetoverschrijdingen, vertragingen in de planning en het gevaar dat het project wordt geannuleerd. Na tussenkomst van de nieuwe leiding veranderde alles. Het project werkte plotseling als een uurwerk, fondsen werden toegewezen, fouten, mislukkingen en problemen werden in aanmerking genomen, en het JWST-team begon te passen inalle deadlines, planningen en budgettaire kaders. De lancering van het toestel staat gepland voor oktober 2018 op de Ariane-5-raket. Het team houdt zich niet alleen aan het schema, ze hebben nog negen maanden om rekening te houden met alle onvoorziene omstandigheden om ervoor te zorgen dat alles ingepakt en klaar is voor die datum.
De James Webb-telescoop bestaat uit 4 hoofdonderdelen.
Optisch blok
Omvat alle spiegels, waarvan de achttien primaire gesegmenteerde vergulde spiegels het meest effectief zijn. Ze zullen worden gebruikt om sterrenlicht in de verte te verzamelen en te richten op instrumenten voor analyse. Al deze spiegels zijn nu klaar en foutloos, precies op schema gemaakt. Eenmaal geassembleerd, zullen ze worden opgevouwen tot een compacte structuur om meer dan 1 miljoen km van de aarde naar het L2 Lagrange-punt te worden gelanceerd en vervolgens automatisch te worden ingezet om een honingraatstructuur te vormen die de komende jaren ultralange afstandslicht zal verzamelen. Dit is echt iets moois en het succesvolle resultaat van de gigantische inspanningen van vele specialisten.
In de buurt van infraroodcamera
Webb is uitgerust met vier wetenschappelijke instrumenten die 100% compleet zijn. De hoofdcamera van de telescoop is een bijna-IR-camera, variërend van zichtbaar oranje licht tot diep infrarood. Het zal ongekende beelden opleveren van de vroegste sterren, de jongste sterrenstelsels die nog in vorming zijn, de jonge sterren van de Melkweg en nabije sterrenstelsels, honderden nieuwe objecten in de Kuipergordel. Zij isgeoptimaliseerd voor directe beeldvorming van planeten rond andere sterren. Dit zal de belangrijkste camera zijn die door de meeste waarnemers wordt gebruikt.
Nabij infrarood spectrograaf
Deze tool scheidt niet alleen licht in afzonderlijke golflengten, maar is in staat om dit voor meer dan 100 afzonderlijke objecten tegelijk te doen! Dit instrument zal een universele Webba-spectrograaf zijn die in 3 verschillende spectroscopiemodi kan werken. Het werd gebouwd door de European Space Agency, maar veel componenten, waaronder detectoren en een batterij met meerdere poorten, werden geleverd door het Space Flight Center. Goddard (NASA). Dit apparaat is getest en kan worden geïnstalleerd.
Midden-infrarood instrument
Het apparaat zal worden gebruikt voor breedbandbeeldvorming, dat wil zeggen dat het de meest indrukwekkende beelden van alle Webb-instrumenten zal produceren. Vanuit wetenschappelijk oogpunt zal het zeer nuttig zijn bij het meten van protoplanetaire schijven rond jonge sterren, het meten en in beeld brengen van objecten in de Kuipergordel en stof dat wordt verwarmd door sterlicht met ongekende precisie. Het zal het enige instrument zijn dat cryogeen wordt gekoeld tot 7 K. Vergeleken met de Spitzer-ruimtetelescoop zal dit de resultaten met een factor 100 verbeteren.
Spleetloze Near-IR Spectrograph (NIRISS)
Met het apparaat kunt u het volgende produceren:
- groothoekspectroscopie in de nabij-infraroodgolflengten (1,0 - 2,5 µm);
- grism-spectroscopie van één object inzichtbaar en infrarood bereik (0,6 - 3,0 micron);
- diafragmamaskerende interferometrie bij golflengten van 3,8 - 4,8 µm (waar de eerste sterren en sterrenstelsels worden verwacht);
- brede opname van het hele gezichtsveld.
Dit instrument is gemaakt door de Canadian Space Agency. Na de cryogene tests te hebben doorstaan, is hij ook klaar voor integratie in het instrumentencompartiment van de telescoop.
Zonnescherm
Ruimtetelescopen zijn er nog niet mee uitgerust. Een van de meest intimiderende aspecten van elke lancering is het gebruik van volledig nieuw materiaal. In plaats van het hele ruimtevaartuig actief te koelen met een eenmalig verbruikbare koelvloeistof, gebruikt de James Webb-telescoop een geheel nieuwe technologie, een 5-laags zonnescherm dat zal worden ingezet om de zonnestraling van de telescoop te weerkaatsen. Vijf platen van 25 meter worden verbonden met titanium staven en geïnstalleerd nadat de telescoop is ingezet. De bescherming is getest in 2008 en 2009. De modellen op ware grootte die deelnamen aan de laboratoriumtests deden alles wat ze hier op aarde moesten doen. Dit is een mooie innovatie.
Het is ook een ongelooflijk concept: niet alleen om het licht van de zon te blokkeren en de telescoop in de schaduw te plaatsen, maar om het zo te doen dat alle warmte wordt uitgestraald in de tegenovergestelde richting van de oriëntatie van de telescoop. Elk van de vijf lagen in het vacuüm van de ruimte zal koud worden als het zich van de buitenkant verwijdert, die iets warmer zal zijn dan de temperatuur.het aardoppervlak - ongeveer 350-360 K. De temperatuur van de laatste laag zou moeten dalen tot 37-40 K, wat kouder is dan 's nachts op het oppervlak van Pluto.
Bovendien zijn er belangrijke voorzorgsmaatregelen genomen om te beschermen tegen de barre omgeving van de verre ruimte. Een van de dingen om je zorgen over te maken zijn kleine kiezelsteentjes, zandkorrels, stofdeeltjes en zelfs kleinere die met snelheden van tientallen of zelfs honderdduizenden kilometers per uur door de interplanetaire ruimte vliegen. Deze micrometeorieten zijn in staat om kleine, microscopisch kleine gaatjes te maken in alles wat ze tegenkomen: ruimtevaartuigen, astronautenpakken, telescoopspiegels en meer. Als de spiegels alleen deuken of gaten krijgen, waardoor de hoeveelheid "goed licht" enigszins vermindert, kan het zonnescherm van rand tot rand scheuren, waardoor de hele laag onbruikbaar wordt. Een briljant idee werd gebruikt om dit fenomeen te bestrijden.
Het hele zonnescherm is zo in secties verdeeld dat als er een klein gaatje zit in een, twee of zelfs drie, de laag niet verder scheurt, zoals een barst in de voorruit van een auto. Partitionering houdt de hele structuur intact, wat belangrijk is om degradatie te voorkomen.
Spacecraft: assemblage- en controlesystemen
Dit is het meest voorkomende onderdeel, zoals alle ruimtetelescopen en wetenschappelijke missies hebben. Bij JWST is het uniek, maar ook helemaal klaar. Het enige dat de hoofdaannemer van het project, Northrop Grumman, overbleef, was het schild af te werken, de telescoop in elkaar te zetten en te testen. De machine is klaar voor:lancering over 2 jaar.
10 jaar ontdekking
Als alles goed gaat, staat de mensheid op de drempel van grote wetenschappelijke ontdekkingen. De sluier van neutraal gas die tot dusver het zicht op de vroegste sterren en sterrenstelsels heeft vertroebeld, zal worden geëlimineerd door de infraroodmogelijkheden van de Webb en zijn enorme helderheid. Het wordt de grootste, meest gevoelige telescoop die ooit is gebouwd, met een enorm golflengtebereik van 0,6 tot 28 micron (het menselijk oog ziet 0,4 tot 0,7 micron). Het zal naar verwachting een decennium aan waarnemingen opleveren.
Volgens NASA zal de levensduur van de Webb-missie 5,5 tot 10 jaar bedragen. Het wordt beperkt door de hoeveelheid drijfgas die nodig is om de baan te behouden en de levensduur van de elektronica en apparatuur in de ruwe omgeving van de ruimte. De James Webb Orbital Telescope zal gedurende de gehele periode van 10 jaar brandstof vervoeren, en 6 maanden na de lancering zullen vluchtondersteuningstests worden uitgevoerd, wat 5 jaar wetenschappelijk werk garandeert.
Wat kan er mis gaan?
De belangrijkste beperkende factor is de hoeveelheid brandstof aan boord. Wanneer het eindigt, zal de satelliet wegdrijven van het L2 Lagrange-punt en in een chaotische baan in de onmiddellijke nabijheid van de aarde terechtkomen.
Kom mee, er kunnen andere problemen gebeuren:
- degradatie van spiegels, die de hoeveelheid opgevangen licht zal beïnvloeden en beeldartefacten zal veroorzaken, maar de verdere werking van de telescoop niet zal schaden;
- falen van een deel of het geheel van het zonnescherm, wat zal leiden tot een verhogingruimtevaartuigtemperatuur en verklein het bruikbare golflengtebereik tot het zeer nabije infrarood (2-3 µm);
- Mid-IR instrument koelsysteem defect, waardoor het onbruikbaar wordt maar geen invloed heeft op andere instrumenten (0,6 tot 6 µm).
De moeilijkste test die de James Webb-telescoop te wachten staat, is de lancering en het inbrengen in een bepaalde baan. Deze situaties zijn getest en succesvol afgerond.
Revolutie in de wetenschap
Als de James Webb-telescoop operationeel is, zal er genoeg brandstof zijn om hem van 2018 tot 2028 van stroom te voorzien. Bovendien is er de mogelijkheid om bij te tanken, wat de levensduur van de telescoop met nog eens tien jaar zou kunnen verlengen. Net zoals Hubble al 25 jaar in bedrijf is, zou JWST een generatie revolutionaire wetenschap kunnen bieden. In oktober 2018 zal het draagraket Ariane 5 de toekomst van de astronomie in een baan om de aarde lanceren, die na meer dan 10 jaar hard werken klaar is om vruchten af te werpen. De toekomst van ruimtetelescopen is bijna aangebroken.
