JWST – James Webb-rumteleskopet

Ser dybere ind i universet

Nogle megaprojekter involverer gigantiske infrastrukturer, som f.eks. cirklen på 27 kilometer i diameter af CERN-partikelacceleratoren eller 800 kilometer langt neutrinoeksperiment af DUNE.

Andre kan kvalificeres som megaprojekter, ikke på grund af deres størrelse, men på grund af deres rene kompleksitet, omkostninger og hvor transformative de er for vores forståelse af universet.

Et godt eksempel på dette er James Webb Space Telescope (JWST). Dette rumbaserede teleskop med infrarødt lys er det mest kraftfulde og største nogensinde skabt. Teleskopet har fået sit navn fra James E. Webb, den legendariske administrator af NASA fra 1961 til 1968 under programmerne Mercury, Gemini og Apollo.

Kilde: NASA

JWST er så kraftig, at den lige så godt kunne hjælpe os med at observere de allerførste stjerner, der er antændt i universet, og finde potentielt beboelige exoplaneter. Og for at opnå disse resultater har videnskabsmænd og ingeniører gjort underværker for at skubbe grænsen for, hvad teleskoper kunne opnå.

Hvorfor sætte et teleskop i rummet?

Den første ting at forstå om James Webb-rumteleskopet er, hvorfor det skal være i rummet i første omgang. Når alt kommer til alt, er det meget sværere at løfte komplekse maskiner ud i rummet end at bygge det samme nede på Jorden.

Ved at gå ud af atmosfæren kan teleskoper få et udsyn over universet uforstyrret af lysforurening, atmosfærisk turbulens og selvfølgelig skyer og vejrmønstre.

Dette er grunden til, at det relativt lille Hubble-teleskop klarede sig så godt sammenlignet med jordbaserede teleskoper. Men dette var ekstra vigtigt for JWST, da dette teleskop ikke måler synligt lys, men infrarødt lys.

Vanddamp i Jordens atmosfære absorberer infrarød stråling. Jordbaserede infrarøde teleskoper placeres typisk på høje bjerge og i meget tørre klimaer for at forbedre sigtbarheden, men dette er stadig ikke ideelt og skaber en iboende grænse for, hvad de kan observere.

JWST er den seneste og langt mest kraftfulde i rækken af ​​rumbaserede infrarøde teleskoper, efter Infrarød astronomisk satellit (IRAS), den Spitzer rumteleskop, og Wide-field Infrarød Survey Explorer (KLOG).

JWST blev lanceret i 2021 på en fransk Ariane 5 løfteraket fra Fransk Guyana. En måned senere ankom den til sin destination, Sun-Earth L2 Lagrange-punktet, omkring 1.5 millioner kilometer (930,000 miles) fra Jorden.

Lagrangepunkter er positioner i rummet, der forbliver konstante sammenlignet med Jorden, på trods af at de ikke er i kredsløb om Jorden. I øjeblikket bruges et andet Lagrange-punkt (L1) af DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.

Kilde: NOAA

JWST's position betyder, at den kan observere næsten ethvert punkt på himlen i løbet af året, så længe den ikke er i retning af Jorden og Solen; 39 % af himlen er potentielt synlig for Webb til enhver tid.

Hvorfor bruge infrarød observation?

Fjerne objekter

For meget fjerne objekter i universet opstår et fænomen kaldet "rødforskydning", der flytter deres lys mod det infrarøde. Så enhver observation af den meget dybe (og derfor meget gamle) del af universet har en tendens til at skulle foretages i den infrarøde del af lysspektret.

Kilde: SciTech Daily

På grund af dette fænomen kunne Hubble kun se så langt i afstand og tilbage i tiden, da de første galakser blev dannet. Ved at se på infrarødt kan JWST se så langt i universets historie, som de første stjerner dannes.

exoplaneter

Infrarøde observationer har en anden fordel med hensyn til analysen af ​​exoplaneter denne gang. JWST vil bære et system kaldet en coronagraph: dette vil blokere lyset, der kommer fra en stjerne, så vi bedre kan se de mindre lyse objekter, der kredser som små exoplaneter.

Billedet af en exoplanet ville bare være et sted, ikke et storslået panorama.

Kilde: NASA

Alligevel kan lyset fra det sted analyseres gennem en metode kaldet spektroskopi, som kan fortælle os sammensætningen af ​​atmosfæren af ​​disse exoplaneter. Ved infrarøde bølgelængder har molekylerne i atmosfæren på exoplaneter det største antal spektrale træk, så vi vil få meget mere information, end når vi bruger synligt lys.

Kilde: ESA

Gennem denne metode kunne vi ikke kun afgøre, om planeter i andre solsystemer har vand og CO₂ men også metan, ammoniak eller komplekse molekyler, der potentielt indikerer fremmed liv.

JWST sammenlignet med Hubble

Med hensyn til dets observationsevne er JWST for det meste fokuseret på nær-infrarødt lys, men kan også se orange og rødt synligt lys og mellem-infrarødt område, afhængigt af det anvendte instrument.

Den kan registrere objekter, der er 100 gange mindre lysstærke, end Hubble kunne. Og i mange tilfælde bruges det til at se tilbage på genstande, som Hubble afslørede i første omgang for at få ny indsigt om dem.

Billedets skarphed vil dog være sammenlignelig med Hubble på grund af det faktum, at infrarøde billeder i sagens natur er mindre skarpe end synligt lys på grund af de længere bølgelængder.

En anden forskel mellem de to ikoniske teleskoper er, at JWST kan se gennem gasskyer, hvilket blokerer synligt lys, men ikke infrarødt. Så JWSTs version af det berømte billede af Skabelsens Søjler i Ørnetågen afslører mange stjerner indeni og omkring søjlerne.

Kilde: Webb teleskop

JWST specifikationer

JWST bærer et 6.5 meter (21 fod) guldbelagt primært berylliumspejl, der består af 18 separate sekskantede spejle, hvilket giver det dets ikoniske udseende.

Hvert af disse spejle vejer 20 kg (44 pund). Den 100 nanometer guldbelægning giver infrarød lysreflektion og er dækket af glas for at gøre den modstandsdygtig nok. Dette giver den et lysopsamlingsområde 6x større end Hubble. I alt blev der kun brugt 48.25 g guld (1.7 ounce).

Kilde: NASA

Webb er i modsætning til Hubble ikke designet til at blive serviceret af astronauter på grund af dens lange afstand fra Jorden. Som følge heraf er alle de kritiske underkomponenter dobbelte, for eksempel to nær-infrarøde kameraer, eller designet til at holde i mange år ligesom spejlene.

JWST forventes at vare mindst 5 år med et mål om 10 års drift. Den har dog nok drivmiddel (til at blive i Lagrange-punktet) i i alt 20 år, så den kan holde længere, hvis ingen nøgledel svigter.

JWST budget

I alt, James Webb Space Telescope endte med at koste mere end $11B, mere end 10 gange NASA's oprindelige skøn for dette projekt. Denne prisseddeleksplosion truede projektets levedygtighed i 2010'erne, på grund af det (dengang) budget, der eksploderede til "kun" $6.5 mia.

En lancering, der oprindeligt var planlagt til 2014, i sidste ende 7 år forsinket, tilføjede kritikken.

"Den grundlæggende årsag til problemet er, at på tidspunktet for (programmets formelle godkendelse), som går tilbage til juli 2008, var det budget, som NASA fik præsenteret for af projektkontoret, grundlæggende mangelfuldt," fortalte han journalister i en telekonference om eftermiddagen.

Budgettet indeholdt simpelthen ikke det indhold, som projektet overhovedet kendte til på det tidspunkt. Og så fra et pengesynspunkt var det bare utilstrækkeligt til at udføre arbejdet."

John Casani, en bredt respekteret projektleder ved NASAs Jet Propulsion Laboratory

Da projektet tog næsten to årtier at designe og bygge, oversteg det dog aldrig 2% af NASAs årlige budget. Det forbrugte dog 3/1 af NASAs budget for astrofysikafdelingen mellem 3-2003.

Og nu hvor JWST er et af historiens mest imponerende og succesfulde programmer inden for astronomi, bliver de fleste af disse debatter glemt.

JWSTs fantastiske ingeniørkunst

At tabe sig noget

Det første problem at løse for designerne af JWST var, at et så stort spejl ville være for tungt. Hvis de havde genbrugt Hubbles design, ville det have været for tungt til at blive sendt ud i rummet.

Derfor valgte man at bruge beryllium, som både er stærkt og let nok. En anden faktor var den ekstreme temperatur i det dybe rum, som kunne bøje ud af form den krævede ekstremt præcise krumning af spejlene.

Beryllium var også en god mulighed her, fordi det holder op med at ændre form, når det er rigtig koldt. Så spejlene blev fremstillet med en "forkert" vinkel, som ville bøje nøjagtigt til den tilsigtede endelige form, når de blev udsat for rummets kulde (-233°C/-388°F).

Kilde: JWST

Hvert spejl ville i sidste ende blive justeret til en præcision svarende til 1/10,000 af tykkelsen af ​​et menneskehår.

Ultralette materialer som kompositter blev også valgt til rygraden i teleskopet, hvilket sparer yderligere vægt.

Kilde: NASA

Fold op

Et andet stort problem var, at den ekstreme størrelse af teleskopspejlet, der kræves af dette design, ikke ville passe i nogen tilgængelig raket.

Så det blev tidligt besluttet at folde strukturen ud komponent for komponent, herunder solskærmen og spejlene. Hvordan man folder det hele effektivt og får det til at udfolde sig pålideligt, var stadig en bekymring.

NASA-forskere tog inspiration fra origami, den japanske kunst at folde papir, og det endelige valg gik til et sekskantet origami-mønster.

Dette var en højrisikobeslutning for James Webbs designteam, da en så kompleks udfoldelse aldrig var blevet gjort før. Og enhver fiasko ville have dømt hele projektet.

Du kan se, hvordan udfoldelsen fungerede trin-for-trin i denne korte JWST-video:

solskærm

Da teleskopet observerer sine mål i infrarødt, var det lige så vigtigt at beskytte det mod solens varme som at have spejlene lette nok og korrekt udfoldet.

JWST's solskærm holder forskellen mellem teleskopets varme og kolde side på næsten 315°C/600°F takket være en 5-lags isolering.

Solskærmen er så stor som en tennisbane og lavet af lag af Kapton E (polyimidfilm) med aluminium og dopet siliciumbelægninger for at reflektere solens varme tilbage i rummet.

Kilde: NASA

Telekommunikation

JWST sender sine data tilbage og modtager instruktioner fra Jorden via NASAs Deep Space Network. Dette passerer forbi jordstationer i Canberra, Madrid og Goldstone.

Webb kan downlinke mindst 57.2 gigabyte registrerede videnskabelige data hver dag med en maksimal datahastighed på 28 megabit pr. sekund.

Kilde: Webb teleskop

Andre komponenter

Resten af ​​teleskopet var ikke mindre højteknologisk og højtydende. Hæderlige omtaler kan gives til nogle få stykker udstyr:

• Kryokøler: JWSTs mellem-infrarøde (MIRI) sensorer skal fungere ved -266.15°C/-447°F, koldere end selv rummets dybder. Så der skulle tilføjes et ekstra kølesystem for at køle instrumentet.
• Bundkort: Rygraden i teleskopet vejer 2.4 tons (5,300 pund) og giver den absolutte ubevægelige position, der er nødvendig for, at teleskopet kan tage skarpe billeder. Det blev konstrueret til at være stabilt ned til 32 nanometer, hvilket er 1/10,000 af diameteren af ​​et menneskehår.
• Mikro-skodder: dette gitter med 248,000 små døre kan åbnes og lukkes individuelt for at transmittere eller blokere lys. Dette gør det muligt for JWST at observere hundredvis af individuelle objekter i et felt af stjerner eller galakser samtidigt. Som et resultat kan JWST udføre meget flere observationer i et givet tidsrum.

JWST's præstationer

I drift i blot et par år har JWST allerede fuldstændig ændret, hvordan astronomer forstår universet. Så selvom det er næsten umuligt at opremse alt, hvad det allerede gjorde, er et par historier værd at fremhæve yderligere.

Spredning af nydannet kulstof

JWST har identificeret to stjerner, der er ansvarlige for at generere kulstofrigt støv blot 5,000 lysår væk i vores egen Mælkevejsgalakse. Den opdagede koncentriske sfæriske "skaller" dannet af de to stjerners kolliderende solvinde, der spredte nydannet kulstof ind i galaksen.

Kilde: Webb teleskop

Hver skal ræser væk fra stjernerne med mere end 1,600 miles i sekundet (2,600 kilometer i sekundet), næsten 1 % af lysets hastighed. I dette system viser observatoriet, at støvskallerne udvider sig fra det ene år til det andet.

Teleskopets mellem-infrarøde billeder opdagede skaller, der har varet ved i mere end 130 år. Ældre skaller er forsvundet nok til, at de nu er for svage til at opdage."

Jennifer Hoffman, medforfatter og professor ved University of Denver

Aktive objekter på kanten af ​​vores solsystem

JWST registrerer gasudslip fra iskolde "Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann", et kometlignende objekt i nærheden af ​​Neptun.

De opdagede en ny stråle af kulilte (CO) og hidtil usete stråler af kuldioxid (CO2) gas, som giver nye ledetråde til arten af ​​stjerneobjektets kerne.

Kilde: Webb teleskop

Billede Af Nærliggende Exoplaneter

JWST fangede et direkte billede af en exoplanet kun 12 lysår væk fra os, Epsilon Indi Ab. Planeten er flere gange så stor som Jupiter og kredser om en stjerne, der ligner vores sol noget.

Det er en af ​​de koldeste exoplaneter, der er blevet direkte observeret, med en estimeret gennemsnitstemperatur på 2°C/35°F (til reference er Jordens gennemsnitstemperatur 15°C/59°F).

"Kolde planeter er meget svage, og det meste af deres emission er i det mellem-infrarøde.

Den er lidt varmere og er mere massiv, men ligner mere Jupiter end nogen anden planet, der er blevet afbildet indtil videre."

Elisabeth Matthews fra Max Planck Instituttet for Astronomi i Tyskland.

Komplekse molekyler i dannelse af planeter

I den protoplanetariske skive, der dannes omkring en stjerne 1,350 lysår væk i Oriontågen, påviste JWST methylkation (CH3+).

I mellemtiden kunne exoplaneten K2-18 b være en hyceansk exoplanet, en som har potentialet til at besidde en brintrig atmosfære og en vandhav-dækket overflade.

Exoplaneter som K2-18 b, der har størrelser mellem Jordens og Neptuns, er ulig noget i vores solsystem. Vores resultater understreger vigtigheden af ​​at overveje forskellige beboelige miljøer i søgen efter liv andre steder."

Nikku Madhusudhan, en astronom ved University of Cambridge

JWST fandt også flere kulstofforbindelser og endda dimethylsulfid i planetens atmosfære.

Kilde: NASA

JWST fundet for første gang uden for vores solsystem ethan (C2H6), samt ethylen (C2H4), propyn (C3H4) og methylradikalet CH3 omkring en ung stjerne.

Den foretog også den første detektering af tunge grundstoffer fra en stjernesammensmeltning, hvilket resulterede i det næstklareste gammaglimt nogensinde, eller en kilonova. JWST's forskere detekterede tellur i efterdønningerne af eksplosionen.

Det fjerneste (gamle) sorte hul nogensinde opdaget

I samarbejde med NASAs Chandra røntgenobservatorium opdagede JWST et voksende sort hul blot 470 millioner år efter Big Bang. JWST fandt galaksen, og Chandra selve det sorte hul.

Kilde: NASA

Vi tror, ​​at dette er den første påvisning af et 'Outsize Black Hole', der er dannet direkte fra kollapset af en enorm gassky.

For første gang ser vi en kort fase, hvor et supermassivt sort hul vejer omtrent lige så meget som stjernerne i sin galakse, før det falder bagud."

Priyamvada Natarajan fra Yale University

JWSTs fremtid

Efter at have fundet og analyseret exoplaneter, går JWST på jagt efter exomoons. Vi ved, at disse planetariske kroppe, potentielt større end Jorden i nogle tilfælde må eksistere, men aldrig havde et instrument, der var følsomt nok til at opdage dem. Gasformige gigantiske exoplaneter som Jupiter er primære kandidater.

JWST vil også undersøge supermassive sorte huller og kvasarer, sorte huller, der spytter fra deres poler med lysets hastighed, stjerne-værdig mængde stof. Teleskopet vil fokusere på meget tidlige eksemplarer af disse stjernefænomener.

Endelig kunne studier af galakser såvel som store strukturer i universet meget tidligt skabe ny indsigt i naturen af ​​mørkt stof og mørk energi, som ser ud til at undslippe videnskabsmænd i årtier nu.

JWST's primære private entreprenør

Northrop Grumman Aerospace Systems

Et projekt som JWST er næsten altid resultatet af et internationalt samarbejde, med, i dette tilfælde, deltagelse af NASA, ESA og den canadiske rumfartsorganisation.

Det involverede også mange entreprenører fra den private sektor, hvor den mest fremtrædende var rumfarts- og forsvarsvirksomheden Northrop Grumman.

Northrop Grumman er mest berømt for skabelsen af den ikoniske B-2 stealth strategisk bombefly, hver af dem koster næsten en milliard dollars. Dette mere end 20 år gamle design vil blive erstattet af B-21, som stadig er under udvikling.

Virksomheden er også på kanten af ​​rumteknologi, som illustreret af dets arbejde på det avancerede James Webb-rumteleskop. Virksomheden henter størstedelen af ​​sine indtægter fra rum- og luftfartssystemer.

Kilde: Northrop

Et andet stort segment er mission systems divisionen, der dækker en bred vifte af sensorer, cyberforsvarssoftware, sikker kommunikation og C4ISR (kommando, kontrol, kommunikation, computere, efterretninger, overvågning og rekognoscering).

Det er også en førende producent af ammunition, fra lille kaliber til styrede projektiler og stor kaliber.

Northrop Grumman ser frem til sin position som leverandør af avancerede våben, med udvikling og indsættelse af autonome våbensystemer:

• X-47B, et haleløst, strejke-jager-størrelse ubemandet fly.
• Helikopterdronen Ildspejder.
• Overvågningsdroner Global Hawk og MQ-4C Triton.
• Maritime droner Djævlerokke og AQS-24B/C minejagtsystem.
• Bat Unmanned Aircraft System (UAS), multi-mission, vedvarende og overkommelige taktiske ubemandede flysystemer.

Kilde: Northrop

Virksomheden er på kanten af ​​udviklingen af direkte energivåben (lasere), elektronisk krigsførelse, anti-drone systemerog interkontinentale ballistiske missiler.

Fra et investerings- og finansielt synspunkt har Northrop Grumman øget sit udbytte med 12 % CAGR siden 2014, samtidig med at det har reduceret aktieantallet med 31 %. Dette resulterede i $2.6 mia. i udbytte og aktietilbagekøb i 2023, mens virksomheden genererede $2.1 mia. i frit cash flow.

Northrop Grumman henter næsten udelukkende sine indtægter fra det amerikanske forsvarsbudget, hvor NASA udgør 3 % af omsætningen og det internationale salg 12 %.

Kilde: Northrop

Hvor virksomheder som RTX og Lockheed leverer hovedparten af ​​det amerikanske luftvåbens slagkraft (jagerfly, missiler, luftforsvar), leverer Northrop Grumman den mest avancerede kapacitet, fra rummet til integreret kommando og stealth tunge bombefly.

Og måske snart også en væsentlig del af den avancerede drone, elektronisk krigsførelse og energivåben.

Med den stigende betydning af droner og elektronisk krigsførelse vil Northrop sandsynligvis blive stadig mere central for USA's både offensive og defensive kapaciteter. Og dets nye stealth-bombefly vil være en nøglefaktor i at holde trit med konkurrenter som Rusland og Kina, med hvem spændingerne fortsat er meget høje.