Przejdź do treści

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest już na orbicie naukowej

img

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wszedł na ostateczną orbitę. Teraz nowe wielkie obserwatorium kosmiczne czeka 5 miesięcy testów i kalibracji, zanim rozpocznie się faza naukowa misji.

24 stycznia 2022 r. o godzinie 20.00 jeden z silniczków systemu napędowego znajdującego się na platformie satelitarnej teleskopu wykonał odpalenie. Silniczek działał przez 297 sekund, zmieniając prędkość teleskopu JWST o około 1,5 m/s. Tyle wystarczyło, aby osiągnąć docelową orbitę halo wokół punktu libracyjnego L2 układu Ziemia-Słońce, skąd Teleskop Webba będzie wykonywał obserwacje.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba to największe i najbardziej skomplikowane zbudowane przez człowieka obserwatorium wysłane w przestrzeń kosmiczną. Urządzenie zbudowane wspólnie przez NASA, europejską agencję kosmiczną ESA i kanadyjską CSA zostało wystrzelone na rakiecie Ariane 5 25 grudnia 2021 r. Od tego czasu podróżowało przez miesiąc do swojego docelowego punktu: orbity halo wokół punktu libracyjnego L2.

 


O orbicie L2

l2
Rysunek kontekstowy przedstawiający położenie teleskopu JWST. Brak zachowanej skali. Źródło: NASA.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie znajdował się na orbicie heliocentrycznej, wykonując dodatkowe obroty wokół punktu libracyjnego L2 układu Ziemia-Słońce. Jest to tzw. orbita halo wokół punktu L2. Punkty libracyjne układu Ziemia-Słońce, zwane też punktami Lagrange’a to miejsca w przestrzeni, w których próbne ciało o pomijalnej masie może pozostawać w spoczynku względem Słońca i Ziemi. W dowolnym układzie dwóch dużych ciał występuje 5 takich punktów.

JWST będzie krążył wokół punktu L2 znajdującego się w odległości około 1,5 mln km w linii Słońce-Ziemia. Odległość teleskopu od punktu L2 zmieniać się będzie na tej orbicie od 250 000 do 832 000 km. Okres orbity względem punktu L2 wynosi około 6 miesięcy, a ruch wokół Słońca zajmie tyle co w przypadku Ziemi, czyli 1 rok.

Orbita została zaprojektowana w ten sposób, by JWST pozostawał zawsze poza cieniem Ziemi i Księżyca, a panele słoneczne miały ciągły dostęp do Słońca. Równocześnie utrzymując stałą orientację w łatwy sposób zasłonić można za pomocą osłony przeciwsłonecznej optyczny segment teleskopu.

Z uwagi na to, że L2 jest punktem niestabilnej równowagi, konieczne jest wykonywanie manewrów utrzymywania orbity (station-keeping). Osłona przeciwsłoneczna działa jak żagiel słoneczny. Przez większość czasu zmiany orientacji wywoływane przez oddziaływanie Słońca są równoważone przez koła zamachowe. Czasem jednak potrzebne będzie rozładowanie momentu pędu przez silniki odrzutowe. Silniki będą też wykorzystywane do zmiany orientacji teleskopu w celu zmiany celu obserwacji. Te operacje powodują powolny dryf z orbity. Co 21 dni będą więc wykonywane manewry orbitalne mające na celu powrót do pozycji bazowej.
 



W trakcie lotu do swojej docelowej pozycji teleskop JWST przeszedł kilkutygodniową, skomplikowaną fazę rozkładania. Główne zwierciadło nie zmieściłoby się w owiewce rakietowej, dlatego zostało zbudowane z wielu segmentów, które były częściowo złożone podczas startu. Przez rozłożeniem zwierciadeł: głównego i wtórnego, musiała zostać rozłożona w przestrzeni kosmicznej również ogromna osłona przeciwsłoneczna. Dzięki niej będzie dało się utrzymać wrażliwe instrumenty naukowe teleskopu w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu.


Wejście na orbitę

Oprócz rozkładania teleskop musiał też wykonać manewry korekcji trajektorii. Rakieta Ariane 5 wyniosła teleskop w drogę do punktu L2, ale nie dokładnie na pożądaną orbitę. Rakieta specjalnie przekazała trochę za mało energii, bo gdyby wystąpił błąd i teleskop rozpędzony zostałby za bardzo, nie mógłby wyhamować swoim napędem. Niemożność wyhamowania związana jest z tym, że silniki umieszczone zostały tylko na platformie satelitarnej, a teleskop nie może ustawiać się instrumentami optycznymi w stronę Ziemi, a więc także Słońca. To mogłoby nieodwracalnie uszkodzić czułą aparaturę naukową.

Dlatego planowane były trzy manewry korekcji trajektorii. Pierwszy oznaczany jako MCC-1a został wykonany 12 godzin po starcie na rakiecie. Poprawiał on drobne błędy związane z trajektorią lotu. 2,5 dnia po starcie teleskop wykonał manewr MCC-1b. Po dokładnych pomiarach położenia teleskopu można było policzyć dokładnie ile brakuje urządzeniu do osiągnięcia odpowiedniej energii do wejścia na orbitę wokół L2. Drugie odpalenie zniwelowało ten deficyt, pozostawiając jednak jeszcze niewielki margines do bardzo precyzyjnego trzeciego manewru korekcyjnego z użyciem mniejszego silnika.

Wreszcie 29 dni po starcie przeprowadzono ostatni manewr korekcyjny MCC-2. W ostatnich dniach prowadzących do tego odpalenia zespół naziemny misji dalej przygotowywał teleskop do przyszłej pracy. Przetestowano siłowniki regulujące ustawienie i kształt wszystkich 18 segmentów zwierciadła głównego oraz siłowniki pozostałych luster systemu optycznego. Każde z nich następnie ustawiono do neutralnej pozycji. Kroki te były potrzebne, by przygotować system do późniejszej kalibracji. Aktywowano także antenę wysokiego zysku HGA, za pomocą której ściągane będą wszystkie dane z prowadzonych obserwacji.

Manewr wejścia na orbitę halo wokół L2 chociaż krótki, to był wyjątkowy. Po raz pierwszy uruchomiono w nim mniejszy silnik systemu napędowego, który odpowiadał będzie za wykonywanie manewrów utrzymania orbity i rozładowywania momentu pędu kół zamachowych utrzymujących orientację teleskopu. Zespół misji będzie musiał jeszcze potwierdzić dokładne parametry orbitalne jakie uzyskano.


Co dalej?

Teraz zaczynają się miesiące żmudnej pracy, która ma doprowadzić do uzyskiwania przez teleskop ostrych obrazów Wszechświata. Zanim rozpocznie się faza naukowa misji trwać będzie dalsze wychładzanie “zimnej strony” teleskopu i w końcu kalibracje zwierciadeł, a później także instrumentów naukowych. Na pierwsze upublicznione zdjęcia będziemy musieli poczekać co najmniej do lipca 2022 r.

W osobnym artykule opiszemy bardziej szczegółowo jak wyglądać będą miesiące kalibracji. W skrócie: pierwsze trzy miesiące to będzie ustawianie optyki teleskopu, która jest odpowiedzialna za zebranie światła w jednej płaszczyźnie ogniskowej do analizy przez instrumenty naukowe.

Najważniejszym elementem tego procesu jest ustawienie wszystkich 18 segmentów zwierciadła głównego, tak by tworzyły jedno zwierciadło. Do tego procesu zaangażowany będzie jeden z czterech instrumentów naukowych teleskopu - kamera NIRCam. To dla niej najpierw będzie dokonywana kalibracja. Potem jednak proces ten będzie trzeba powtórzyć dla pozostałych trzech instrumentów.

Po kalibracji optyki przyjdzie czas na 2 miesiące kalibracji instrumentów naukowych. Każdy sposób obserwacji dokonywany przez teleskop będzie musiał być przetestowany i odpowiednio przygotowany. Łącznie lista rzeczy w tym przypadku do zrobienia przekracza 200 elementów.

 

 

Więcej informacji:

 

Na podstawie: NASA/ESA

Opracował: Rafał Grabiański

 

 

Na zdjęciu tytułowym: Grafika przedstawiająca poglądowo położenie orbity teleskopu JWST względem Ziemi. Źródło: Steve Sabia/NASA Goddard.

 

Reklama