Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został rozłożony

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba z powodzeniem zakończył wszystkie etapy rozkładania w drodze do docelowej orbity obserwacyjnej. Optykę obserwatorium chroni już ogromna rozłożona osłona przeciwsłoneczna i zarówno główne i wtórne zwierciadło teleskopu zostało rozłożone.

25 grudnia 2021 r. rakieta Ariane 5 wyniosła w przestrzeń kosmiczną Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba – największy i najbardziej skomplikowany teleskop kosmiczny zbudowany przez człowieka. Teleskop Webba będzie obserwował Wszechświat w podczerwieni. Będzie można dzięki niemu 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!

Teleskop Webba od czasu startu podróżuje do swojej docelowej orbity wokół punktu L2 układu Ziemia-Słońce. Lot ten trwa około miesiąc. Teleskop będzie obserwował Wszechświat ze specjalnej okołosłonecznej orbity, położonej około 1,5 mln km od naszej planety. Tam łatwo jest utrzymać niezwykle wrażliwe instrumenty optyczne w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu, w ukryciu przed ciepłem emitowanym od Słońca czy nawet od Ziemi i Księżyca.

W trakcie lotu do docelowej orbity teleskop rozkładał się. Ładownia rakiety nie pomieściłaby rozłożonego zwierciadła głównego teleskopu czy ogromnej, mierzącej przy dłuższym boku ponad 20 m osłony przeciwsłonecznej, która zasłania optykę teleskopu przed Słońcem i Ziemią. Pierwszą fazą tego procesu było rozłożenie i napięcie pięciowarstwowej osłony przeciwsłonecznej.

Rozkładanie osłony przeciwsłonecznej

Skomplikowany mechanizm, w którym angażowanych jest kilkaset elementów mechanicznych rozpoczął się 28 grudnia 2021 r. od rozłożenia przedniej i tylnej palety UPS osłony (Utilized Pallet Structure), które znajdowały się podczas lotu zablkowane w pozycji pionowej. Dzień później rozłożono wieżyczkę DTA (Deployable Tower Assembly), która oddzieliła platformę satelitarną od elementów optycznych teleskopu, robiąc miejsce dla rozkładanych później warstw osłony przeciwsłonecznej.

30 grudnia 2021 r. inżynierowie wysłali do teleskopu polecenia rozłożenia specjalnej klapy Aft Momentum Flap, która będzie przeciwdziałać niepożądanym zmianom orientacji wywoływanym oddziaływaniem wiatru słonecznego na osłonę przeciwsłoneczną. Po tych etapach nadszedł wreszcie czas na krytyczną fazę rozkładania samej osłony.

Jeszcze 30 grudnia ze zwiniętej osłony zdjęto i zwinięto specjalny pokrowiec, który chronił kaptonowy materiał osłon w trakcie lotu rakietowego. Pojawił się wtedy pierwszy nerwowy moment, bo podstawowe czujniki, które miały wskazać poprawne zwinięcie pokrowca nie aktywowały się. Inżynierowie jednak po dokładnym sprawdzeniu odczytów z innych sensorów: temperatury i żyroskopów wskazujących na zmiany orientacji byli w stanie stwierdzić, że zdjęcie pokrowca przebiegło poprawnie.

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.

31 grudnia rozłożono oba ramiona boczne (Mid-Booms) rozpościerające osłonę. Zaczęto od lewego zwanego Port Mid-Boom, a następnie rozłożono prawy Starboard Mid-Boom. Proces trwał wiele godzin – każda ze stron potrzebowała do rozłożenia ponad 3 godzin. Po udanym rozłożeniu osłona przeciwsłoneczna zaczęło już przypominać znany z grafik romb przypominający kształtem latawiec. Teraz pozostało już tylko napiąć osłonę, jednocześnie oddzielając wszystkie pięć warstw pionowo od siebie.

Animacja przedstawiająca proces rozłożenia jednego z bocznych ramion osłony przeciwsłonecznej.

Z racji lekkiego opóźnienia operacji rozkładania bocznych ramion zespół misji zdecydował się 1 stycznia na dzień odpoczynku. Po powrocie do operacji 2 stycznia zdecydowano odłożyć ostatnią fazę rozkładania osłony o jeszcze jeden dzień, aby zebrać więcej doświadczenia z operowaniem budżetem energetycznym teleskopu po pierwszej fazie rozłożenia i ustawić orientację teleskopu dokładniej w optymalnej pozycji.

3 stycznia rozpoczęto wreszcie ostatnią fazę rozkładania osłony. Najpierw napięta została pierwsza warstwa – ta, która będzie nagrzewać się od Słońca. Praca ta została zakończona wczesnym popołudniem czasu amerykańskiego. Od razu po napięciu pierwszej warstwy przystąpiono do napinania kolejnych: drugiej i trzeciej.

Proces napiniania warstw nr 4 i 5 został przeprowadzony 4 stycznia. Zespołowi misji udało się to wykonać do południa czasu lokalnego. Tym samym zakończono wielodniowo proces rozwijania osłony przeciwsłonecznej.

Film z testów naziemnych napinania osłony przeciwsłonecznej.

Rozkładanie systemu optycznego

5 stycznia rozpoczęła się ostatnia faza rozkładania teleskopu – ta dotycząca jego optyki: zwierciadła wtórnego i głównego.

Na początku rozłożono strukturę, na której znajduje się zwierciadło wtórne. Światło zebrane przez 18-segmentowe zwierciadło główne skupia się na mierzącym 74 cm średnicy zwierciadle wtórnym, które prowadzi to światło następnie do wnęki w samym środku zwierciadła głównego, gdzie umieszczone zostały instumenty naukowe analizujące ten sygnał.

O zwierciadłach

Teleskop Webba, aby móc obserwować niezwykle odległe obiekty z dostatecznie dużą dokładnością musi posiadać duże zwierciadło główne, które zbierze jak najwięcej światła z bladych obiektów znajdujących się blisko granicy obserwowalnego Wszechświata. Największym elementem całego teleskopu jest więc właśnie ono. Główne zwierciadło na teleskopie JWST składa się z 18 heksagonalnych segmentów zbudowanych z berylu, każdy o średnicy 1,4 m, które razem działają jako jedno lustro. Jego całkowita powierzchnia wynosi 26,3 m2. Każdy z segmentów jest ruchomy – posiada 6 siłowników, mogących wychylać go na różne sposoby z dokładnością 10 nm.

Zwierciadło wtórne to wypukłe lustro o średnicy 0,74 m, znajdujące się na specjalnej strukturze nad zwierciadłem głównym. Zostało ono również wyposażone w zestaw sześciu siłowników, umożliwiających podobną regulację pozycji.

Światło po odbiciu od lustra wtórnego wpada skupione do tylnej sekcji optycznej, gdzie jest odbijane zestaw kolejnych dwóch luster, a następnie wpada już do instrumentów naukowych.

Zwierciadło wtórne zamontowane na wspornikach pozostawało złożone w trakcie lotu. 5 stycznia rozłożono te wsporniki tak, by zwierciadło znalazło się w odpowiedniej pozycji nad zwierciadłem głównym. Cała operacja od rozpoczęcia rozkładania wsporników do ich zabezpieczenia w finalnej pozycji trwała około 2 godzin.

Animacja przedstawiająca rozkładanie zwierciadła wtórnego.

6 stycznia zdjęto na teleskopie blokady, które otworzyły panel zestawu radiatora ADIR (Aft Deployable Instrument Radiator). Jest to bardzo ważny element teleskopu, który umożliwia odprowadzenie ciepła z detektorów naukowych teleskopu.

Dzień później, 7 stycznia nadszedł czas na ostatnie zadanie rozłożenia teleskopu – rozłożenie dwóch skrzydeł zwierciadła głównego. Na pierwszy ogień poszło lewo skrzydło zwierciadła. Sam proces rozwinięcia segmentu za pomocą silniczków trwał zaledwie 5 minut. Potem jednak aż 2 godziny potrzeba było, by zabezpieczyć rozłożone skrzydło w odpowiedniej pozycji.

8 stycznia to samo zrobiono z prawym skrzydłem. W tym przypadku procedura wyglądała dokładnie tak samo. W ten sposób zakończyła się wielodniowa operacja rozkładania teleskopu Webba w drodze do swojej orbity obserwacyjnej.

Animacja przedstawiająca ostatni rozkładany element teleskopu – prawe skrzydło zwierciadła głównego.

Co dalej?

Mimo tego, że proces rozkładania teleskopu można uznać za zamknięty, to czeka nas jeszcze długa droga zanim będziemy mogli oglądać pierwsze wyraźne zdjęcia przez niego wykonane. Teraz w najbliższych dniach inżynierowie będą po kolei uruchamiali silniki sterujące pozycją każdego z 18 segmentów zwierciadła głównego. Ruchy tych segmentów będą później potrzebne do kalibracji i ustawienia ich tak, by działały wspólnie jak jednolite zwierciadło.

26 dni 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.

Więcej informacji:

Na podstawie: NASA/ESA

Opracował: Rafał Grabiański

Na zdjęciu: Grafika prezentująca w pełni rozłożony teleskop JWST. Źródło: NASA.

JWST

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba

NASA

ESA

CSA