Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zarejestrował światło pierwszych gwiazd! Na początku lutego rozpoczął się proces kalibracji najbardziej skomplikowanego obserwatorium astronomicznego wysłanego przez człowieka.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zarejestrował pierwszy obraz! Kamera NIRCam - jeden z czterech instrumentów naukowych teleskopu - odebrała pierwsze światło. Tym samym zaczął się kilkumiesięczny proces kalibracji optycznej teleskopu. Obraz referencyjnej gwiazdy jest widoczny na uzyskanej fotografii 18 razy - każdy punkt to odbicie się światła od jednego z segmentów zwierciadła głównego teleskopu. Teraz rozpocznie się żmudny proces ustawiania segmentów względem siebie, tak by docelowo tworzyły jedno lustro skupiające światło z każdej takiej gwiazdy w jednym punkcie.
24 stycznia 2022 r. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dotarł na swoją docelową orbitę obserwacyjną - orbitę halo wokół punktu libracyjnego L2 układu Ziemia-Słońce. Wysłany 25 grudnia 2021 r. teleskop jest największym i najbardziej skomplikowanym obserwatorium astronomicznym pracującym w przestrzeni kosmicznej zbudowanym przez człowieka. Po dotarciu na docelową pozycję teleskop JWST został już w pełni rozłożony. Przyszedł więc czas na przygotowanie go do naukowej pracy.
Początek kalibracji optycznej
Proces kalibracji optycznej teleskopu JWST rozpoczął się 2 lutego 2022 r. Potrwa on trzy miesiące i będzie składał się z 7 faz, które mogą w tym czasie się wielokrotnie powtarzać. Pierwszym krokiem jest ustalenie dokładnych parametrów orientacji teleskopu względem jego platformy satelitarnej (Segment Image Identification).
Zwierciadło główne teleskopu składa się z 18 oddzielnych segmentów, które docelowo mają działać jak jedno, jednolite lustro. Każdy z tych segmentów jest wyposażony w zestaw siłowników, który umożliwia zmianę jego orientacji z bardzo wysoką dokładnością. Na początku, każdy z tych segmentów jest wychylony w inną stronę i gdy chcemy teleskop skierować na gwiazdę otrzymujemy 18 obrazów tej gwiazdy na jednej matrycy. Co więcej nie wiemy początkowo, który punkt na matrycy odpowiada, za który segment. Celem fazy Segment Image Identification jest więc wykonanie zdjęć wybranej gwiazdy referencyjnej i ustalenie, do którego z segmentów teleskopu należy każdy obraz. Wtedy dowiadujemy się w jaki sposób musimy ruszać każdym z segmentów, żeby utworzyć uporządkowany obraz tzw. image array.
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.
Światło referencyjnej gwiazdy nie będzie jeszcze po tym kroku skupione w jednym miejscu na matrycy, ale zapanuje porządek - będziemy wiedzieli gdzie dokładnie patrzy każdy z segmentów teleskopu przy danej orientacji przestrzennej, którą podaje teleskop na bazie szperaczy gwiazd. Po tym kroku gdy będziemy chcieli skierować teleskop na inny obiekt kalibracyjny będziemy wiedzieli jak zmienić jego orientację i gdzie spodziewać się na matrycy urządzenia NIRCam światła odbitego z każdego z segmentów.
Jak wyglądała identyfikacja segmentów zwierciadła w pierwszych obrazach?
Na początku procesu identyfikacji pozycji segmentów należało odnaleźć gwiazdę referencyjną. Gwiazdą referencyjną w tej operacji była HD 84406 - jasna, oddalona od innych jasnych gwiazd, znajdująca się w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy. W celu identyfikacji teleskop zmieniał orientację 156 razy wokół przybliżonej pozycji gwiazdy. Inżynierowie znali pozycję platformy satelitarnej, a pozycja segmentów zwierciadła głównego była znana z pewnym marginesem błędu - dało się więc oszacować jakie musi być mniej więcej zorientowanie teleskopu. Łącznie wykonano 1560 obrazów, używając 10 detektorów instrumentu NIRCam. Wygenerowano w tym procesie 54 GB danych.
Cały proces trwał prawie 25 godzin, ale algorytmy szukające gwiazdy referencyjnej były w stanie zidentyfikować jej obraz w każdym z segmentów już po 6 godzinach, po 16 ekspozycjach. Uzyskane obrazy połączono w jeden, który zawierał obraz gwiazdy referencyjnej dla każdego zidentyfikowanego segmentu zwierciadła głównego.
Poniżej prezentujemy ten obraz z oznaczeniem segmentów. W elipsach zakreślono segmenty, które znajdują się na rozkładanych bocznych skrzydłach zwierciadła. Warto podkreślić, że to tylko środkowy fragment złączonego obrazu, który zawiera gwiazdę referencyjną. W rzeczywistości w programie komputerowym utworzono klatkę zawierającą 2 GP (2 miliardy pikseli).
Źródło: NASA.
Schemat z opisanymi segmentami teleskopu i fotografiami podczas ich testów. Źródło: NASA.
Selfie zwierciadła głównego
Zespół misji pochwalił się też autoportretem wykonanym przez teleskop podczas operacji kalibracyjnej. Instrument NIRCam posiada specjalną soczewkę na wejściu, której rolą jest rejestrowanie obrazu zwierciadła głównego, a nie przestrzeni kosmicznej. Tryb autoportretu pomaga inżynierom podczas prac kalibracyjnych. Na poniższym obrazie widzimy 18 rozłożonych segmentów. Jeden z nich jest jasny, gdyż wtedy został wycentrowany na jasną gwiazdę.
Źródło: NASA.
Co dalej?
To dopiero początek kilkumiesięcznego procesu kalibracji optycznej. Teleskop gdy już wiadomo o położeniu segmentów, musi teraz poruszyć nimi tak, by utworzyć pierwszy uporządkowany obraz tzw. image array. Potem przyjdzie czas na fazę ustawiania segmentów zwierciadła (Segment Alignment). W ruch pójdzie zwierciadło wtórne, które będzie rozmywało obraz z gwiazdy referencyjnej. Sposób jego rozmazania będzie informował algorytm o drobnych błędach w pozycjach poszczególnych segmentów. Następnie każdy z segmentów będzie poprawiany, by ten błąd pozycyjny zniwelować.
Po zakończeniu tej fazy będziemy mieli już dokładne obrazy z każdego z segmentów, ułożone na kształt zwierciadła głównego. Nadal jednak będzie to 18 mini-teleskopów optycznych, a nie jedna maszyna. Dopiero w kolejnych krokach rozpocznie się ustawianie segmentów teleskopu do wspólnej pracy jako jedno jedno zwierciadło. Obraz musi zostać ujednolicony przestrzennie oraz w fazie, z dokładnością do długości światła odbieranego przez teleskop. Dalsze kroki kalibracyjne wyjaśnimy szczegółowo w kolejnym artykule.
Symulacja obrazu jaki powstanie po kolejnej fazie kalibracji (Segment Alignment). Źródło: NASA.
Po ustawieniu segmentów zwierciadła głównego 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.
Trwa wychładzanie teleskopu
NIRCam używany do kalibracji optycznej nie pracuje w swojej optymalnej temperaturze. Chociaż jest przystosowany do rejestrowania światła będąc w trochę wyższej temperaturze niż w przypadku pozostałych instrumentów, to jednak najlepiej będzie się sprawował, gdy zakończy się proces chłodzenia “zimnej strony” JWST.
Chłodna i ciepła strona teleskopu JWST
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.
Ciepła strona teleskopu, zwrócona do Słońca, Ziemi i Księżyca nagrzewa się jak każda sonda międzyplanetarna. Zimna strona, odgrodzona przez osłonę przeciwsłoneczną pozwala na utrzymywanie zwierciadła i detektorów w bardzo niskich temperaturach.
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.
Rysunek teleskopu JWST. Na dole "ciepła strona" z platformą satelitarną. Nad osłoną przeciwsłoneczną "zimna strona" z teleskopem i instrumentami. Źródło: NASA.
Trzy z czterech instrumentów teleskopu (te obserwujące w bliskiej podczerwieni) chłodzą się pasywnie, tzn. wypromieniowują ciepło w przestrzeń kosmiczną. Gdy proces ten się zakończy i zwierciadło wraz z detektorami znajdą się w równowadze termicznej, to lustro powinno ustabilizować się na temperaturze około 50 K (-223 st. C), a instrumenty naukowe przy temperaturze 40 K (-233 st. C).
Czwarty z instrumentów naukowych teleskopu, czyli MIRI obserwuje w średniej podczerwieni, więc potrzebuje do działania jeszcze niższych temperatur. Dlatego też jest wyposażony w dodatkową chłodnicę, która umożliwi mu osiągnięcie temperatury około 7 K (-266 st. C). Na początku lutego zespół misji uruchomił pierwszy cykl działania chłodnicy.
Poniżej zamieszczamy temperatury na segmentach zwierciadła głównego zarejestrowane 9 lutego 2022 r.:
Więcej informacji:
- Blog NASA z aktualizacjami nt. startu teleskopu JWST
- Urania nr 6/2021 z artykułami o teleskopie JWST
Na podstawie: NASA
Opracował: Rafał Grabiański
Na zdjęciu tytułowym: Obraz gwiazdy HD 84406 z procesu identyfikacji segmentów zwierciadła głównego teleskopu JWST. Źródło: NASA.
