Megaprojekter
JWST – James Webb rumteleskop
Mere dybt ind i universet
Nogle megaprojekter involverer gigantiske infrastrukturer, som for eksempel den 27‑kilometer i diameter store cirkel af CERN‑partikelacceleratoren eller det 800‑mil lange neutrino‑eksperiment DUNE.
Andre kan kvalificeres som megaprojekter, ikke på grund af deres størrelse, men på grund af deres enorme kompleksitet, omkostninger og hvor transformative de er for vores forståelse af universet.
Et godt eksempel på dette er James Webb Space Telescope (JWST). Dette infrarøde rumteleskop er det mest kraftfulde og største nogensinde skabte. Teleskopet bærer sit navn fra James E. Webb, den legendariske administrator for NASA fra 1961 til 1968 under Mercury‑, Gemini‑ og Apollo‑programmerne.
Kilde: NASA
JWST er så kraftfuldt, at det lige så godt kan hjælpe os med at observere de allerførste stjerner, der tændtes i universet, og finde potentielt beboelige exoplaneter. For at opnå disse resultater har videnskabsfolk og ingeniører gjort vidundere for at skubbe grænsen for, hvad teleskoper kan opnå.
Hvorfor sætte et teleskop i rummet?
Det første man skal forstå om James Webb Space Telescope er, hvorfor det overhovedet skal være i rummet. At løfte kompleks maskineri op i rummet er nemlig meget sværere end at bygge det samme på Jorden.
Ved at komme ud af atmosfæren kan teleskoper få et udsyn til universet, som ikke forstyrres af lysforurening, atmosfærisk turbulens og naturligvis skyer og vejrmønstre.
Dette er grunden til, at det relativt lille Hubble‑teleskop præsterede så godt sammenlignet med jordbaserede teleskoper. Men dette var ekstra vigtigt for JWST, da dette teleskop måler ikke synligt lys, men infrarødt lys.
Vanddamp i Jordens atmosfære absorberer infrarød stråling. Jordbaserede infrarøde teleskoper placeres typisk på høje bjerge i meget tørre klimaer for at forbedre synligheden, men dette er stadig ikke ideelt og skaber en iboende grænse for, hvad de kan observere.
JWST er den nyeste og langt mest kraftfulde i en række rum‑baserede infrarøde teleskoper, efterfulgt af Infrared Astronomical Satellite (IRAS), Spitzer Space Telescope og Wide‑field Infrared Survey Explorer (WISE).
JWST blev opsendt i 2021 på en fransk Ariane 5‑raket fra Fransk Guyana. En måned senere ankom den til sin destination, Lagrange‑punktet Sun‑Earth L2, omkring 1,5 million kilometer (930 000 miles) fra Jorden.
Lagrange‑punkter er positioner i rummet, der forbliver konstante i forhold til Jorden, selvom de ikke er i Jordens bane. 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 gennem året, så længe det ikke er i retning af Jorden eller Solen; 39 % af himlen er potentielt synlig for Webb på ethvert tidspunkt.
Hvorfor bruge infrarød observation?
Fjerne objekter
For meget fjerne objekter i universet forekommer et fænomen kaldet “rødskift”, som flytter deres lys mod det infrarøde. Så enhver observation af den meget dybe (og dermed meget gamle) del af universet skal udføres 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 tid, som de første galakser dannede. Ved at kigge i infrarødt kan JWST se så langt tilbage i universets historie som de første stjerner, der dannes.
Exoplaneter
Infrarøde observationer har en anden fordel, når det gælder analyse af exoplaneter. JWST vil bære et system kaldet et koronograf: dette vil blokere lyset fra en stjerne, så vi bedre kan se de mindre lyse objekter, der kredser omkring den, som små exoplaneter.
Billedet af en exoplanet vil blot være en prik, ikke et stort panorama.
Kilde: NASA
Lyset fra den prik kan analyseres gennem en metode kaldet spektroskopi, som kan fortælle os sammensætningen af atmosfæren på disse exoplaneter. Ved infrarøde bølgelængder har molekylerne i exoplaneternes atmosfærer det største antal spektrale træk, så vi får langt mere information end ved brug af synligt lys.
Gennem denne metode kunne vi ikke kun bestemme, om planeter i andre solsystemer har vand og CO2, men også metan, ammoniak eller komplekse molekyler, der potentielt indikerer udenjordisk liv.
JWST sammenlignet med Hubble
Med hensyn til observationskapacitet fokuserer JWST primært på nær‑infrarødt lys, men kan også se orange og rødt synligt lys samt midt‑infrarødt område, afhængigt af hvilket instrument der anvendes.
Den kan opdage objekter, der er 100 gange mindre lyse end hvad Hubble kunne. Og i mange tilfælde bruges den til at kigge tilbage på objekter, som Hubble oprindeligt afslørede, for at få nye indsigter om dem.
Dog vil billedskarpheden være sammenlignelig med Hubble, fordi infrarøde billeder i sig selv 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 igennem gas‑skyer, som blokerer synligt lys, men ikke infrarødt. Så JWST’s version af det berømte “Pillars of Creation”-billede i Ørn‑tågen afslører mange stjerner inde i og omkring søjlerne.
Kilde: Webb Telescope
JWST-specifikationer
JWST bærer et 6,5 meter (21 fod) guldbelagt beryllium‑primært spejl, sammensat af 18 separate hexagonale spejle, hvilket giver den sit ikoniske udseende.
Hvert af disse spejle vejer 20 kg (44 pund). Den 100‑nanometer tykke guldbelægning reflekterer infrarødt lys og er dækket af glas for at gøre den tilstrækkeligt modstandsdygtig. Dette giver den et lysindsamlingsareal, der er 6 gange større end Hubbles. I alt blev kun 48,25 g guld (1,7 ounce) brugt.
Kilde: NASA
Webb, i modsætning til Hubble, er ikke designet til at blive serviceret af astronauter, fordi den befinder sig så langt fra Jorden. Som følge heraf er alle kritiske underkomponenter dobbelte, f.eks. to Near‑Infrared‑kameraer, eller er designet til at holde i mange år, som spejlene.
JWST forventes at holde mindst 5 år, med et mål om 10 års drift. Den har dog nok fremdrift (for at blive i Lagrange‑punktet) til i alt 20 år, så den kan holde længere, hvis ingen nøglekomponent fejler.
JWST-budget
I alt kostede James Webb Space Telescope mere end 11 milliarder dollars, mere end 10 gange den oprindelige NASA‑estimat for projektet. Denne prisstigning truede projektets levedygtighed i 2010‑erne, fordi budgettet på det tidspunkt eksploderede til “kun” 6,5 milliarder dollars.
En opsendelse, der oprindeligt var planlagt til 2014, men som endte 7 år for sent, tilføjede til kritikken.
“Den grundlæggende årsag til problemet er, at på tidspunktet for (programmets formelle godkendelse), som går tilbage til juli 2008, var budgettet som NASA blev præsenteret for af projektkontoret grundlæggende fejlbehæftet,” sagde han til journalister i en eftermiddags‑telekonference.
Budgettet indeholdt simpelthen ikke de elementer, som projektet på det tidspunkt allerede kendte til. Så fra et økonomisk synspunkt var det blot utilstrækkeligt til at udføre arbejdet.”
John Casani, en bredt respekteret projektleder ved NASA’s Jet Propulsion Laboratory
Da projektet tog næsten to årtier at blive designet og bygget, gik det dog aldrig over 3 % af NASA’s årlige budget. Det forbrugte dog en tredjedel af NASA’s Astrophysics Division‑budget mellem 2003‑2021.
Og nu, hvor JWST er et af historiens mest imponerende og succesfulde programmer inden for astronomi, er de fleste af disse debatter ved at blive glemt.
JWST’s fantastiske ingeniørkunst
Miste noget vægt
Det første problem, designerne af JWST skulle løse, var at et så stort spejl ville blive for tungt. Hvis de havde genbrugt Hubbles design, ville det have været for tungt til at blive opsendt i rummet.
Derfor blev der valgt at bruge beryllium, som både er stærkt og let nok. En anden faktor var den ekstreme temperatur i det dybe rum, som kunne bøje de ekstremt præcise krumninger på spejlene ud af form.
Beryllium var også en god mulighed, fordi det holder sin form, når det er meget koldt. Så spejlene blev fremstillet med en “forkert” vinkel, som ville bøje sig præcis til den tilsigtede endelige form, når de blev udsat for rummets kulde (-233°C/-388°F).
Kilde: JWST
Hvert spejl vil i sidste ende blive justeret med en præcision svarende til 1/10.000 af tykkelsen på et menneskehår.
Ultralette materialer som kompositter blev også valgt til teleskopets rygsøjle, hvilket sparede yderligere vægt.
Kilde: NASA
Folder op
Et andet stort problem var, at den ekstreme størrelse på teleskopets spejl, som dette design krævede, ikke ville passe i nogen tilgængelig raket.
Derfor blev det tidligt besluttet at folde strukturen ud komponent for komponent, inklusive solskjoldet og spejlene. Hvordan man effektivt kunne folde det hele og få det til at udfolde pålideligt var stadig en udfordring.
NASA‑forskerne hentede inspiration fra origami, den japanske kunst at folde papir, med den endelige løsning i et hexagonalt origami‑mønster.
Dette var en høj‑risiko beslutning for James Webb‑designteamet, da en så kompleks udfoldning aldrig før var gjort. Og enhver fejl ville have ødelagt hele projektet.
Du kan se, hvordan udfoldningen fungerede trin for trin i denne korte JWST‑video:
Solskjold
Da teleskopet observerer sine mål i infrarødt, var beskyttelse mod Solens varme lige så væsentlig som at have spejlene lette nok og korrekt udfoldet.
JWST’s solskjold holder forskellen mellem den varme og kolde side af teleskopet på næsten 315 °C/600 °F, takket være en 5‑lag isolering.
Solskjoldet er så stort som en tennisbane og er lavet af lag af Kapton E (polyimidfilm) med aluminium‑ og dopet‑silicium‑belægninger, som reflekterer Solens varme tilbage ud i rummet.
Telekommunikation
JWST transmitterer sine data tilbage og modtager instruktioner fra Jorden gennem NASA’s Deep Space Network. Dette passerer via jordstationer i Canberra, Madrid og Goldstone.
Webb kan downloade mindst 57,2 gigabyte optaget videnskabeligt data hver dag, med en maksimal datahastighed på 28 megabit per sekund.
Kilde: Webb Telescope
Andre komponenter
Resten af teleskopet var lige så højteknologisk og højtydende. Ærefulde nævnere kan gives til nogle få udstyrsdele:
- Cryocooler: JWST’s midt‑infrarøde (MIRI) sensorer skal fungere ved -266,15 °C/-447 °F, koldere end selv rummets dybde. Så et ekstra kølesystem måtte tilføjes for at køle instrumentet.
- Backplane: Teleskopets rygsøjle vejer 2,4 ton (5.300 pund) og giver den absolut ubevægelige position, som er nødvendig for at tage skarpe billeder. Den er konstrueret til at være stabil ned til 32 nanometer, hvilket er 1/10.000 af diameteren på et menneskehår.
- Micro‑shutters: Dette gitter af 248.000 små porte kan åbnes og lukkes individuelt for at transmittere eller blokere lys. Dette gør det muligt for JWST at observere hundreder af individuelle objekter i et felt af stjerner eller galakser samtidigt. Som resultat kan JWST udføre mange flere observationer inden for en given tidsramme.
JWST’s resultater
I drift i kun få år har JWST allerede fuldstændigt ændret, hvordan astronomer forstår universet. Så selvom det er næsten umuligt at liste alt, hvad den allerede har gjort, er nogle historier værd at fremhæve.
Spredning af ny dannet kulstof
JWST har identificeret to stjerner, der er ansvarlige for at generere kulstof‑rig støv kun 5.000 lysår væk i vores egen Mælkevej. Den opdagede koncentriske sfæriske “skaller”, dannet af de kolliderende sol‑vinde fra de to stjerner, som spreder ny dannet kulstof ud i galaksen.
Kilde: Webb Telescope
Hver skal løber væk fra stjernerne med mere end 1.600 miles per sekund (2.600 kilometer per sekund), næsten 1 % af lysets hastighed. I dette system viser observatoriet, at støvskallerne udvider sig fra år til år.
Teleskopets midt‑infrarøde billeder opdagede skaller, der har bestået i mere end 130 år. Ældre skaller er spredt så meget, at de nu er for svage til at blive opdaget.
Jennifer Hoffman, medforfatter og professor ved University of Denver
Aktive objekter ved kanten af vores solsystem
JWST opdager gasudstødning fra den iskolde “Centaur 29P/Schwassmann‑Wachmann”, et komet‑lignende objekt i nærheden af Neptun.
De opdagede en ny jet af kulilte (CO) og tidligere usete jetstrømme af kuldioxid (CO₂), som giver nye spor om kernen af dette stjerne‑objekt.
Kilde: Webb Telescope
Billede af nærliggende exoplaneter
JWST fangede et direkte billede af en exoplanet kun 12 lysår væk fra os, Epsilon Indi Ab. Planeten har flere gange massen af Jupiter og kredser om en stjerne, der er noget lig vores Sol.
Den er en af de koldeste exoplaneter, der er direkte opdaget, med en anslået gennemsnitstemperatur på 2 °C/35 °F (til sammenligning er Jordens gennemsnitstemperatur 15 °C/59 °F).
“Koldplaneter er meget svage, og det meste af deres udsendelse er i midt‑infrarødt.
Den er en smule varmere og er mere massiv, men den ligner Jupiter mere end nogen anden planet, der hidtil er blevet fotograferet.”
Elisabeth Matthews fra Max‑Planck‑Institut for Astronomi i Tyskland.
Komplekse molekyler i dannende planeter
Samtidig kunne exoplaneten K2‑18 b være en Hycean‑exoplanet, som potentielt kan have en hydrogen‑rig atmosfære og en vand‑dækket overflade.
Exoplaneter som K2‑18 b, som har størrelser mellem Jorden og Neptun, er unikke i forhold til noget i vores solsystem. Vores fund understreger vigtigheden af at overveje forskellige beboelige miljøer i jagten på liv andre steder.”
JWST fandt også flere carbon‑forbindelser, og endda dimethyl‑sulfid i planetens atmosfære.
Kilde: NASA
JWST opdagede for første gang uden for vores solsystem ethan (C₂H₆), samt ethylen (C₂H₄), propyne (C₃H₄) og methyl‑radikalet CH₃ omkring en ung stjerne.
Den foretog også den første opdagelse af tunge grundstoffer fra en stjerne‑sammenstød, hvilket resulterede i den næst‑lyseste gamma‑ray‑burst nogensinde opdaget, eller en kilonova. JWST‑forskerne opdagede tellur i eksplosionens efterspil.
Mest fjerne (ældste) sorte hul nogensinde opdaget
I kombination med NASA’s Chandra X‑ray Observatory opdagede JWST et voksende sort hul kun 470 millioner år efter Big Bang. JWST fandt galaksen, og Chandra det sorte hul selv.
Kilde: NASA
Vi tror, at dette er den første opdagelse af et ‘Outsize Black Hole’, som direkte dannedes fra kollapsen af en enorm gas‑sky.
For første gang ser vi et kortvarigt stadium, hvor et supermassivt sort hul vejer omtrent så meget som stjernerne i dets galakse, før det falder bagud.
Priyamvada Natarajan fra Yale University
JWST’s fremtid
Efter at have fundet og analyseret exoplaneter, går JWST på jagt efter exomoons. Vi ved, at disse planetariske legemer, potentielt større end Jorden i nogle tilfælde, må eksistere, men vi har aldrig haft et instrument, der er følsomt nok til at opdage dem. Gasskæmpe‑exoplaneter som Jupiter er primære kandidater.
JWST vil også undersøge supermassive sorte huller og kvarker, sorte huller der sprøjter fra deres poler med lysets hastighed i stjernemængder af materiale. Teleskopet vil fokusere på meget tidlige eksemplarer af disse stjerne‑fænomener.
Endelig kan studiet af galakser såvel som store strukturer i universet meget tidligt give nye indsigter i naturen af mørkt stof og mørk energi, som i årtier har undsluppet forskernes forståelse.
JWST’s hovedprivate entreprenør
Northrop Grumman Aerospace Systems
(NOC )
Et projekt som JWST er næsten altid resultatet af et internationalt samarbejde, med, i dette tilfælde, deltagelse af NASA, ESA og den Canadiske Rumagentur.
Det involverede også mange entreprenører fra den private sektor, hvor den mest fremtrædende var luft‑ og forsvarsselskabet Northrop Grumman.
Northrop Grumman er mest kendt for skabelsen af det ikoniske B‑2 stealth‑strategibombefly, hvor hver koster næsten en milliard dollars. Dette mere end 20‑år gamle design skal erstattes af B‑21, som stadig er under udvikling.
Virksomheden er også i spidsen for rumteknologi, som illustreret af deres arbejde på det topmoderne James Webb Space Telescope. Virksomheden får størstedelen af sine indtægter fra rum‑ og luftfartsystemer.
Kilde: Northrop
Et andet stort segment er missionssystem‑divisionen, som dækker et bredt udvalg af sensorer, cyberforsvar‑software, sikret kommunikation og C4ISR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance).
Den er også en førende producent af ammunition, fra små kalibre til styrede projektiler og store kalibre.
Northrop Grumman ser frem til sin rolle som leverandør af avancerede våben, med udvikling og implementering af autonome våbensystemer:
- X‑47B, et haler‑løst, kampfly‑størrelse ubemandet luftfartøj.
- Helikopter‑dronen Fire Scout.
- Overvågnings‑droner Global Hawk og MQ‑4C Triton.
- Maritime‑droner Manta Ray og AQS‑24B/C Minehunting System.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), multi‑mission, vedvarende og overkommelig taktisk ubemandet luftfartøj.
Kilde: Northrop
Virksomheden er i spidsen for udviklingen af direkte energivåben (lasere), elektronisk krigsførelse, anti‑drone‑systemer og interkontinentale ballistiske missiler.
Set fra et investerings‑ og finansielt perspektiv har Northrop Grumman øget sit udbytte med 12 % CAGR siden 2014, samtidig med at aktieantallet er reduceret med 31 %. Dette resulterede i 2,6 milliarder dollars i udbytte og aktietilbagekøb i 2023, mens virksomheden genererede 2,1 milliarder dollars i fri cash‑flow.
Northrop Grumman får næsten udelukkende sine indtægter fra det amerikanske forsvarsbudget, hvor NASA udgør 3 % af indtægterne og internationale salg 12 %.
Kilde: Northrop
Hvor virksomheder som RTX og Lockheed leverer størstedelen af US Air Forces slagkraft (jagerfly, missiler, luftforsvar), leverer Northrop Grumman den mest avancerede kapacitet, fra rummet til integreret kommando og stealth‑tunge bombefly.
Og måske snart en betydelig del af de avancerede droner, elektronisk krigsførelse og energivåben også.
Med den voksende betydning af droner og elektronisk krigsførelse vil Northrop sandsynligvis blive stadig mere central for USA’s både offensive og defensive kapaciteter. Og deres nye stealth‑bombefly vil være en nøglefaktor i at holde trit med ligestillede modstandere som Rusland og Kina, hvor spændingerne forbliver meget høje.
