Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest już dalej od Ziemi niż Księżyc. Po udanym wystrzeleniu przez rakietę, obserwatorium wykonało już dwie korekty trajektorii i przygotowuje się do rozłożenia osłony przeciwsłonecznej, od której zależy powodzenie misji.
Rakieta Ariane 5 wyniosła 25 grudnia 2021 r. na orbitę Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba - największy i najbardziej skomplikowany teleskop kosmiczny zbudowany przez człowieka. Lot rakietowy teleskopu trwał około 27 minut. Górny stopień rakiety wypuścił teleskop na planowanej wysokoeliptycznej orbicie okołoziemskiej, z której teleskop już o własnym napędzie poleci do docelowej orbity halo wokół punktu libracyjnego L2 układu Ziemia-Słońce.
Od razu po wypuszczeniu teleskopu automatycznie, bez ingerencji kontroli na Ziemi zostały wykonane dwie czynności. Teleskop rozłożył pojedynczy, pięciosegmentowy panel słoneczny, z którego czerpał będzie energię elektryczną podczas misji. Uruchomione też zostały koła zamachowe, które odpowiadają za utrzymywanie odpowiedniej orientacji urządzenia. Instrumenty naukowe są zwrócone w kierunku lotu, stale przeciwnie do Słońca, aby nie uszkodzić ich wrażliwej aparatury.
Udane manewry orbitalne
Niecałe 13 godzin po starcie, 26 grudnia o 1.50 w nocy czasu polskiego teleskop Webba wykonał pierwszy manewr korekcji trajektorii - MCC1a (Mid Course Correction 1a). Odpalenie napędu trwało przez 65 minut i poprawiło orbitę statku. Rakieta Ariane 5 celowo nie dostarczyła całej wymaganej prędkości do osiągnięcia docelowej wokółsłonecznej orbity. To z powodu tego, że ewentualna uzyskana nadwyżka prędkości nie mogłaby zostać przez teleskop zredukowana.
Wszystkie silniczki odrzutowe znajdują się po “ciepłej stronie” teleskopu (tej która będzie stale zwrócona do Słońca). Teleskop nigdy nie może się odwrócić i “patrzeć” swoimi instrumentami w Słońce, gdyż uszkodziłoby to jego aparaturę. Nie można też było zainstalować silniczków po drugiej stronie, bo odrzucane paliwo mogłoby się zgromadzić na zwierciadle albo sekcji instrumentowej i zaburzyć odbiór obrazów z teleskopu. Z tych powodów teleskop może tylko przyspieszać w drodze na orbitę i musi to robić delikatnie, by nie przekroczyć nigdy docelowej prędkości.
Pierwszy manewr MCC1a był najdłuższy i miał za zadanie odrobić większość z prędkości celowo niedostarczonej przez rakietę. Zanim ten manewr nastąpił kontrola misji miała już dokładne informacje o parametrach orbitalnych teleskopu, za sprawą radiowych obserwacji przez kilka anten systemu Deep Space Network.
26 grudnia około 16.00 nastąpił kolejny ważny krok w rozkładaniu teleskopu. Rozłożona została kierunkowa antena wysokiego zysku GAA (Gimbaled Antenna Assembly). Dzięki niej możliwe będzie ściąganie dużych ilości danych naukowych z teleskopu. Zespół misji sprawdził też ruchomość anteny. Uruchomione zostały też już czujniki temperatury i tensometry, które będą sprawdzać skuteczność rozkładania struktur na teleskopie.
28 grudnia o 1.20 w nocy (wg czasu polskiego) JWST wykonał drugi z trzech planowanych manewrów korekcji trajektorii (MCC1b). Napęd działał poprawnie przez 9 minut i 27 sekund.
Rozkładanie teleskopu czas zacząć!
Osłona przeciwsłoneczna podczas testów w ośrodku firmy Northrop Grumman. Zdjęcie: NASA.
28 grudnia po 3 dniach od startu rozpocznie się najniebezpieczniejszy moment całego przygotowania teleskopu do pracy - rozwinięcie osłony przeciwsłonecznej, która chronić będzie instrumenty naukowe od światła docierającego ze Słońca i Ziemi.
Po co teleskopowi osłona przeciwsłoneczna?
Teleskop JWST będzie obserwował w podczerwieni, głównie odległe obiekty powstałe kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Aby odbierać tak słabe sygnały sam teleskop musi być utrzymywany w bardzo niskiej temperaturze, poniżej 50 K (prawie -230 st. C). Samo znalezienie się na orbicie wokółsłonecznej z dala od Ziemi do tego nie wystarczy. Dodatkowo trzeba było zastosować specjalną pięciowarstwową osłonę, która chroni go przed dużymi źródłami ciepła oraz samą platformą satelitarną teleskopu, która też nagrzewa się i wskutek tego emituje promieniowanie w podczerwieni.
Osłona ta podróżowała na rakiecie złożona i będzie rozkładana dopiero teraz. Składa się z pięciu odseparowanych od siebie warstw Kaptonu i ma powierzchnię porównywalną z kortem tenisowym (21,2 m x 14,2 m). Ukształtowanie tych warstw jest nieprzypadkowe i zapewnia odprowadzanie ciepła do boków, z dala od samego teleskopu.
Rozkładanie angażuje użycie kilkuset elementów mechanicznych. Pierwszym etapem wykonanym 28 grudnia będzie rozłożenie przedniej i tylnej palety z osłoną (UPS - Utilized Pallet Structure), które znajdowały się podczas lotu zablokowane w pozycji pionowej. Najpierw wypuszczona zostanie przednia paleta.
Następnie, kilka godzin później to samo stanie się z tylną paletą.
Zanim to wszystko nastąpi trzeba będzie oczywiście sprawdzić czy w każdym elemencie odpowiedzialnym za to wstępne rozłożenie panują odpowiednie temperatury. Mechanizmy zaangażowane w rozkładanie palet, czyli silniczki i inne struktury mechaniczne są wyposażone w grzałki, które mają zapewnić optymalne warunki pracy. Sam teleskop musiał być do tej pory manewrowany tak, by przednia paleta była też podgrzewana przez Słońce.
Następnego dnia, 29 grudnia rozłożona zostanie wieżyczka teleskopowa DTA oddzielająca część optyczną teleskopu z instrumentami od platformy satelitarnej z osłoną. Wieżyczka rozłoży się na wysokość około 2 metrów. Takiego dystansu potrzeba między teleskopem a platformą, aby uzyskać pożądaną izolację termiczną oraz zrobić miejsce dla rozkładanych później pięciu warstw osłony przeciwsłonecznej.
Kolejnego dnia lotu, 30 grudnia czekać nas będzie kolejny etap rozkładania. Najpierw wypuszczona zostanie płyta AMF (Aft Momentum Flap), która ma przeciwdziałać niepożądanym rotacjom teleskopu wywoływanym przez ciśnienie słoneczne oddziałujące na osłonę przeciwsłoneczną. Następnie czeka nas otwarcie pokryw osłony przeciwsłonecznej. Pokrywy te chroniły zwiniętą osłonę przed uszkodzeniem podczas przenoszenia teleskopu na Ziemi oraz lotu rakietowego.
W kolejnych dwóch dniach odbędzie się faktyczne rozwijanie osłony przeciwsłonecznej - najpierw jednej, a później drugiej strony. Następnie kolejne warstwy po napięciu zostaną od siebie rozdzielone.
Długa droga do pierwszych zdjęć z teleskopu
Jak widać, w najbliższych dniach czeka nas nerwowe wyczekiwanie na rozkładanie osłony przeciwsłonecznej. A to nie ostatni wielki element teleskopu JWST, który musi zostać rozłożony prawidłowo w drodze na orbitę. W drugim tygodniu lotu rozpocznie się rozkładanie samego teleskopu - skrzydeł zwierciadła głównego oraz struktury wspierającej zwierciadło wtórne.
Około miesiąca po starcie JWST wykona ostatni manewr korekty, wprowadzający go na docelową orbitę. Rozpocznie się wtedy faza przygotowywania optyki teleskopu do pracy. Teleskop będzie musiał stygnąć za osłoną przeciwsłoneczną, aż będzie można uruchomić wrażliwą na ciepło kamerę NIRCam, która pomoże w kalibracji teleskopu.
Po wielu tygodniach wychładzania NIRCam zostanie uruchomiona, by rozpocząć ustawianie poszczególnych segmentów zwierciadła głównego, aby zaczęły działać jak jedno wielkie lustro. Inżynierowie oceniają, że ustawianie segmentów zakończy się około 4 miesiące po starcie.
Potem czekać nas jeszcze będzie jedna, ostatnia faza przygotowania teleskopu do pracy - kalibracja instrumentów naukowych. Przez kolejne tygodnie obserwowane będą wybrane cele kosmiczne. W ten sposób przetestowane zostaną wszystkie metody obserwacji i zapewnione zostanie, by detektory wykonywały wiarygodne i dokładne pomiary. Różne kalibracje trwać będą przez około rok, ale już 6 miesięcy po starcie JWST powinien zacząć wykonywać pierwsze obserwacje naukowe.
O teleskopie JWST
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba to urządzenie budowane od końca lat 90. wspólnym wysiłkiem agencji NASA, ESA oraz CSA. JWST (oficjalny akronim teleskopu) to kolejny z wielkich teleskopów kosmicznych, który w założeniu miał znacznie uzupełnić możliwości obserwacyjne Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Teleskop będzie obserwował Wszechświat w podczerwieni. Dzięki zastosowanym technologiom będzie można z niespotykaną dotąd dokładnością obejrzeć obiekty w Układzie Słonecznym, zbadać skład atmosfer planet pozasłonecznych oraz po raz pierwszy zobaczyć najodleglejsze znajdujące się w granicach obserwowalnego Wszechświata galaktyki i gwiazdy, które powstały zaledwie 400 mln lat po Wielkim Wybuchu!
Sercem teleskopu jest jego część optyczna wraz z instrumentami naukowymi. Sam teleskop jest zbudowany w architekturze trójzwierciadłowego teleskopu Korscha. Największe rozkładane zwierciadło główne jest zbudowane z 18 berylowych segmentów pokrytych bardzo cienką warstwą złota. Całe zwierciadło główne ma po rozłożeniu średnicę 6,5 m i powierzchnię zbierającą światło, przekraczającą ponad 25 metrów kwadratowych. Światło po odbiciu od zwierciadła głównego, a potem wtórnego trafia do zestawu zwierciadeł w instrumentalnej części teleskopu.
Moduł naukowy składa się z czterech instrumentów, które mają za zadanie rejestrować obrazy celów naukowych i dokonywać analizy ich widma (rozbijać światło na różne częstotliwości), dzięki czemu można poznać skład chemiczny i fizyczną charakterystykę badanych obiektów. Moduł naukowy będzie pracował w temperaturze około 40 K, dodatkowo jeden z instrumentów (MIRI) będzie aktywnie chłodzony do temperatury zaledwie kilku Kelvinów.
Na potrzeby tak zaawansowanego technologicznie obserwatorium powstało wiele odkryć, już teraz wykorzystywanych na Ziemi w innych dziedzinach. Żeby zbudować JWST trzeba było pierwszy raz w historii zbudować tak lekkie i wypolerowane z atomową precyzją lustra, wykorzystać struktury kompozytowe dopasowane w ekstremalnych temperaturach z dokładnością milionowych części milimetra, detektory promieniowania podczerwonego wykorzystujące nowe techniki obserwacyjne czy rewolucyjną kosmiczną chłodnicę.
Więcej szczegółowych informacji na temat teleskopu JWST możecie przeczytać w najnowszym numerze naszego czasopisma Urania - Postępy Astronomii.
Więcej informacji:
- blog NASA z aktualizacjami nt. startu teleskopu JWST
- Urania nr 6/2021 z artykułami o teleskopie JWST
Na podstawie: NASA/ESA
Opracował: Rafał Grabiański
Na zdjęciu: Grafika prezentująca początkową fazę rozkładania osłony przeciwsłonecznej teleskopu JWST. Źródło: NASA.
