Megaprojektit
JWST - James Webb -avaruusteleskooppi
Securities.io noudattaa tiukkoja toimituksellisia standardeja ja voi saada korvausta tarkistetuista linkeistä. Emme ole rekisteröity sijoitusneuvoja, eikä tämä ole sijoitusneuvontaa. Katso lisätietoja tytäryhtiöiden ilmoittaminen.
Katse syvemmälle universumiin
Jotkut megaprojektit sisältävät jättimäisiä infrastruktuureja, kuten esim. CERNin hiukkaskiihdyttimen halkaisijaltaan 27 kilometriä ympyrä tai 800 mailia pitkä DUNE:n neutrinokoe.
Toiset voidaan luokitella megaprojekteiksi, ei koonsa vuoksi, vaan niiden pelkän monimutkaisuuden, kustannusten ja sen vuoksi, kuinka muuttavat ne ovat universumin ymmärryksemme kannalta.
Hyvä esimerkki tästä on James Webb Space Telescope (JWST). Tämä infrapunavaloon perustuva avaruusteleskooppi on tehokkain ja suurin koskaan luotu. Teleskooppi on saanut nimensä James E. Webbistä, joka oli NASAn legendaarinen ylläpitäjä vuosina 1961–1968 Mercury-, Gemini- ja Apollo-ohjelmien aikana.
Lähde: NASA
JWST on niin voimakas, että se voisi myös auttaa meitä havaitsemaan maailmankaikkeuden ensimmäiset syttyneet tähdet ja löytämään mahdollisesti asumiskelpoisia eksoplaneettoja. Ja saadakseen nämä tulokset tiedemiehet ja insinöörit ovat tehneet ihmeitä ylittääkseen teleskooppien rajoja.
Miksi laittaa teleskooppi avaruuteen?
Ensimmäinen asia, joka on ymmärrettävä James Webb -avaruusteleskoopista, on se, miksi sen on ylipäätään oltava avaruudessa. Loppujen lopuksi monimutkaisten koneiden nostaminen avaruuteen on paljon vaikeampaa kuin saman asian rakentaminen maan päälle.
Poistumalla ilmakehästä kaukoputket voivat saada näkymän maailmankaikkeuteen ilman, että valosaaste, ilmakehän turbulenssi ja tietysti pilvet ja sääolosuhteet häiritsevät.
Tästä syystä suhteellisen pieni Hubble-teleskooppi suoriutui niin hyvin maassa sijaitseviin teleskooppeihin verrattuna. Mutta tämä oli erityisen tärkeää JWST:lle, koska tämä kaukoputki ei mittaa näkyvää valoa, vaan infrapunavaloa.
Maan ilmakehän vesihöyry absorboi infrapunasäteilyä. Maanpäälliset infrapunateleskoopit sijoitetaan yleensä korkeille vuorille ja erittäin kuiviin ilmastoihin näkyvyyden parantamiseksi, mutta tämä ei vieläkään ole ihanteellista ja luo luonnostaan rajoituksia sille, mitä ne voivat havaita.
JWST on uusin ja ylivoimaisesti tehokkain avaruuspohjaisten infrapunateleskooppien sarjassa Infrapuna tähtitieteellinen satelliitti (IRAS), Spitzer-avaruusteleskooppi, ja Laajakenttäinen infrapuna-kyselyn tutkija (VIISAS).
JWST laukaistiin vuonna 2021 ranskalaisella Ariane 5 -kantoraketilla Ranskan Guyanasta. Kuukautta myöhemmin se saapui määränpäähänsä, Sun-Earth L2 Lagrange -pisteeseen, noin 1.5 miljoonan kilometrin (930,000 XNUMX mailia) päähän Maasta.
Lagrange-pisteet ovat paikkoja avaruudessa, jotka pysyvät vakiona Maahan verrattuna, vaikka ne eivät ole Maan kiertoradalla. Tällä hetkellä toinen Lagrange-piste (L1) on käytössä DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
Lähde: NOAA
JWST:n sijainti tarkoittaa, että se voi tarkkailla melkein mitä tahansa pistettä taivaalla ympäri vuoden, kunhan se ei ole Maan ja Auringon suunnassa; Webb voi nähdä 39 % taivaasta milloin tahansa.
Miksi käyttää infrapunahavainnointia?
Kaukaisia esineitä
Universumin hyvin kaukana olevissa kohteissa tapahtuu "punasiirtymä"-niminen ilmiö, joka siirtää niiden valoa kohti infrapunaa. Joten kaikki maailmankaikkeuden erittäin syvän (ja siksi hyvin muinaisen) osan havainnot on yleensä tehtävä valospektrin infrapunaosassa.
Lähde: SciTech Daily
Tämän ilmiön vuoksi Hubble pystyi näkemään vain niin pitkälle etäisyyteen ja ajassa taaksepäin kuin ensimmäiset galaksit muodostuivat. Infrapunaan katsomalla JWST näkee maailmankaikkeuden historiassa niin pitkälle kuin ensimmäiset tähdet muodostuvat.
eksoplaneettojen
Infrapunahavainnoilla on toinen etu, mitä tulee eksoplaneettojen analyysiin tällä kertaa. JWST:ssä on koronagrafi-niminen järjestelmä: tämä estää tähdestä tulevan valon, jolloin voimme nähdä paremmin pienten eksoplaneettojen tavoin kiertävät vähemmän kirkkaat kohteet.
Kuva eksoplaneettasta olisi vain paikka, ei upea panoraama.
Lähde: NASA
Silti tuosta pisteestä tulevaa valoa voidaan analysoida spektroskopia-nimisellä menetelmällä, joka voi kertoa meille näiden eksoplaneettojen ilmakehän koostumuksen. Infrapuna-aallonpituuksilla eksoplaneettojen ilmakehässä olevilla molekyyleillä on eniten spektriominaisuuksia, joten saamme paljon enemmän tietoa kuin näkyvää valoa käytettäessä.
Tämän menetelmän avulla emme voi vain määrittää, onko muiden aurinkokuntien planeetoilla vettä ja hiilidioksidia2 mutta myös metaania, ammoniakkia tai monimutkaisia molekyylejä, jotka voivat viitata muukalaiseen elämään.
JWST Hubbleen verrattuna
Havainnointikykynsä osalta JWST keskittyy enimmäkseen lähi-infrapunavaloon, mutta se voi nähdä myös oranssia ja punaista näkyvää valoa sekä keski-infrapuna-aluetta käytettävästä instrumentista riippuen.
Se voi havaita esineitä, jotka ovat 100 kertaa kirkkaampia kuin Hubble. Ja monissa tapauksissa sitä käytetään katsomaan taaksepäin Hubblen alun perin paljastamiin esineisiin saadakseen niistä uusia näkemyksiä.
Kuvan terävyys on kuitenkin verrattavissa Hubbleen, koska infrapunakuvat ovat luonnostaan vähemmän teräviä kuin näkyvä valo pitkien aallonpituuksien vuoksi.
Toinen ero näiden kahden ikonisen teleskoopin välillä on se, että JWST pystyy näkemään kaasupilvien läpi, jotka estävät näkyvää valoa, mutta ei infrapunaa. Niinpä JWST:n versio kuuluisasta Luomisen pilarit -kuvasta Kotkasumussa paljastaa monia tähtiä pilarien sisällä ja ympärillä.
Lähde: Webb-teleskooppi
JWST:n tiedot
JWST kantaa 6.5 metrin (21 jalkaa) kullalla päällystettyä beryllium-pääpeiliä, joka koostuu 18 erillisestä kuusikulmaisesta peilistä, mikä antaa sille sen ikonisen ilmeen.
Jokainen näistä peileistä painaa 20 kg (44 puntaa). 100 nanometrin kultapinnoite heijastaa infrapunavaloa ja on peitetty lasilla, jotta se kestää tarpeeksi. Tämä antaa sille valonkeräysalueen, joka on 6x suurempi kuin Hubble. Kultaa käytettiin yhteensä vain 48.25 g (1.7 unssia).
Lähde: NASA
Webbia, toisin kuin Hubblea, ei ole suunniteltu astronautien huollettavaksi, koska se on pitkän etäisyyden päässä Maasta. Tämän seurauksena kaikki tärkeät osakomponentit ovat kaksiosaisia, esimerkiksi kaksi lähi-infrapunakameraa, tai ne on suunniteltu kestämään useita vuosia kuten peilit.
JWST:n odotetaan kestävän vähintään 5 vuotta, ja tavoitteena on 10 vuoden toiminta. Siinä on kuitenkin tarpeeksi ponneainetta (pysyäkseen Lagrange-pisteessä) yhteensä 20 vuodeksi, joten se voi kestää pidempään, jos mikään avainosa ei mene rikki.
JWST budjetti
Yhteensä, James Webb -avaruusteleskooppi maksoi yli 11 miljardia dollaria, yli 10 kertaa NASAn tälle hankkeelle antama alkuperäinen arvio. Tämä hintalapun räjähdys uhkasi hankkeen kannattavuutta 2010-luvulla, koska (silloin) budjetti kasvoi räjähdysmäisesti "vain" 6.5 miljardiin dollariin.
Aluksi vuodelle 2014 suunniteltu laukaisu, joka lopulta oli 7 vuotta myöhässä, lisäsi kritiikkiä.
”Ongelman perimmäinen syy on se, että (ohjelman virallisen hyväksynnän) aikaan, joka ulottuu heinäkuuhun 2008, projektitoimiston NASAlle esittämä budjetti oli pohjimmiltaan virheellinen”, hän kertoi toimittajille iltapäivän puhelinkonferenssissa.
Budjetti ei yksinkertaisesti sisältänyt sitä sisältöä, josta projekti edes tiesi tuolloin. Ja niin rahan kannalta se ei vain riittänyt työn suorittamiseen."
John Casani, NASAn suihkumoottorilaboratorion laajalti arvostettu projektipäällikkö
Koska projektin suunnittelu ja rakentaminen kesti lähes kaksi vuosikymmentä, se ei kuitenkaan koskaan ylittänyt 2 prosenttia NASAn vuosibudjetista. Se kulutti kuitenkin kolmanneksen NASAn astrofysiikan osaston budjetista vuosina 3–1.
Ja nyt kun JWST on yksi historian vaikuttavimmista ja menestyneimmistä tähtitieteen ohjelmista, useimmat näistä keskusteluista unohtuvat.
JWST:n hämmästyttävä tekniikka
Laihduttaa hieman
Ensimmäinen JWST:n suunnittelijoiden ratkaistava ongelma oli, että niin suuri peili oli liian painava. Jos he olisivat käyttäneet Hubblen suunnittelua uudelleen, se olisi ollut liian painava laukaistavaksi avaruuteen.
Tästä syystä valittiin berylliumia, joka on sekä riittävän vahvaa että kevyttä. Toinen tekijä oli syvän avaruuden äärimmäinen lämpötila, joka saattoi taivuttaa muotonsa peilien vaaditun erittäin tarkan kaarevuuden.
Beryllium oli hyvä vaihtoehto myös täällä, koska se lakkaa vaihtamasta muotoaan todella kylmällä. Joten peilit valmistettiin "väärällä" kulmalla, joka taipuisi täsmälleen aiottuun lopulliseen muotoon altistuessaan avaruuden kylmälle (-233°C/-388°F).
Lähde: JWST
Jokainen peili olisi viime kädessä kohdistettu tarkkuudella, joka vastaa 1/10,000 XNUMX:aa ihmisen hiuksen paksuudesta.
Ultrakevyet materiaalit, kuten komposiitit, valittiin myös teleskoopin rungoksi, mikä säästää painoa.
Lähde: NASA
Taitettava ylös
Toinen suuri ongelma oli, että tämän mallin vaatima kaukoputken peilin äärimmäinen koko ei mahdu mihinkään saatavilla olevaan rakettiin.
Joten varhaisessa vaiheessa päätettiin avata rakenne komponentti kerrallaan, mukaan lukien aurinkosuoja ja peilit. Se, miten kokonaisuus taitetaan tehokkaasti ja avautuu luotettavasti, oli edelleen huolenaihe.
NASAn tutkijat saivat inspiraationsa origamista, japanilaisesta taittopaperin taiteesta, ja lopullisena valinnana oli kuusikulmainen origami-kuvio.
Tämä oli suuren riskin päätös James Webb -suunnittelutiimille, sillä näin monimutkaista avautumista ei ollut koskaan ennen tehty. Ja mikä tahansa epäonnistuminen olisi tuhonnut koko projektin.
Tässä lyhyessä JWST-videossa voit nähdä kuinka avautuminen toimi askel askeleelta:
aurinkoverho
Koska teleskooppi tarkkailee kohteitaan infrapunalla, sen suojaaminen Auringon lämmöltä oli yhtä tärkeää kuin peilien riittävän valoisuus ja kunnolla auki avattuina.
JWST:n aurinkosuoja pitää kaukoputken kuuman ja kylmän puolen välisen lämpötilaeron lähes 315 °C:ssa viisikerroksisen eristyksen ansiosta.
Aurinkosuoja on tenniskentän kokoinen ja valmistettu Kapton E (polyimidikalvo) kerroksista alumiini- ja seospiipinnoitteilla heijastamaan auringon lämpöä takaisin avaruuteen.
Tietoliikenne
JWST lähettää datansa takaisin ja vastaanottaa ohjeita Maasta NASAn Deep Space Networkin kautta. Network kulkee Canberrassa, Madridissa ja Goldstonessa sijaitsevien maa-asemien ohi.
Webb voi linkittää vähintään 57.2 gigatavua tallennettua tiededataa joka päivä, maksimidatanopeuden ollessa 28 megabittiä sekunnissa.
Lähde: Webb-teleskooppi
Muut komponentit
Muu osa kaukoputkesta oli yhtä korkean teknologian ja korkean suorituskyvyn tasoa. Kunniamaininnat voidaan antaa muutamalle laitteelle:
- Kryojäähdytin: JWST:n keski-infrapuna (MIRI) anturit täytyy toimia -266.15 °C:ssa/-447 °F:ssa, kylmemmässä kuin avaruuden syvyydessä. Joten ylimääräinen jäähdytysjärjestelmä piti lisätä instrumentin jäähdyttämiseksi.
- taustalevy: Teleskoopin selkäranka painaa 2.4 tonnia (5,300 32 puntaa) ja tarjoaa absoluuttisen liikkumattoman asennon, jota teleskooppi tarvitaan terävien kuvien ottamiseksi. Se suunniteltiin tasaiseksi 1 nanometriin asti, mikä on 10,000/XNUMX XNUMX ihmisen hiuksen halkaisijasta.
- Mikrokaihtimet: tämä 248,000 XNUMX pienen oven verkko voidaan avata ja sulkea yksitellen valon lähettämiseksi tai estämiseksi. Tämän ansiosta JWST voi tarkkailla samanaikaisesti satoja yksittäisiä kohteita tähtien tai galaksien kentässä samanaikaisesti. Tämän seurauksena JWST voi suorittaa paljon enemmän havaintoja tietyn ajanjakson aikana.
JWST:n saavutukset
Vain muutaman vuoden toiminut JWST on jo täysin muuttanut tapaa, jolla tähtitieteilijät ymmärtävät maailmankaikkeuden. Joten vaikka on lähes mahdotonta luetella kaikkea, mitä se jo teki, muutama tarina on lisäkohonnan arvoinen.
Vastamuodostetun hiilen leviäminen
JWST on tunnistanut kaksi tähteä, jotka ovat vastuussa hiilipitoisen pölyn tuottamisesta vain 5,000 XNUMX valovuoden päässä omassa Linnunradassamme. Se havaitsi samankeskisiä pallomaisia "kuoria", jotka muodostuivat kahden tähden törmäämisestä aurinkotuuleen levittäen vasta muodostunutta hiiltä galaksiin.
Lähde: Webb-teleskooppi
Jokainen kuori juoksee pois tähdistä yli 1,600 2,600 mailia sekunnissa (1 XNUMX kilometriä sekunnissa), mikä on lähes XNUMX % valon nopeudesta. Tässä järjestelmässä observatorio osoittaa, että pölykuoret laajenevat vuodesta toiseen.
Teleskoopin keski-infrapunakuvat havaitsivat kuoret, jotka ovat säilyneet yli 130 vuotta. Vanhemmat kuoret ovat hajonneet niin paljon, että ne ovat nyt liian himmeitä havaittavaksi."
Jennifer Hoffman, toinen kirjoittaja ja professori Denverin yliopistosta
Aktiiviset kohteet aurinkokuntamme reunalla
JWST havaitsee kaasun ulospuhalluksen jäisestä "Centaur 29P/Schwassmann-Wachmannista", komeetan kaltaisesta esineestä Neptunuksen läheisyydessä.
He löysivät uuden hiilimonoksidisuihkun (CO) ja ennen näkemättömiä hiilidioksidikaasusuihkuja (CO2), jotka antavat uusia vihjeitä tähtiobjektin ytimen luonteesta.
Lähde: Webb-teleskooppi
Kuva lähellä olevista eksoplaneetoista
JWST sai suoran kuvan vain 12 valovuoden päässä meistä sijaitsevasta eksoplaneettasta, Epsilon Indi Ab:sta. Planeetta on useita kertoja Jupiterin massa, ja se kiertää Auringon kaltaista tähteä.
Se on yksi kylmimmistä suoraan havaituista eksoplaneetoista, ja sen arvioitu keskilämpötila on 2 °C (vertailukohtana Maan keskilämpötila on 35 °C).
"Kylmät planeetat ovat hyvin himmeitä, ja suurin osa niiden säteilystä on keski-infrapunassa.
Se on hieman lämpimämpi ja massiivisempi, mutta muistuttaa enemmän Jupiteria kuin mikään muu planeetta, joka on tähän mennessä kuvattu.
Elisabeth Matthews Max Planckin tähtitieteen instituutista Saksasta.
Monimutkaiset molekyylit muodostavat planeettoja
Samaan aikaan eksoplaneetta K2-18 b voisi olla hycean-eksoplaneetta, jolla on potentiaalia omistaa vetyä sisältävä ilmakehä ja veden valtameren peittämä pinta.
Eksoplaneetat, kuten K2-18 b, joiden koko on Maan ja Neptunuksen välillä, ovat erilaisia aurinkokunnassamme. Tuloksemme korostavat, kuinka tärkeää on ottaa huomioon monipuoliset asuinympäristöt etsiessään elämää muualta."
JWST löysi myös useita hiiliyhdisteitä ja jopa dimetyylisulfidia planeetan ilmakehästä.
Lähde: NASA
JWST löydettiin ensimmäistä kertaa aurinkokuntamme ulkopuolelta etaani (C2H6), sekä eteeni (C2H4), propyyni (C3H4) ja metyyliradikaali CH3 nuoren tähden ympärillä.
Se teki myös ensimmäisen havainnon raskaita alkuaineita tähtien yhdistymisestä, mikä johti toiseksi kirkkaimpaan koskaan havaittuun gammapurkaukseen eli kilonovaan. JWST:n tutkijat havaitsivat telluuria räjähdyksen jälkimainingeissa.
Kauimpana (muinaisin) koskaan havaittu musta aukko
Yhdessä NASAn Chandra-röntgenobservatorion kanssa JWST havaitsi kasvavan mustan aukon vain 470 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. JWST löysi galaksin ja Chandra itse mustan aukon.
Lähde: NASA
Uskomme, että tämä on ensimmäinen "Outsize Black Hole" -havainto, joka syntyi suoraan valtavan kaasupilven romahtamisesta.
Ensimmäistä kertaa näemme lyhyen vaiheen, jossa supermassiivinen musta aukko painaa suunnilleen yhtä paljon kuin sen galaksissa olevat tähdet, ennen kuin se jää jälkeen."
Priyamvada Natarajan Yalen yliopistosta
JWST:n tulevaisuus
Löydettyään ja analysoituaan eksoplaneettoja JWST lähtee etsimään eksokuuta. Tiedämme, että nämä planeettakappaleet, jotka voivat joissain tapauksissa olla suurempia kuin Maa, täytyy olla olemassa, mutta meillä ei ole koskaan ollut tarpeeksi herkkää instrumenttia niiden havaitsemiseksi. Kaasumaiset jättimäiset eksoplaneetat, kuten Jupiter, ovat parhaita ehdokkaita.
JWST tutkii myös supermassiivisia mustia aukkoja ja kvasaareita, mustia aukkoja, jotka sylkevät navoistaan valon tähden arvoisen ainemäärän nopeudella. Teleskooppi keskittyy näiden tähtiilmiöiden hyvin varhaisiin näytteisiin.
Lopuksi, galaksien ja maailmankaikkeuden laajamittaisten rakenteiden tutkiminen hyvin varhaisessa vaiheessa voisi luoda uusia näkemyksiä pimeän aineen ja pimeän energian luonteesta, joka näyttää jäävän tutkijoilta pois vuosikymmeniä.
JWST:n pääurakoitsija
Northrop Grumman Aerospace Systems
Northrop Grumman Corporation (NOC -1.88%)
JWST:n kaltainen projekti on lähes aina kansainvälisen yhteistyön tulosTässä tapauksessa NASA, ESA ja Kanadan avaruusjärjestö osallistuvat.
Siihen osallistui myös monia yksityisen sektorin urakoitsijoita, joista merkittävin oli ilmailu- ja puolustusalan yritys Northrop Grumman.
Northrop Grumman on tunnetuin luomisesta ikoninen B-2-varkain strateginen pommikone, jokainen maksaa lähes miljardi dollaria. Tämä on yli 20 vuotta vanha malli korvataan B-21:llä, joka on edelleen kehitteillä.
Yritys on myös avaruusteknologian kärjessä, kuten sen huippumodernin James Webbin avaruusteleskoopin parissa tekemä työ osoittaa. Yhtiö saa suurimman osan liikevaihdostaan avaruus- ja ilmailujärjestelmistä.
Lähde: northrop
Toinen suuri segmentti on tehtäväjärjestelmäosasto, joka kattaa laajan valikoiman antureita, kyberpuolustusohjelmistoja, suojattua viestintää ja C4ISR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance ja Reconnaissance).
Se on myös johtava ammusten valmistaja pienestä kaliiperista ohjattuihin ammuksiin ja suurikaliipereihin.
Northrop Grumman odottaa innolla asemaansa kehittyneiden aseiden toimittajana itsenäisten asejärjestelmien kehittäminen ja käyttöönotto:
- X-47B, hännäntön, iskevä hävittäjäkokoinen miehittämätön lentokone.
- Helikopteri drone Fire Scout.
- Valvontadronit Global Hawk ja MQ-4C Triton.
- Merenkulun droonit Rausku ja AQS-24B/C miinanetsintäjärjestelmä.
- Bat miehittämätön lentokonejärjestelmä (UAS), monitoimiset, pitkäkestoiset ja edulliset taktiset miehittämättömät lentokoneet.
Lähde: northrop
Yritys on kehityksen kärjessä suoran energian aseet (laserit), sähköinen sodankäynti, drone-vastaisia järjestelmiäja mannertenväliset ballistiset ohjukset.
Sijoittamisesta ja taloudellisesta näkökulmasta katsottuna Northrop Grumman on kasvattanut osinkoaan 12 % CAGR vuodesta 2014 ja samalla vähentänyt osakemäärää 31 %. Tämä johti 2.6 miljardin dollarin osinkoon ja osakkeiden takaisinostoihin vuonna 2023, kun taas yhtiö toi 2.1 miljardia dollaria vapaata kassavirtaa.
Northrop Grumman saa lähes yksinomaan tulonsa Yhdysvaltain puolustusbudjetista, NASAn osuus liikevaihdosta on 3 % ja kansainvälisestä myynnistä 12 %.
Lähde: northrop
Kun RTX:n ja Lockheedin kaltaiset yritykset tarjoavat suurimman osan Yhdysvaltain ilmavoimien iskuista (hävittäjäkoneet, ohjukset, ilmapuolustus), Northrop Grumman tarjoaa edistyksellisimmän kapasiteetin avaruudesta integroituihin komento- ja varkain raskaisiin pommikoneisiin.
Ja ehkä pian myös merkittävä osa kehittyneistä droneista, elektronisesta sodankäynnistä ja energia-aseista.
Droonien ja elektronisen sodankäynnin merkityksen kasvaessa Northropista tulee todennäköisesti yhä keskeisempi osa Yhdysvaltojen sekä hyökkäys- että puolustuskykyä. Ja sen uudet häivepommittajat ovat avaintekijä pysyäkseen vauhdissa vertaisvastustajien, kuten Venäjän ja Kiinan, kanssa, joiden kanssa jännitteet ovat edelleen erittäin korkealla.
