Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba już niedługo rozpocznie pierwsze naukowe obserwacje. Kończy się kalibracja optyczna urządzenia i wszystko do tej pory działa lepiej niż przewidywano. Jak wyglądały ostatnie miesiące przygotowań teleskopu do pracy i co jeszcze musi się wydarzyć, żeby kosmiczne obserwatorium zaczęło dokonywać pierwszych odkryć?
Zakończyło się już sześć etapów kalibracji aparatury optycznej Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Teraz inżynierowie czekają na ostateczne schłodzenie najbardziej wrażliwego na temperaturę instrumentu, czyli Mid-Infrared Instrument (MIRI). Gdy osiągnie on docelową temperaturę, rozpocznie się ostatni, siódmy etap kalibracji.
Półroczne przygotowania do pracy
25 grudnia 2021 roku. rakieta Ariane 5 wysłała Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w przestrzeń kosmiczną. 24 stycznia 2022 roku. urządzenie dotarło na swoją docelową orbitę obserwacyjną – orbitę halo wokół punktu libracyjnego L2 układu Ziemia–Słońce. W tym czasie Teleskop Webba zdążył się w pełni rozłożyć – największymi elementami, które musiały zostać rozłożone, była gigantyczna osłona przeciwsłoneczna oraz zwierciadło główne teleskopu.
Po dotarciu na orbitę teleskop czekały dwie fazy przygotowań: kalibracja optyczna, by zbierany obraz wszechświata trafiający do detektorów był w pełni ostry, oraz kalibracja i przygotowanie urządzeń, które obraz ten będą odczytywały i analizowały. Proces kalibracji optycznej rozpoczął się 2 lutego 2022 roku.
Gwiazda referencyjna HD 84406 po ujednoliceniu przestrzennym i nałożeniu w jeden spójny obraz, proces zwany "image stacking". Źródło: NASA/STScI.
11 marca 2022 r. udało się zakończyć kalibrację teleskopu do współpracy z kamerą NIRCam. Wtedy zakończyła się ostatnia faza tego etapu czyli tzw. fine phasing. Bardzo dokładne dostrajanie optyki, by ta mogła skupić ostry obraz obserwowanych obiektów na płaszczyźnie ogniskowej podstawowej kamery NIRCam. Zespół nie stwierdził podczas tego procesu żadnych zaburzeń działania aparatury optycznej, nie wykrył zanieczyszczeń ani niczego co blokowałoby w najmniejszym stopniu światło dostające się do detektora.
Obraz uzyskany po zakończonej kalibracji optycznej z instrumentu NIRCam. W centrum widać gwiazdę 2MASS J17554042+6551277. W tle widać też mnóstwo innych gwiazd i galaktyk. Źródło: NASA/STScI
Ritva Keski-Kuha – menedżerka optycznego segmentu teleskopu JWST podsumowała: Udało się w pełni ustawić i wyostrzyć obraz teleskopu na (testowej – przyp. red.) gwieździe. Parametry obrazu przekraczają oczekiwania. Nie możemy doczekać się rezultatów naukowych.
Kalibracja wieloinstrumentowa rozpoczęta
Kiedy podstawowy instrument NIRCam leży już w odpowiedniej pozycji względem luster teleskopu przyszedł czas na kalibrację pozostałych trzech instrumentów naukowych i instrumentu śledzącego dokładne ustawienie teleskopu czyli Fine Guidance Sensor (FGS). W połowie marca zaczął się więc proces zwany multi-instrument multi-field alignment (MIMF).
Po kalibracji NIRCam inżynierowie sprawdzili, jak płaszczyzny ogniskowe pozostałych instrumentów położone są względem lustra. Dane te posłużyły algorytmom do dostrajania elementów optycznych tych instrumentów względem teleskopu. Sprawdzenie, jak widzą pozostałe instrumenty, które są trochę przesunięte względem kamery NIRCam, pozwoliło obliczyć pozostałe niewielkie błędy ustawienia zwierciadła głównego i wtórnego teleskopu. Dane z tych kilku „punktów widzenia” dały zespołowi pewność co do precyzji dokonanej kalibracji.
Pola widzenia instrumentów naukowych teleskopu JamesaWebba oraz kamery kontroli orientacji FGS. Źródło: NASA
Do końca marca udało się zakończyć kalibrację względem wszystkich instrumentów oprócz MIRI, który jeszcze się schładza. Oznacza to, że w tym momencie wszystkich 18 segmentów zwierciadła głównego jest już ustawionych odpowiednio względem urządzeń: NIRCam, FGS, NIRISS oraz NIRSpec. Kiedy zakończy się chłodzenie detektora na instrumencie MIRI, zespół przejdzie do drugiej fazy kalibracji wszystkich instrumentów względem optyki, tym razem wliczając w to również pominięte w pierwszej fazie MIRI.
Chłodna i ciepła strona teleskopu
Teleskop Jamesa Webba będzie obserwował w podczerwieni – przede wszystkim 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 stopni Celsjusza). Samo znalezienie się na orbicie wokółsłonecznej z dala od Ziemi do tego nie wystarczy – trzeba było dodatkowo zastosować specjalną pięciowarstwową osłonę, która chroni go przed dużymi źródłami ciepła oraz ciepłem emitowanym przez samą platformę 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 na boki urządzenia, z dala od samego teleskopu.
Rysunek teleskopu Jamesa Webba. Na dole „ciepła strona” z platformą satelitarną. Nad osłoną przeciwsłoneczną „zimna strona” z teleskopem i instrumentami. Źródło: NASA
Chłodzenie teleskopu
Przez ostatnie trzy miesiące stale schładzano wszystkie instrumenty teleskopu. Detektory znajdują się za osłoną przeciwsłoneczną, dzięki czemu poprzez wypromieniowanie energii są w stanie schłodzić się pasywnie do bardzo niskich temperatur, potrzebnych, by obserwować odległe słabo świecące obiekty w podczerwieni. Większość instrumentów będzie działać w zakresie 34–39 K. Wyjątek stanowi instrument MIRI, który ma obserwować w jeszcze dłuższych falach średniego zakresu podczerwieni. Tu wymagana jest temperatura 7 K – bardzo bliska zeru bezwzględnemu. Instrument MIRI używa więc do chłodzenia dodatkowo aktywnej chłodnicy kriogenicznej. Niezwykle wydajne i przystosowane do działania na statku kosmicznym urządzenie chłodzące zostanie teraz poddane trudnej próbie. Początkowo hel, który używany jest jako chłodziwo, jest w stanie schłodzić detektor do temperatury 15 K, ale potem potrzebna będzie seria skomplikowanych manewrów za pomocą zaworów i kompresora urządzenia, aby wymusić odpowiednie właściwości fizyczne chłodziwa i móc osiągnąć docelową temperaturę 7 K. Po tej krytycznej fazie system chłodzenia przejdzie w spokojniejszy tryb utrzymania tej temperatury już do końca trwania misji.
Podczas gdy czekamy na schłodzenie MIRI i kontynuację kalibracji, zespół misji wykonał niewielkie odpalenie silnika korekcyjnego teleskopu w celu utrzymania go na orbicie halo wokół punktu L2. Takie odpalenia będą wykonywane okresowo przez cały czas trwania misji.
Urządzenie MIRI (egzemplarz lotny) podczas testów w ośrodku NASA Goddard Space Flight Center w 2012 roku. Żródło: NASA/Chris Gunn
Kiedy pierwsze obserwacje teleskopu?
Gdy zakończy się wieloinstrumentowa kalibracja optyczna, rozpocznie się ostatni etap przygotowań do pracy teleskopu. Przez kolejne dwa miesiące zespoły odpowiedzialne za poszczególne instrumenty będą przygotowywały je do pracy, wykonując obserwacje kalibracyjne i testując wszystkie tryby ich działania podczas misji. Wszystko do tej pory idzie zgodnie z planem więc możemy spodziewać się, że tego lata zobaczymy wyniki pierwszych naukowych obserwacji teleskopu!
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 uzyskany po zakończonej kalibracji optycznej z instrumentu NIRCam. W centrum widać gwiazdę 2MASS J17554042+6551277. W tle widać też mnóstwo innych gwiazd i galaktyk. Źródło: NASA/STScI
