Marcia Rieke er en regentprofessor i astronomi ved University of Arizona. Denne historien ble opprinnelig omtalt Samtalen.
James Webb-romteleskopet skal etter planen til verdensrommet 18. desember 2021. Med det håper astronomer å finne de første galaksene som dannes i universet, vil søke etter jordlignende atmosfærer rundt andre planeter og oppnå mange andre vitenskapelige mål.
jeg er en astronom og hovedetterforsker for det nære infrarøde kameraet-eller NIRCam kort sagt – ombord på Webb-teleskopet. Jeg har deltatt i utviklingen og testingen av både kameraet mitt og teleskopet som helhet.
For å se dypt inn i universet har teleskopet et veldig stort speil og må holdes ekstremt kaldt. Men å få et skjørt utstyr som dette ut i verdensrommet er ingen enkel oppgave. Det har vært mange utfordringer mine kolleger og jeg har måttet overvinne for å designe, teste og snart lansere og justere det kraftigste romteleskopet som noen gang er bygget.
Unge galakser og fremmede atmosfærer
Webb-teleskopet har et speil på over 20 fot i diameter, en solskjerm på størrelse med en tennisbane for å blokkere solstråling og fire separate kamera- og sensorsystemer for å samle inn dataene.
Den fungerer på en måte som en parabolantenne. Lys fra en stjerne eller galakse vil komme inn i munningen til teleskopet og sprette av primærspeilet mot de fire sensorene: NIRCam, som tar bilder i nær infrarødt; de Nær infrarød spektrograf, som kan dele lyset fra et utvalg av kilder i deres konstituerende farger og måler styrken til hver; de Midt-infrarødt instrument, som tar bilder og måler bølgelengder i det midtre infrarøde; og Nær infrarød bildebehandling Slitless Spectrographsom deler og måler lyset av alt forskerne peker satellitten mot.
Dette designet vil tillate forskere å studere hvordan stjerner dannes i Melkeveien og atmosfæren til planeter utenfor solsystemet. Det kan til og med være mulig å finne ut sammensetningen av disse atmosfærene.
Helt siden Edwin Hubble beviste at fjerne galakser er akkurat som Melkeveien, har astronomer spurt: Hvor gamle er de eldste galaksene? Hvordan ble de først dannet? Og hvordan har de endret seg over tid? Webb-teleskopet ble opprinnelig kalt “First Light Machine” fordi den er laget for å svare på nettopp disse spørsmålene.
Et av hovedmålene til teleskopet er å studere fjerne galakser nær kanten av det observerbare universet. Det tar milliarder av år før lyset fra disse galaksene krysser universet og når jorden. Jeg anslår at bilder kollegene mine og jeg vil samle med NIRCam kan vise protogalakser som dannet seg bare 300 millioner år etter Big Bang – da de bare var 2 prosent av sin nåværende alder.
Å finne de første samlingene av stjerner som ble dannet etter Big Bang er en skremmende oppgave av en enkel grunn: Disse protogalaksene er veldig langt unna og ser derfor ut til å være veldig svake.
Webbs speil er laget av 18 separate segmenter og kan samle mer enn seks ganger så mye lys som Hubble Space Telescope-speilet. Fjerne objekter ser også ut til å være veldig små, så teleskopet må kunne fokusere lyset så tett som mulig.
Teleskopet må også takle en annen komplikasjon: Siden universet utvider seg, galaksene som forskerne skal studere med Webb-teleskopet beveger seg bort fra jorden, og Doppler-effekten spiller inn. Akkurat som tonehøyden til en ambulanses sirene skifter ned og blir dypere når den passerer og begynner å bevege seg bort fra deg, skifter bølgelengden til lys fra fjerne galakser ned fra synlig lys til infrarødt lys.
Webb oppdager infrarødt lys – det er egentlig et gigantisk varmeteleskop. For å “se” svake galakser i infrarødt lys, må teleskopet være eksepsjonelt kaldt, ellers ville det bare se sin egen infrarøde stråling. Det er her varmeskjoldet kommer inn. Skjoldet er laget av en tynn plast belagt med aluminium. Den er fem lag tykk og måler 46,5 fot (17,2 meter) x 69,5 fot (21,2 meter) og vil hold speilet og sensorene på minus 390 grader Fahrenheit (minus 234 Celsius).
Webb-teleskopet er en utrolig ingeniørbragd, men hvordan får man en slik ting trygt til verdensrommet og garanterer at den vil fungere?
Test og øv
James Webb-romteleskopet vil gå i bane rundt en millioner miles fra jorden—Omtrent 4500 ganger lenger unna enn den internasjonale romstasjonen og altfor langt til å betjenes av astronauter.
I løpet av de siste 12 årene har teamet testet teleskopet og instrumentene, ristet dem for å simulere rakettoppskytingen og testet dem på nytt. Alt har blitt avkjølt og testet under ekstreme driftsforhold i bane. Jeg vil aldri glemme da teamet mitt var i Houston og testet NIRCam ved å bruke et kammer designet for Apollo Lunar Rover. Det var første gang kameraet mitt oppdaget lys som hadde spratt av teleskopets speil, og vi kunne ikke vært lykkeligere – selv om orkanen Harvey kjempet mot oss utenfor.
Etter testing kom prøvene. Teleskopet vil bli fjernstyrt av kommandoer sendt over en radiolink. Men fordi teleskopet vil være så langt unna – det tar seks sekunder før et signal går én vei – er det ingen sanntidskontroll. Så de siste tre årene har teamet mitt og jeg reist til Space Telescope Sciencece instituttet i Baltimore og kjører øvingsoppdrag på en simulator som dekker alt fra oppskyting til rutinemessige vitenskapelige operasjoner. Teamet har til og med øvd på å håndtere potensielle problemer som testarrangørene kaster på oss og kaller «avvik».
Noe justering kreves
Webb-teamet vil fortsette å øve og øve frem til lanseringsdatoen i desember, men arbeidet vårt er langt fra ferdig etter at Webb er brettet og lastet inn i raketten.
Vi må vente 35 dager etter lansering for at delene skal avkjøles før vi begynner justeringen. Etter at speilet har utfoldet seg, vil NIRCam ta sekvenser av høyoppløselige bilder av de individuelle speilsegmentene. Teleskopteamet vil analysere bildene og fortelle motorene om å justere segmentene i trinn målt i milliarddeler av en meter. Når motorene flytter speilene på plass, vil vi bekrefte at teleskopjusteringen er perfekt. Denne oppgaven er så oppdragskritisk at det er to identiske kopier av NIRCam om bord – hvis den ene mislykkes, kan den andre ta over opprettingsjobben.
Denne justeringen og utsjekkingsprosessen bør ta seks måneder. Når du er ferdig, vil Webb begynne å samle inn data. Etter 20 års arbeid vil astronomer endelig ha et teleskop som kan se inn i de fjerneste og fjerneste delene av universet.
