Koncepcja artysty (2015) dotycząca tego, jak będzie wyglądał Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba po ukończeniu i udanym wdrożeniu. Źródło zdjęcia: Northrop Grumman.

Kulisy spojrzenia na budowę największego teleskopu ze wszystkich

Jak powstał Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.

„Tak czy inaczej pierwsze gwiazdy musiały wpłynąć na naszą historię, zaczynając od mieszania wszystkiego i wytwarzania innych pierwiastków chemicznych oprócz wodoru i helu. Jeśli więc naprawdę chcemy wiedzieć, skąd pochodzą nasze atomy i jak mała planeta Ziemia jest w stanie utrzymać życie, musimy zmierzyć, co stało się na początku. ” -John Mather

Więc chcesz zobaczyć głębiej we wszechświecie niż kiedykolwiek wcześniej? Aby odkryć, jak dorastał; do pomiaru pierwszych gwiazd i galaktyk; spojrzeć na to w nowy sposób i z większą precyzją niż kiedykolwiek wcześniej? Zasadniczo jest to proste wyzwanie. Po prostu zbuduj większe lustro pierwotne, aby zebrać więcej światła niż kiedykolwiek wcześniej, wrażliwe na dłuższe fale świetlne niż Hubble, aby zobaczyć najwcześniejsze światło rozciągnięte przez rozszerzający się Wszechświat, z szeregiem zaawansowanych instrumentów, aby zmaksymalizować informacje pozyskane ze światła, ochłodzone do temperatur kriogenicznych w celu zminimalizowania zanieczyszczenia. Aha, i rób to wszystko w kosmosie, na skalę, jakiej nigdy wcześniej nie robiłeś. Doprowadzą cię nie tylko nauka i instrumenty naukowe, ale także niezwykła historia inżynieryjna przewidywania nieznanego i stawienia czoła wyzwaniu. Aby się tam dostać, musisz postrzegać rzeczy inaczej niż to, w jaki sposób postrzegaliby je nawet naukowcy. Miałem okazję usiąść z Jonem Arenbergiem, głównym inżynierem kosmicznego teleskopu Jamesa Webba Jamesa Webba z Northrupa Grummona i dowiedzieć się, jak to działa.

Wystrzelenie STS-93, promu kosmicznego Columbia, w 1999 roku. Zdjęcie: NASA.

Spójrz na zdjęcie powyżej i co widzisz? Być może widzisz prom kosmiczny. Być może widzisz prom kosmiczny Columbia, startujący w nocy. Ale dla Jona widzi coś jeszcze: prom kosmiczny wystrzeliwuje z satelitą na pokładzie. Zanim rozpoczął pracę nad Jamesem Webbem, Jon pomógł zbudować Obserwatorium Rentgenowskie Chandra, które działa z powodzeniem od 18 lat. Jednym z wyzwań, o których nie myślisz z teleskopem kosmicznym, jest to, że musi on zmieścić się w pojeździe startowym, co nakłada dodatkowe ograniczenia na produkcję, montaż, konstrukcję obudowy i elektromechaniczny projekt wszystkiego na pokładzie. Musisz zaplanować na każdym etapie - od samego początku, projekt, uruchomienie, dekompresję, wdrożenie, ekspozycję na próżnię kosmiczną i całe życie operacji. Każdy projekt ma swoje unikalne wyzwania.

Technicy i naukowcy sprawdzają jedno z pierwszych dwóch lusterek lotu teleskopu Webb w czystym pokoju w NASA Goddard Space Flight Center. Źródło zdjęcia: NASA / Chris Gunn.

W przypadku Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba wydaje się, że każde wyzwanie jest wyjątkowe. Architektura teleskopu jest całkowicie nowa w lotach kosmicznych. Otwarta architektura chłodzenia, w której jednostka jest pasywnie chłodzona i chroniona przed słońcem, jest nowa. Pięciowarstwowa osłona przeciwsłoneczna jest nowa i musiała zostać zaprojektowana od zera. To pierwsze wielosegmentowe lustro w kosmosie, co oznacza, że ​​projekt jest nie tylko unikalny, ale wdrożenie wymagało również zupełnie nowego projektu. A działanie teleskopu - rozwijająca się sekwencja - samo w sobie jest cudem inżynierii.

Zaprojektowanie i zbudowanie takiego teleskopu, obfitującego w nowe wyzwania, przed którymi ludzkość nigdy nie była, stanowi wyzwanie nie tylko w sensie inżynieryjnym. Musisz oszacować, ile czasu, pieniędzy i zasobów potrzebujesz, aby je zbudować. Nie możesz liczyć na to, że wszystko zadziała tak, jak je zaprojektowałeś za pierwszym razem; nie możesz liczyć na to, że Twoja pierwsza praca przejdzie wszystkie testy warunków skrajnych; nie można liczyć na płynną integrację z systemem, który jeszcze nie został zaprojektowany. Musisz oszacować „nieznane niewiadome”, kiedy projektujesz swój budżet po raz pierwszy, i musisz zbudować zespół, który nie tylko wyróżnia się tym, co robią, ale także wyróżnia się w identyfikowaniu i rozwiązywaniu problemów, których nie mogliby się spodziewać .

Instrumenty naukowe na pokładzie modułu ISIM są obniżane i instalowane w głównym zespole JWST w 2016 r. Źródło zdjęcia: NASA / Chris Gunn.

Ponadto poszczególne elementy osiągają etap ukończenia w różnym czasie. Cztery główne instrumenty naukowe zostały zbudowane niezależnie przez amerykańskich, kanadyjskich, europejskich i innych partnerów międzynarodowych. Moduł ISIM został zbudowany w Goddard i integruje wszystkie instrumenty z resztą statku kosmicznego. Nagroda naukowa w bliskiej podczerwieni, w spektroskopii, w zdolności wskazywania lepszego niż kiedykolwiek wcześniej (do lepszej niż jedna milionowa stopnia) i we wrażliwości będzie niezrównana. Ale inne komponenty - lusterka, osłona przeciwsłoneczna i montaż - mają również mnóstwo wyjątkowych wyzwań, z którymi nigdy nie pomyślałbyś o konieczności stawienia czoła.

Instalacja 18. i ostatniego segmentu pierwotnego lustra JWST. Czarne osłony chronią pozłacane segmenty lustrzane. Źródło zdjęcia: NASA / Chris Gunn.

Lustra. Kiedy produkujesz lustro teleskopu na Ziemi, możesz zrobić to w takich samych warunkach, w jakich będziesz go używał. Ale w kosmosie, przy długościach fal podczerwonych, musisz stworzyć segmentową strukturę, która działa jak gładka, pojedyncza powierzchnia z tolerancją 20 nanometrów. Na start musi być lekki i musi mieć dobrą konstrukcję. Aby zrobić te lustra, wytwarzają gładką powierzchnię w temperaturze pokojowej, ale projektują ją tak, aby miała niezbędne właściwości w temperaturach poniżej ciekłego azotu. Wytwarzają go pod ziemską grawitacją, ale w tych skalach nawet deformacja grawitacji ma znaczenie; lustra będą działać w środowisku kosmicznym o zerowej grawitacji. Tworzą gładką, polerowaną, powleczoną powierzchnię z przodu, ale obrabiają 92% tyłu, tworząc powierzchnię 25 metrów kwadratowych z zaledwie 6,25 ton metrycznych materiału: ponad siedem razy większa niż Hubble, ale tylko 55% powierzchni Hubble'a masa. Podstawowym wyzwaniem jest to, że możesz wykonywać pomiary tylko we własnych kontrolowanych środowiskach i orientacjach, ale musisz wyprodukować lustra do działania w warunkach lotów kosmicznych. Gdy zrobisz pierwsze udane lustra - te, które pomyślnie przejdą wszystkie testy w warunkach operacyjnych - zwierciadła wypadają z zadziwiającą regularnością.

Pierwszy udany test rozwijania wszystkich pięciu warstw został przeprowadzony w 2014 roku i dostarczył cennych lekcji, które pomogą zapewnić sukces JWST podczas uruchamiania i wdrażania. Zdjęcie: Northrop Grumman / Alex Evers.

Osłona przeciwsłoneczna. Opracowanie całkowicie nowatorskiego elementu architektonicznego zawsze stanowi wyzwanie. Aż do JWST wszystkie teleskopy kosmiczne na podczerwień były aktywnie chłodzone: przynosisz trochę chłodziwa i umieszczasz swój teleskop w chłodnicy kriogenicznej. Ale ten teleskop jest na to za duży! Zamiast tego zaprojektowali i zbudowali szereg warstwowych osłon, aby trwale osłonić teleskop przed Słońcem: JWST będzie miał „stronę słoneczną”, którą skierowana jest osłona przeciwsłoneczna i panele słoneczne, oraz „stronę zacienioną”, w której mieszczą się wszystkie instrumenty i lustra. Gorący koniec gorącej strony wynosi 350 ° C (662 ° F) lub wystarczająco gorąco, aby stopić ołów, natomiast strona chłodna, na drugim końcu pięciu warstw, musi być zimniejsza niż ciekły azot (77 K). Monumentalne wyzwania obejmowały odpowietrzenie ciepła (z boków), ewakuację powietrza podczas startu bez zrywania tarczy, jak zrobić dziury, które wyrównują się, gdy są złożone, ale nie zachodzą na siebie, gdy są rozmieszczone, oraz jak złożyć osłona przeciwsłoneczna eliminująca możliwość zaczepienia podczas instalacji. Ostatecznie udany projekt był kulminacją i połączeniem nowoczesnych symulacji / obliczeń oraz staromodnych technik tworzenia wzorów / żagli / sukienek; było to unikalne połączenie najnowocześniejszej technologii i artyzmu. Ostatecznie jest to tylko pięć warstw powlekanego plastiku, ale jeśli działa zgodnie z przeznaczeniem, utrzyma Jamesa Webba na długo po upływie zaprojektowanego pięcioletniego okresu użytkowania.

Grzejnik ze stałym ISIM, ukończony w zeszłym roku, emituje ciepło z modułu instrumentu (ISIM), instrumentów naukowych i pasków cieplnych. Źródło zdjęcia: NASA / Northrop Grumman.

Zgromadzenie To jest to, co ogólnie myślisz o samym statku kosmicznym. Zespół utrzymuje całe obserwatorium podczas startu, kontroluje i wskazuje wszystkie różne instrumenty, lustra, anteny i wiele innych. Odpowiada za dane gromadzone, odbierane i przesyłane; odpowiada za obsługę i kierowanie statku kosmicznego. Ale jednym wyjątkowym wyzwaniem, przed którym stoi, jest przepuszczanie prądu przez sam zespół i poruszanie różnymi częściami statku kosmicznego generuje ciepło i generuje ciepło po niewłaściwej stronie osłony przeciwsłonecznej! Teleskop jest skierowany w stronę przeciwną do Słońca, więc nie można tam wyrzucać zużytego ciepła, podczas gdy nie ma cienia (ani miejsca, w którym można zrzucić ciepło) po stronie skierowanej w stronę Słońca. Rozwiązanie polegało na opracowaniu serii cieni do ochrony najważniejszych części obserwatorium - części, które muszą być chłodne - przed innymi częściami statku kosmicznego. Pomyślne znalezienie, zaprojektowanie i wdrożenie najlepszego rozwiązania było jednym z największych emocji, jakie inżynier może doświadczyć w swojej karierze.

Na tym głębokim polu widać wielką różnorodność galaktyk pod względem koloru, morfologii, wieku i nieodłącznych populacji gwiazd. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley i M. Rutkowski (Arizona State University, Tempe), R. O'Connell (University of Virginia), P. McCarthy (Carnegie Observatories), N. Hathi (University of California, Riverside), R. Ryan (University of California, Davis), H. Yan (Ohio State University) i A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute).

Tak, nauka będzie niesamowita. Jak powiedział Garth Illingsworth o tym teleskopie, „w ciągu jednego dnia dowiemy się więcej z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, niż ludzkość obecnie wie” o pierwszych galaktykach we Wszechświecie. Podobnie jak „Kluczowy projekt Hubble'a” nie był nawet największym odkryciem dokonanym przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a, być może dzięki swoim wyjątkowym możliwościom, JWST ujawni jeszcze głębsze sekrety dotyczące Wszechświata, niż to, czego wiemy. Za mniej niż dwa lata zaczniemy się dowiadywać. Ale bez zespołu inżynierów, który zaprojektował, zbudował i wykonał to wszystko z wyjątkową precyzją, w ogóle byśmy tego nie mieli. A po październiku 2018 roku Jon Arenberg i wszyscy, którzy pracowali nad Jamesem Webbem, będą mieli nowe zdjęcie do udostępnienia.

Rakieta Ariane 5 na starterze, tuż przed premierą w październiku 2014 roku, będzie bardzo podobna do premiery Jamesa Webba w październiku 2018 roku. Źródło zdjęcia: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

Rakieta Ariane 5, wystrzeliwująca o świcie, zabierze Jamesa Webba w pełnym słońcu do miejsca docelowego: punktu L2 Lagrange, poza cieniem Ziemi i Księżyca. Tylko przez 32 minuty James Webb będzie pod napięciem; po tym, układy słoneczne zostaną uruchomione i na zawsze będą w bezpośrednim świetle słonecznym. Jego misja ujawnienia Wszechświata zacznie się, a każdy naukowiec i inżynier, który pomógł zaprojektować i zbudować, otrzyma swój uroczysty moment swojego życia.

Ten post pojawił się po raz pierwszy w Forbes i jest dostarczany bez reklam przez naszych zwolenników Patreon. Skomentuj nasze forum i kup pierwszą książkę: Beyond The Galaxy!