Да се запознаем с новото технологично бижу: космическият телескоп Джеймс Уеб

Космическият телескоп Джеймс Уеб е един гигантски скок в нашия стремеж да разберем Вселената и нашия произход. Учените непрекъснато си задават въпроса как е възникнала тази необятна Вселена? Дали сме сами в космоса? Космическата обсерватория Джеймс Уеб може да даде отговори на редица важни въпроси за сформирането на този свят, за еволюцията на галактиките, за раждането на звездите. Телескопът може да открие следи от живот на далечните планети. Всичко това трябва да стане благодарение на огромното огледало и четирите специализирани уреда на борда на Джеймс Уеб. Нека да се спрем по-подробно върху възможностите на космическия телескоп и на неговото устройство.

Спектрография и инфрачервен диапазон

Инсталираните на телескопа Джеймс Уеб научни уреди изпълняват две основни функции: визуализация - получаване на изображения с научни цели, и спектроскопия - разделяне на светлината на различните дължини на вълната с цел определяне физичните и химични свойства на различните форми на космическата материя.

Апаратурата покрива диапазона на близкото и средното инфрачервено излъчване с дължина на вълната от 600 до 28 800 nm. Оптичната резолюция е 0,1 дъгови секунди.

Телескопът е толкова чувствителен, че може да регистрира топлинната сигнатура на пчела на повърхността на Луната.

Телескопът Хъбъл наблюдаваше и все още наблюдава космоса във видимия диапазон на светлината и частично в ултравиолетовия. Но ако тук на Земята, за нас това е достатъчно, в космоса прекалено много интересни неща са скрити за нашите очи, които могат да виждат само във видимия спектър на светлината. Инфрачервеното излъчване има по-дълга дължина на вълната и може да прониква през плътните молекулярни слоеве. Облаците от прах, характерни за голяма част от космическото пространство, не могат да попречат на Джеймс Уеб да гледа много надалече.

Инфрачервеното излъчване ни дава възможност по-дълбоко и по-подробно да погледнем към произхода на всичко съществуващо. Причината е, че с разширяването на Вселената светлината се разтяга и по този начин се осъществява така нареченото космологично червено отместване. При този процес ултравиолетовата и видимата светлина, излъчвана от звездите, се превръща в инфрачервено излъчване с по-голяма дължина на вълната.

Що се отнася до спектроскопията, то това е един изключително мощен инструмент за изучаване на отдалечените от нас космически обекти. Ние не можем да ги пипнем и помиришем, но можем да разложим идващата от тях светлина на нейните съставни части и по този начин да разберем от какви молекули и химични елементи е съставен даден космически обект. Това е така, защото атомите на всеки химичен елемент излъчват и поглъщат точно определени дължини на вълните. След като тези характерни комбинации от честоти бъдат уловени, става възможно разпознаването на всеки химичен елемент, дори неговото количество да е съвсем малко.

В разработването на научната апаратура на космическия телескоп са участвали специалисти на  NASA и ESA, учени от университета на Аризона и университета на Монреал, редица компании от САЩ, Европа и Канада, включително Lockheed Martin, Airbus Defence and Space, Honeywell. Целият списък включва над 300 компании и организации.

За работата на специализираната апаратура са необходими специални условия

След разтварянето на своя екран за защита от преките слънчеви лъчи телескопът Джеймс Уеб ще започне постепенно да изстива. Месец след изстрелването, космическата обсерватория ще достигне втората точка на Лагранж L2, в която гравитационните полета на Слънцето и Земята се уравновесяват и неутрализират. След това ще е необходима около една седмица, за да може един от уредите да изстине до температура, при която вече може да работи и да се използва за регулиране огледалото на телескопа. Апаратурата работи в инфрачервения диапазон и ако огледалото на телескопа бъде огряно от слънчевите лъчи, това ще доведе до много висок топлинен шум, което задължително трябва да бъде избегнато.

Още три седмици ще изминат докато телескопът изстине до температура около 40 Келвина или -229 градуса по Целзий, при която апаратурата може да работи нормално. Един от намиращите се на борда инструменти изисква още по-ниска температура - 7 Келвина (-226 градуса по Целзий) и за неговото охлаждане са необходими още 100 дни след датата на изстрелването, като неговото допълнително охлаждане става с криогенен охладител.

Когато телескопът Джеймс Уеб изстине достатъчно, приборът NIRCam ще даде възможност да се определи дали инфрачервената светлина преминава правилно през огледалата и сензорите. След това ще започне процесът за настройка на всеки отделен сегмент на главното огледало. Този прибор ще сондира вълновия фронт, ще измерва всички възможни недостатъци в изравняването на различните сегменти на огледалото, което трябва да работи като едно единно цяло. Точността на изравняване на отделните сегменти трябва да бъде в рамките на само един нанометър.

Този етап е предвиден да приключи след около 4 месеца след изстрелването на телескопа.

През останалите два месеца обсерваторията Джеймс Уеб ще бъде насочвана към различни познати космически обекти за тестване и калибриране.

Научната апаратура на космическия телескоп Джеймс Уеб

Основният модул на космическата обсерватория е интегрираният блок със специализирани научни инструменти  (Integrated Science Instrument Module, ISIM). Той е покрит със специална материя, която играе ролята на екран срещу видимото и инфрачервеното излъчване, което идва от Слънцето, Земята и Луната.

Четирите основни инструмента на телескопа получават необходимата инфрачервена светлина, отразена от системата от огледала и с помощта на няколко камери, спектрографи и коронографи ще изстисква максималната информация от всеки поглед в космоса.

Камерата за близкия инфрачервен диапазон (NIRCam) е основната камера на Джеймс Уеб, която работи с дължина на вълната от 600 до 5000 нанометра, при която прахът е прозрачен. Тази камера с много висока резолюция е оборудвана с коронографи. Тези устройства блокират ярката светлина на звездите и дават възможност да се заснемат много слабите и по-тъмни обекти в техните околности. Това е особено полезно за определяне характеристиките на планетите, които обикалят в орбита около най-близките звезди.

Спектрографът за близкия инфрачервен диапазон (NIRSpec) работи с почти същите дължини на вълните като предишния прибор. Това е първият спектрограф в космоса, който може едновременно да наблюдава над сто космически обекта. Той разполага с масив от микроскопични фото затвори с диаметър колкото дебелината на човешки косъм. Всеки един от тези миниатюрни сензори има малко капаче, което може да се отваря и затваря, като този процес може да се контролира индивидуално за всеки пиксел. Наистина уникален и сложен инструмент.

Матрицата има над 250 хиляди отделни миниатюрни прозорчета с малки капачета, всяко от които може индивидуално да се отваря и затваря.

https://youtu.be/rP-J5Sn69Jo

Сензорът за близкия инфрачервен диапазон и сензорът за прецизно насочване  (NIRISS/FGS) е единственият инструмент с апертурна решетка. NIRISS има уникалната способност да получава изображенията на ярките обекти с резолюция, значително превишаваща разделителната способност на другите прибори. NIRISS работи в диапазона от 0,6 до 5 микрона.

Двойният пръстен с филтри на NIRISS

FGS от своя страна е предназначен за осигуряване на стабилност и точно насочване на телескопа в необходимото направление през цялото време на наблюдаване на конкретен обект. Тази система открива и се ориентира според опорните звезди, като по този начин осигурява надеждно фиксиране на телескопа.

Уредът за среден инфрачервен диапазон MIRI може да извършва снимки и спектроскопия в границите на от 5000 до 28000 нанометра. Той е оборудван с камера, коронографи, спектрографи и интегрален полеви модул. Това е комбинация от камера и спектрограф, която се използва за получаване и показване на спектрите в полето на зрение.

Този уред също има пръстен с филтри

https://youtu.be/l_5OrKs7N8I

Астрономите ще използват този прибор за изучаване на червеното отместване на светлината от далечните галактики, от формиращите се звезди, от кометите със слабо светлинно излъчване и от обектите в пояса на Кайпер.

MIRI вижда много по-добре инфрачервеното излъчване в сравнение с другите прибори, като това е и причината той да бъде по-добре охлаждан. Уредите NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRISS работят при температура около 39 Келвина, а MIRI - само при 7 Келвина или -266 градуса по Целзий.

Разпределянето на времето

Цялата научна работа на космическия телескоп се ръководи от институцията Space Telescope Science Institute. Именно тя ще предоставя на учените необходимите инструменти за планиране и извършване на различните научни изследвания. В първия цикъл от наблюдения са включени 280 програми на 41 държави от целия свят. Това са над 6000 часа наблюдения с помощта на космическия телескоп Джеймс Уеб. Но има и по-приоритетни програми.

Приоритетно е времето на учените и организациите, които създадоха този телескоп. Това приоритетно време възлиза на 4000 часа наблюдения през първата година. Другата приоритетна част е с продължителност 460 часа, като тази научна програма има за цел да демонстрира възможностите на космическата обсерватория. Именно с това ще започне използването на космическия телескоп Джеймс Уеб.

Технологичното време на живот на новия телескоп е минимум 10 години. С изтичането на всяка една година организацията ще приема нови идеи за изследване на космическото пространство и Вселената. Планирано е проучването на далечните галактики, квазарите, черните дупки, атмосферите на екзопланетите и още много други.