Megahankkeet
JWST – James Webb -avaruusteleskooppi
Syvempi katsaus maailmankaikkeuteen
Jotkut megaprojektit sisältävät valtavia infrastruktuureja, kuten esimerkiksi 27 kilometrin halkaisijaltaan olevan CERN‑hiukkaskiihdyttimen ympyrän tai 800 mailin pituisen DUNE‑neutriiniekperimentin.
Toiset voidaan luokitella megaprojekteiksi ei niiden koon, vaan puhtaasti monimutkaisuuden, kustannusten ja sen perusteella, kuinka mullistavia ne ovat ymmärrykseemme maailmankaikkeudesta.
Hyvä esimerkki tästä on James Webb -avaruusteleskooppi (JWST). Tämä infrapunasäteilyä hyödyntävä avaruusteleskooppi on voimakkain ja suurin koskaan rakennettu. Teleskooppi saa nimensä James E. Webbiltä, legendaariselta NASA:n hallintovirkailijalta vuosina 1961–1968 Mercury‑, Gemini‑ ja Apollo‑ohjelmien aikana.
Lähde: NASA
JWST on niin voimakas, että se voi yhtä hyvin auttaa meitä tarkkailemaan aivan ensimmäisiä tähtiä, jotka syttyivät maailmankaikkeudessa, ja löytämään mahdollisesti asuttavia eksoplaneettoja. Saavuttaakseen nämä tulokset tiedemiehet ja insinöörit ovat tehneet ihmeitä venyttäessään teleskooppien mahdollisuuksia äärirajoille.
Miksi laittaa teleskooppi avaruuteen?
Ensimmäinen asia, jonka on ymmärrettävä James Webb -avaruusteleskoopista, on miksi sen täytyy olla avaruudessa. Loppujen lopuksi monimutkaisen laitteiston nostaminen avaruuteen on paljon vaikeampaa kuin sen rakentaminen maassa.
Kun teleskooppi poistuu ilmakehästä, se näkee maailmankaikkeuden ilman valosaasteen, ilmakehän turbulenssin ja tietysti pilvien ja sääolosuhteiden aiheuttamaa häiriötä.
Tämä on syy siihen, miksi suhteellisen pieni Hubble‑teleskooppi suoriutui niin hyvin verrattuna maassa oleviin teleskooppeihin. Tämä oli erityisen tärkeää JWST:lle, koska tämä teleskooppi mittaa ei näkyvää valoa, vaan infrapunasäteilyä.
Maan ilmakehän vesihöyry absorboi infrapunasäteilyä. Maassa olevat infrapuna‑teleskoopit sijoitetaan yleensä korkeille vuorille ja erittäin kuiviin ilmastoihin näkyvyyden parantamiseksi, mutta se ei ole ihanteellista ja asettaa itsessään rajan havaittavalle.
JWST on uusin ja selvästi voimakkain avaruuspohjainen infrapuna‑teleskooppi, joka jatkaa Infrared Astronomical Satellite (IRAS):n, Spitzer Space Telescope– ja Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) -linjaa.
JWST lanseerattiin vuonna 2021 ranskalaisella Ariane 5 -kantajalla Ranskan Guayanassa. Kuukauden kuluttua se saapui kohteeseensa, Aurinko‑Maa‑L2‑Lagrangen pisteeseen, noin 1,5 miljoonaa kilometriä (930 000 mailia) Maasta.
Lagrangen pisteet ovat avaruudessa olevia paikkoja, jotka pysyvät vakiona suhteessa Maahan, vaikka ne eivät kierrä Maan ympärillä. Tällä hetkellä toinen Lagrangen piste (L1) on käytössä DSCOVR: Deep Space Climate Observatory -satelliitilla.
Lähde: NOAA
JWST:n sijainti tarkoittaa, että se voi tarkkailla lähes mitä tahansa taivaan kohtaa vuoden aikana, kunhan se ei ole Maan tai Auringon suunnassa; 39 % taivaasta on potentiaalisesti nähtävissä Webbille milloin tahansa.
Miksi käyttää infrapuna‑havaintoa?
Kaukaiset kohteet
Hyvin kaukaisilla maailmankaikkeuden kohteilla tapahtuu ilmiö nimeltä ”punainen siirtymä”, joka siirtää niiden valon infrapunasäteilyyn. Siksi syvän (ja siten hyvin ikivanhan) osan maailmankaikkeudesta tarkkailu täytyy tehdä infrapunasäteilyn alueella.
Lähde: SciTech Daily
Tämän ilmiön vuoksi Hubble pystyi näkemään vain niin kauas etäisyyden ja ajan suhteen kuin ensimmäiset galaksit muodostuivat. Katsomalla infrapunasäteilyssä JWST voi nähdä yhtä kauas maailmankaikkeuden historiassa kuin ensimmäiset tähdet muodostuvat.
Eksoplaneet
Infrapuna‑havainnoilla on toinen etu, kun tarkastellaan eksoplaneettoja. JWST:ssä on järjestelmä nimeltä koronaalinen maski: se estää tähden valon, jolloin voimme nähdä paremmin vähemmän kirkkaita kohteita, kuten pieniä eksoplaneettoja, jotka kiertävät tähteä.
Eksoplaneetan kuva olisi vain piste, ei laaja panorama.
Lähde: NASA
Silti kyseisen pisteen valoa voidaan analysoida spektroskopian avulla, mikä kertoo eksoplaneettojen ilmakehän koostumuksesta. Infrapunasäteilyn aallonpituuksilla eksoplaneettojen ilmakehän molekyyleillä on eniten spektrisiä piirteitä, joten saamme paljon enemmän tietoa kuin käyttäen näkyvää valoa.
Tämän menetelmän avulla voimme paitsi määrittää, onko planeetoilla vettä ja CO2, myös metaania, ammoniakkia tai monimutkaisia molekyylejä, jotka mahdollisesti viittaavat avaruuselämään.
JWST verrattuna Hubbleen
Havainnointikyvyltään JWST keskittyy pääasiassa lähinäkö‑infrapunasäteilyyn, mutta se voi myös nähdä oranssia ja punaista näkyvää valoa sekä keski‑infrapunasäteilyn alueen, riippuen käytetystä instrumentista.
Se pystyy havaitsemaan kohteita, jotka ovat 100‑kertaa himmeämpiä kuin Hubble pystyi. Monissa tapauksissa sitä käytetään katsomaan takaisin kohteita, jotka Hubble paljasti alun perin, saadakseen uusia oivalluksia niistä.
Kuitenkin kuvan terävyys on verrattavissa Hubbleen, koska infrapuna‑kuvat ovat luontaisesti vähemmän teräviä kuin näkyvä valo pidempien aallonpituuksien takia.
Toinen ero näiden kahden ikonisen teleskoopin välillä on se, että JWST pystyy näkemään läpi kaasupilvien, jotka estävät näkyvän valon, mutta eivät infrapunan. Joten JWST:n versio kuuluisasta Pillars of Creation -kuvasta Eagle‑nebulaassa paljastaa monia tähtiä pylväiden sisällä ja ympärillä.
Lähde: Webb Telescope
JWST:n tekniset tiedot
JWST:ssä on 6,5 metrin (21 jalkaa) kultapinnoitettu beryllium‑pääpeili, joka koostuu 18:sta erillisestä kuusikulmaisesta peilistä, antaen sille ikonisen ulkonäön.
Jokainen näistä peileistä painaa 20 kg (44 paunaa). 100 nanometrin kultapinnoite heijastaa infrapunasäteilyä ja on suojattu lasilla, jotta se on riittävän kestävä. Tämä antaa keräysalueen, joka on 6‑kertainen Hubbleen verrattuna. Yhteensä käytettiin vain 48,25 g kultaa (1,7 unssia).
Lähde: NASA
Webb, toisin kuin Hubble, ei ole suunniteltu astronauttien huollettavaksi, koska se on niin kaukana Maasta. Tämän seurauksena kaikki kriittiset alikomponentit ovat kaksinkertaisia, esimerkiksi kaksi lähi‑infrapuna‑kameraa, tai ne on suunniteltu kestämään vuosikymmeniä kuten peilit.
JWST:n odotetaan kestävän vähintään 5 vuotta, tavoitteena 10 vuotta toimintaa. Sillä on kuitenkin riittävästi propelliä (pysyäkseen Lagrangen pisteessä) yhteensä 20 vuotta, joten se voi kestää pidempään, jos mikään keskeinen osa ei epäonnistu.
JWST:n budjetti
Yhteensä James Webb -avaruusteleskoopin kustannukset ylittivät 11 miljardia $, yli 10‑kertaisesti NASA:n alkuperäisen arvion. Tämä hintojen räjähdys uhkasi projektin elinkelpoisuutta 2010‑luvuilla, koska (silloin) budjetti oli “vain” 6,5 miljardia $.
Laukaisu, joka alun perin suunniteltiin vuodelle 2014, myöhästyi lopulta 7 vuotta, lisäten kritiikkiä.
“Ongelman perimmäinen syy on, että (ohjelman virallisessa hyväksynnässä), joka vie takaisin heinäkuuhun 2008, NASA:lle esitetty budjetti oli periaatteessa virheellinen,” hän kertoi toimittajille iltapäivän puhelinkonferenssissa.
Budjetti ei yksinkertaisesti sisältänyt sisältöä, jonka projekti itsekin tiesi tuolloin. Ja taloudellisesta näkökulmasta se oli vain riittämätön työn toteuttamiseen.”
John Casani, laajalti arvostettu projektipäällikkö NASA:n Jet Propulsion Laboratoryssa
Kun projekti kesti lähes kaksi vuosikymmentä suunnittelussa ja rakentamisessa, se ei kuitenkaan koskaan ylittänyt 3 % NASA:n vuotuisesta budjetista. Se kulutti kuitenkin kolmanneksen NASA:n astrofysiikan osaston budjetista vuosina 2003‑2021.
Ja nyt kun JWST on yksi historian vaikuttavimmista ja menestyneimmistä tähtitieteen ohjelmista, suurin osa näistä kiistoista on unohtumassa.
JWST:n hämmästyttävä tekniikka
Painon vähentäminen
Ensimmäinen ongelma, jonka JWST:n suunnittelijoiden täytyi ratkaista, oli se, että näin suuri peili olisi ollut liian raskas. Jos he olisivat käyttäneet Hubble‑suunnitelmaa, se olisi ollut liian painava avaruuteen laukaisemiseen.
Tämän takia päätettiin käyttää berylliä, joka on sekä vahvaa että kevyttä. Toinen tekijä oli syvän avaruuden äärimmäinen lämpötila, joka voisi vääntää peilien vaaditun tarkasti muotoillun kaarevuuden.
Beryllium oli myös hyvä valinta, koska se ei muutu muotoaan kovin kylmässä. Peilit valmistettiin ”väärällä” kulmalla, joka taipui tarkkaan haluttuun lopulliseen muotoon, kun ne altistuivat avaruuden kylmälle (-233°C/-388°F).
Lähde: JWST
Jokainen peili kohdistettiin lopulta tarkkuudella, joka on 1/10 000 osaa ihmisen hiuksen paksuudesta.
Ultra‑kevyt materiaali, kuten komposiitit, valittiin myös teleskoopin runkoon, mikä säästi lisää painoa.
Lähde: NASA
Taittaminen
Toinen merkittävä ongelma oli se, että teleskoopin peilin äärimmäinen koko ei mahtunut mihinkään saatavilla olevaan rakettiin.
Joten päätettiin varhaisessa vaiheessa avata rakenne komponentti kerrallaan, mukaan lukien aurinkosuoja ja peilit. Kuinka taittaa koko tehokkaasti ja saada se avautumaan luotettavasti oli edelleen huolenaihe.
NASA:n tiedemiehet ammensivat inspiraatiota origamista, japanilaisesta paperin taittelutaiteesta, ja lopullinen valinta kohdistui kuusikulmaiseen origamikuviolle.
Tämä oli korkean riskin päätös James Webb -suunnittelutiimille, sillä tällaista monimutkaista avautumista ei oltu koskaan aiemmin tehty. Ja mikä tahansa epäonnistuminen olisi tuominnut koko projektin.
Voit nähdä, miten avautuminen toimi vaihe vaiheelta tässä lyhyessä JWST‑videossa:
Auringosuoja
Koska teleskooppi tarkkailee kohteitaan infrapunasäteilyssä, sen suojaaminen Auringon lämmöltä oli yhtä tärkeää kuin peilien keveyden ja oikean avautumisen varmistaminen.
JWST:n aurinkosuoja pitää kuuman ja kylmän puolen välistä lämpötilaerot lähes 315 °C/600 °F, kiitos viisi‑kerroksisen eristyksen.
Aurinkosuoja on yhtä suuri kuin tenniskenttä ja se on valmistettu Kapton E‑kerroksista (polyimidi‑kalvo), joissa on alumiini‑ ja piidioppa‑pinnoitteita heijastamaan Auringon lämpö takaisin avaruuteen.
Telekommunikaatio
JWST lähettää tietonsa takaisin Maahan ja vastaanottaa ohjeita NASA:n Deep Space Networkin kautta. Tämä kulkee maastopysäkkien kautta Canberrassa, Madridissa ja Goldstonessa.
Webb voi ladata vähintään 57,2 gigatavua tallennettua tieteellistä dataa päivittäin, enimmäistietovirta on 28 megabittiä sekunnissa.
Lähde: Webb Telescope
Muut komponentit
Loppuosa teleskoopista ei ollut vähemmän huipputekninen ja suorituskykyinen. Mainitsemisen arvoisia on muutama laite:
- Cryocooler: JWST:n keski‑infrapuna‑(MIRI)‑sensorit tarvitsevat toimia -266,15 °C/-447 °F, kylmemmässä kuin avaruuden syvyydet. Siksi instrumenttiin lisättiin ylimääräinen jäähdytysjärjestelmä.
- Backplane: Teleskoopin runko painaa 2,4 tonnia (5 300 paunaa) ja tarjoaa absoluuttisen liikkumattoman asennon, jota tarvitaan terävien kuvien ottamiseen. Se on suunniteltu vakaaksi 32 nanometrin tarkkuudella, mikä on 1/10 000 osaa ihmisen hiuksen halkaisijasta.
- Micro-shutters: tämä 248 000:n pienen oven ruudukko voidaan avata ja sulkea yksittäin valon läpäisemiseksi tai estämiseksi. Tämä mahdollistaa JWST:n tarkkailla samanaikaisesti satoja yksittäisiä kohteita tähtien tai galaksien kentässä. Tämän seurauksena JWST voi suorittaa paljon enemmän havaintoja annetussa ajassa.
JWST:n saavutukset
Toiminnassa vain muutaman vuoden ajan JWST on jo täysin muuttanut tapaa, jolla tähtitieteilijät ymmärtävät maailmankaikkeutta. Joten, vaikka on lähes mahdotonta luetella kaikkea, mitä se on jo tehnyt, muutama tarina ansaitsee lisähuomiota.
Uudelleen muodostuneen hiilen leviäminen
JWST on tunnistanut kaksi tähteä, jotka ovat vastuussa hiilirikkaan pölyn muodostamisesta vain 5 000 valovuoden päässä omassa Linnunradassamme. Se havaitsi kuperaavat pallomaiset ”kuoret”, jotka muodostuvat kahden tähden törmäävien aurinkotuulien seurauksena ja levittävät juuri muodostunutta hiiltä galaksiin.
Lähde: Webb Telescope
Jokainen kuori liikkuu pois tähdistä yli 1 600 mailia sekunnissa (2 600 km/s), lähes 1 % valon nopeudesta. Tässä järjestelmässä observatorio näyttää, että pölykuoret laajenevat vuodesta toiseen.
Teleskoopin keski‑infrapuna‑kuvat havaitsivat kuoria, jotka ovat kestäneet yli 130 vuotta. Vanhemmat kuoret ovat hajonneet niin, että ne ovat nyt liian himmeitä havaittaviksi.”
Jennifer Hoffman, yhteisjulkaisija ja Denverin yliopiston professori
Aktiiviset kohteet aurinkokuntamme reunalla
JWST havaitsee kaasun poistumista jäisestä ”Centaur 29P/Schwassmann‑Wachmann” -objektista, komeetta‑maisen kohteen läheisyydessä Neptunusta.
He löysivät uuden hiilimonoksidi‑ (CO) suihkun ja aiemmin näkemättömiä hiilidioksidi‑ (CO₂) suihkuja, jotka antavat uusia vihjeitä kohteen ytimen luonteesta.
Lähde: Webb Telescope
Läheisten eksoplaneettojen kuva
JWST otti suoran kuvan eksoplaneetasta, joka on vain 12 valovuoden päässä meistä, Epsilon Indi Ab. Planeetta on useita kertoja Jupiterin massainen ja kiertää tähteä, joka on melko samankaltainen kuin meidän Aurinkomme.
Se on yksi kylmimmistä suoraan havaituista eksoplaneetoista, jonka arvioitu keskilämpötila on 2 °C/35 °F (vertailun vuoksi Maan keskilämpötila on 15 °C/59 °F).
“Kylmät planeetat ovat erittäin himmeitä, ja suurin osa niiden säteilystä on keski‑infrapuna‑alueella.
Se on hieman lämpimämpi ja massiivisempi, mutta se muistuttaa enemmän Jupiteria kuin mitään muuta tähän mennessä kuvattua planeettaa.”
Elisabeth Matthews, Max Planck Institute for Astronomy, Saksa.
Monimutkaiset molekyylit muodostuvissa planeetoissa
Sillä välin eksoplaneetta K2‑18 b voisi olla Hycean‑eksoplaneetta, jolla on mahdollisuus omaan vety‑rikkaaseen ilmakehään ja vesialtaisiin peitettyyn pintaan.
Eksoplaneetat kuten K2‑18 b, joiden koko on Maan ja Neptunuksen välillä, ovat poikkeuksellisia aurinkokunnassamme. Löytömme korostavan monimuotoisten asuttavien ympäristöjen merkityksen elämän etsimisessä muualla.
JWST löysi myös useita hiilikompponeja, ja jopa dimetyylisulfiidia planeetan ilmakehästä.
Lähde: NASA
JWST löysi ensimmäistä kertaa aurinkokuntamme ulkopuolelta etanin (C₂H₆), sekä etyleenin (C₂H₄), propyynin (C₃H₄) ja metyyli‑radikaalin CH₃ nuoren tähden ympäriltä.
Se teki myös ensimmäisen havainnon raskaista alkuaineista tähden yhdistymisestä, mikä johti toiseen kirkkaimpaan gamma‑säde‑purkaukseen, tai kilonovaan. JWST:n tiedemiehet havaitsivat telluuria räjähdyksen jälkeisessä vaiheessa.
Kauimpana (muinaisena) havaittu musta aukko
Yhdistettynä NASA:n Chandra‑X‑säteilyteleskooppiin, JWST havaitsi kasvavan mustan aukon vain 470 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. JWST löysi galaksin ja Chandra mustan aukon itse.
Lähde: NASA
Uskomme, että tämä on ensimmäinen havainto ”Outsize Black Hole” -tyyppisestä mustasta aukosta, joka muodostui suoraan valtavan kaasupilven romahtamisesta.
Ensimmäistä kertaa näemme lyhyen vaiheen, jossa supermassiivinen musta aukko painaa suunnilleen yhtä paljon kuin sen galaksin tähdet ennen kuin se alkaa pudota taakse.”
Priyamvada Natarajan, Yale‑yliopisto
JWST:n tulevaisuus
Eksoplaneettojen löytäminen ja analysointi jälkeen JWST lähtee metsästämään eksokuulet. Tiedämme, että nämä planeettamaiset kappaleet, jotka voivat olla joissakin tapauksissa suurempia kuin Maa, täytyy olla olemassa, mutta meillä ei ole ollut riittävän herkkiä instrumentteja niiden havaitsemiseen. Suuret kaasujättiläiset, kuten Jupiter, ovat ensisijaisia kohteita.
JWST tutkii myös supermassiivisia mustia aukkoja ja kvasaareja, jotka sylkevät napojensa kautta valonnopeudella tähti‑arvoista määrää ainetta. Teleskooppi keskittyy näiden tähtifenomeenien hyvin varhaisiin näytteisiin.
Lopuksi, galaksien ja laajamittaisten rakenteiden tutkiminen maailmankaikkeudessa hyvin varhaisessa vaiheessa voi luoda uusia oivalluksia pimeän aineen ja pimeän energian luonteesta, jotka ovatkin vuosikymmeniä hämärtäneet tiedemiehiä.
JWST:n pääyksityinen urakoitsija
Northrop Grumman Aerospace Systems
(NOC )
Projekti kuten JWST on lähes aina tulosta kansainvälisestä yhteistyöstä, jossa tässä tapauksessa on mukana NASA, ESA ja Kanadan avaruusvirasto.
Se sisälsi myös monia yksityisen sektorin urakoitsijoita, joista merkittävin on ilmailu‑ ja puolustusyhtiö Northrop Grumman.
Northrop Grumman on tunnettu ikonisen B‑2‑stealth‑strategiapommin luomisesta, jonka hinta on lähes miljardi dollaria. Tämä yli 20‑vuotias suunnittelu korvataan B‑21‑mallilla, joka on edelleen kehitysvaiheessa.
Yhtiö on myös avaruusteknologian kärjessä, kuten sen työ James Webb -avaruusteleskoopin huippu‑tekniikassa osoittaa. Yhtiö saa suurimman osan tuloistaan avaruus‑ ja ilmailujärjestelmistä.
Lähde: Northrop
Toinen suuri segmentti on mission‑systems‑osasto, joka kattaa laajan valikoiman sensoreita, kyberturva‑ohjelmistoja, suojattua viestintää ja C4ISR (komento, valvonta, viestintä, tietokoneet, tiedustelu, valvonta ja tiedustelu).
Se on myös johtava ammuksia valmistava yritys, pienistä kaliipereista ohjattuihin ammuksiin ja suuriin kaliipereihin.
Northrop Grumman odottaa rooliaan kehittyneiden aseiden toimittajana, kehittäen ja käyttöönottaen autonomisia asejärjestelmiä:
- X-47B, häntätön, iskukoneen kokoinen miehittämätön lentokone.
- Helikopteri‑droni Fire Scout.
- Valvontadronit Global Hawk ja MQ‑4C Triton.
- Meridronit Manta Ray ja AQS‑24B/C Minehunting System.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), monitoiminen, pysyvä ja edullinen taktinen miehittämätön lentokonejärjestelmä.
Lähde: Northrop
Yhtiö on kehityksen kärjessä suoran energian aseissa (laserit), elektronisessa sodankäynnissä, anti‑dronijärjestelmissä ja manuaalisen ohjauksen ballististen ohjusten (ICBM) kehityksessä.
Sijoittajan ja taloudellisen näkökulman kannalta Northrop Grumman on nostanut osinkonsa 12 % CAGR:lla vuodesta 2014, samalla vähentäen osakkeiden määrää 31 %. Tämä johti 2,6 miljardi $ osinkoihin ja osakkeiden takaisinostoihin vuonna 2023, kun yhtiö tuotti 2,1 miljardi $ vapaan kassavirran.
Northrop Grumman saa lähes kokonaan tulonsa Yhdysvaltain puolustusbudjetista, jossa NASA muodostaa 3 % tuloista ja kansainväliset myynnit 12 %.
Lähde: Northrop
Kun yritykset kuten RTX ja Lockheed tarjoavat suurimman osan Yhdysvaltain ilmavoimien iskusta (hävittäjät, ohjukset, ilmapuolustus), Northrop Grumman tarjoaa kehittyneimmän kapasiteetin avaruudesta integroituihin komento‑ ja stealth‑raskas pommikoneisiin.
Ja ehkä pian merkittävä osa kehittyneistä drone‑, elektronisesta sodankäynnistä ja energiasodankäynnistäkin.
Kasvavan drone‑ ja elektronisen sodankäynnin merkityksen myötä Northrop tulee todennäköisesti yhä keskeisempään rooliin Yhdysvaltojen sekä hyökkäys‑ että puolustuskyvyissä. Ja sen uudet stealth‑pommit ovat keskeinen tekijä pysyäkseen tasavertaisena vertailuvastustajien, kuten Venäjän ja Kiinan, kanssa, joiden kanssa jännitteet pysyvät erittäin korkeina.
