Inimkonna uus teravsilm kosmoses - James Webbi teleskoop läbib juba sügavkülmutuskatsetusi

James Webb on kosmoseteleskoop, mis on oma eelkäijast Hubble kosmoseteleskoobist ligikaudu 100 korda tundlikum, alustas sügavkülmutuskatsetuste seeriat. See on taas samm pikale kosmosereisile lähemale.

Vahendab Eesti kosmoseveeb

James Webbi kosmoseteleskoop, ehk lühidalt JWST (James Webb Space Telescope) on NASA, ESA ja Kanada kosmoseagentuuride ühine projekt, mis annab pärast kosmosesse lennutamist 2018. aasta teisel poolel inimkonnale ennenägematult teravad silmad ja seda nii tohutusse kaugusesse kui ka kaugesse minevikku vaatamise osas. Uuel kosmosetelskoobil on neli eesmärki:

• 1) uurida valgust, mida kiirgasid varajased tähed ja galaktikad pärast Universumi sündi;
• 2) uurida galaktikate tekkimist ja nende arengut;
• 3) uurida täpsemini tähtede ja planeetide tekkimise protsessi;
• 4) uurida planeetide süsteeme ja elu tekkimise võimalusi eksoplaneetidel.

Projekti ajagraafik ja eelarve

JWST projekti eealrvest, nagu kõikide suuremate kosmoseprojektide eelarvest, räägitakse palju. Ajakirjanduses kohtab erinevaid numbreid ning tähtaegu. Teada on aga, et projekti planeerimist alustati vähemasti 1997. aastal või isegi veel varem, siis hinnati projekti mahuks 1,6 miljardit USD ning valmimisajaks planeeriti aasta 2007. 2011. aastaks oli eelarveprojektsioon kerkinud juba 8,8 miljardi USDni ning planeeritud stardiajaks sai 2018. aasta, mis näib endiselt realistlik olevat.

Põhjusi, miks suured projektid venivad, on kindlasti mitmeid, kuid peamised on reeglina rahastuse kõrge politiseerituse tase ja ebakindlus kuni projekti lõpuni, samuti koostöölepingu võitnud ettevõtete ühinemised ja ülevõtmised, mida juhtub kaitse- ja kosmosetööstuses tihti. Enamasti pole probleemiks üldsegi mitte tehnilised küsimused, vaid erinevate tasandite otsustajate isiksuste vahelised erisused. Hetkel on projekti peatöövõtja USA kaitsetööstuse mammutfirma Northrop Grumman.

Teleskoobi ehitamiseks oli vaja luua täiesti uusi testimiseks, komplekteerimiseks ja transpordiks vajalikke seadmeid ja rajatisi. Samuti ehitati teleskoobist mitmeid insenerikoopiaid, mida kutsutakse "rajaleidjateks" ning mille eesmärk oli disaini vead täiuslikkuseni välja juurida. Ehitati isegi identne miniatuurne ja töötav mudel. Tulemus - suur raamkonstruktsioon võimadlab apertuuri täpsust, mis on võrdne 1/10 000 inimese juuksekarva jämedusega.

JWST ülesehitus ja aparatuur

Teleskoop koosneb kolmes suuremast moodulist
1. Raamkonstruktsioon, ehk bus koos instrumentidega. Instrumente on teleskoobil mitu: NIR (near infrared) kaamera, NIR spektromeeter, MIR (multiband infrared) kaamera ja spektrograaf, NIR komplektinstrument, mis koosneb omakorda täppisorientatsiooni sensorist, NIR kaamerast ja spektrograafist.
NIR kaamera peaks olema võimeline uurima tuhme objekte kuni +29 magnituudini ja säriajaga kuni 10 000 sekundit. Uuritava valguse lainepikkuse vahemik on 0,6 - 5 mikromeetrit ((600 - 5000 nm). See suudab kahes vaatenurgas korraga nii vaadelda kui pildistada. Lainefront, mida see eristada suudab, on 93 nm, mis on inimese juuksekavast tuhandeid kordi õhem. Katsetustel on selgunud, et kaamera tegelik täpsus on 32 ja 52 nm vahel.

2. Teleskoobi optiline element
Peapeegel koosneb 18st kuusnurksest peegelplaadist, millest igaühe kõrgus servast servani on 1,32 m. See moodustab efektiivse 6,5 m läbimõõduga apertuuri pindalaga 27 m2. Elemendi sekundaarpeegel koosneb f/20 suhtarvuga anastigmaatilisest optikast, mis vähendab ise äärealade moonutusi. Kogu süsteemi f suhtarv on 16,67 ja fookuskaugus 131,4m.

Optiline element on tehtud berülliumist, mis on äärmiselt kerge ja tugev metall, kuid samas ka habras ning selle töötlemine on inimesele väga ohtlik. Teleskoobi peeglid on kaetud vaid 1000 aatomi paksuse kullakihiga, et optimeerida peegli infrapunase valguse peegeldusomadusi.

3. Päikesevari
Päikesevari on viiekihiline ning lahtipakituna üle 21m pikk ja 14m lai. Selle eesmärk on kaitsta peeglit ja instrumente, mis peavad töötama temperatuuril alla -230 C, et soojus ning valgus instrumente ei pimestaks. Päikesevarju kihid koosnevad polüamiidkilest, mille üks külg on kaetud alumiinimumiga, teine silikooniga.

Teleskoobi ehitamiseks oli vaja luua täiesti uusi testimise, komplekteerimise ja transpordi seadmeid ja rajatisi. Samuti ehitati teleskoobist mitmeid insenerikoopiaid, mida kutsutakse rajaleidjateks, millel disaini vead täiuslikkuseni välja juurida. Ehitati isegi identne miniatuurne töötav mudel. Suur konstruktsioon võimaldab täpsust, mis on võrdne 1/10 000 inimese juuksekarva läbimõõdust.

JWST tehniline võimekus

Astronoomid kasutavat JWST saadud infot selleks, et saada Universumist rohkem teada eelkõige nähtava valguse pika lainepikkuse äärealadelt, nagu infrapunasest spektrist. Selles valguses uuritakse nii planeete, kaugemaid tähti kui naabergalaktikaid.

JWST peab Hubble’i kosmosteleskoobi (saadeti kosmosesüstikuga Discovery kosmosesse 1990. aasta aprillis) avastused uuele tasemele viima, olles soma eelkäijast 100 korda tundlikum ja teravam. Teleskoobi sensorid on nii tundlikud, et nende pimestamise vältimiseks on vaja lisaks päikesevalgusele varjata ka valgus, mis Maa ja Kuu peegeldustest neile paistaks. Instrumentide taset selgitab ka võrdlus, et kui teha galaktikate vaatlusseeria, mis Spitzeri teleskoobiga (mis on samuti infrapunase valguse teleskoop ning mis lennutati kosmosesse aastal 2003) 550 tunnist säriaega, siis JWSTga võtaks sama valgustatusega fotode säritamine aega vaid 30 minutit.

Infrapunane valgusspekter võimaldab uurida eriti kaugeid piirkondi, kuna nendelt aladelt meieni jõudvad valguslained on vaadeldava objekti ja meie päikesesüsteemi omavahelise kaugenemise tõttu pikemaks nihkunud ja seetõttu vaadeldav vaid infrapunases valgusspektris. Sisuliselt on tegu optikas täpselt sarnase muundumisfenomeniga, nagu on heli puhul täheldatav sireenidel töötava ning samal ajal kaugeneva auto heli moondumisel, ehkki sireen kõlab autos viibijale kogu aeg ühesuguselt. Selle efekti nimetus ingl k on red shift. Samuti võimaldab infrapunane valgusspekter sama efekti mõjul kosmoses paremini läbi näha udukogudest, millest nähtav valgus läbi ei tule ja seetõttu peaks olema võimalik näha kaugeid alasid nõnda nagu need nägid välja väga kaua aega tagasi, pärast Universumi sündi.

Näiteks kui Universum on oma mõõtmetelt võrreldes varajase noorusega tänaseks 20 korda paisunud, siis on selle ajaga kaugenemisest tekkinud ning algselt meie poolt teele asunud valguse lainepikkuse moondumine võimalik täpselt välja arvutada ja vaadelda objekte nõnda nagu need nägid välja perioodil peale Universumi sündi. Samuti võimaldab Webb teleskoop eksoplaneete paremini avastada ning isegi nende atmosfääri koostist, planeedi kodutähe poolt läbi selle atmosfääri läbinud valguse põhjal tuvastada.

Projekti hetkeseis
Teleskoop valmis Goddardis, kuid läheb põhjalikule krüogeensele katsetuste seeriale NASA Johnsoni kosmosekeskusesse. Seejärel reisib teleskoop Los Angeleses asuvasse Northrop Grummani testkeskusesse, kus talle liidetakse külge alumine päikesevari ning tugisüsteeme sisaldav moodul, mida kutsutakse inglise keeles bus.

Teleskoop saadetakse teele ESA Ariane 5 raketiga 2018. aastal Prantsuse Guajaanast. Kuna see saadetakse Päikese ja Maa omavahelisele gravitatsiooniväljade tasakaalupunktile (L2), mis asub Maast ca 1 500 000 km kaugusel Päikesele vastupidises suunas, annab raketi start ekvatoriaalsest piirkonnast Maa suurema pöörlemiskiiruse tõttu saadetisele olulise lisaimpulsi, mida teistelt, Maakera pooluste pool asuvatelt stardiplatvormidelt saavutada pole võimalik. Kui kõik kulgeb plaanipäraselt, jõuab teleskoop sihtpunkti pärast ligikaudu kahenädalast reisi ning alustab tööd ümber L2 punkti tiireldes 2018. aasta lõpul.

Uuri teema kohta lisa:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/nasas-webb-telescope-summertime-deep-freeze-continues
https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope