JWST – James Webb-romteleskopet

Ser dypere inn i universet

Noen megaprosjekter involverer gigantiske infrastrukturer, som f.eks. sirkelen med en diameter på 27 kilometer til CERN-partikkelakseleratoren eller 800 mil langt nøytrinoeksperiment av DUNE.

Andre kan kvalifiseres som megaprosjekter, ikke på grunn av deres størrelse, men på grunn av deres rene kompleksitet, kostnader og hvor transformative de er for vår forståelse av universet.

Et godt eksempel på dette er James Webb Space Telescope (JWST). Dette rombaserte teleskopet med infrarødt lys er det kraftigste og største som noen gang er laget. Teleskopet har fått navnet sitt fra James E. Webb, den legendariske administratoren av NASA fra 1961 til 1968 under Mercury-, Gemini- og Apollo-programmene.

kilde: NASA

JWST er så kraftig at den like mye kan hjelpe oss med å observere de aller første stjernene som har antent i universet og finne potensielt beboelige eksoplaneter. Og for å oppnå disse resultatene har forskere og ingeniører gjort underverker for å presse grensen for hva teleskoper kan oppnå.

Hvorfor sette et teleskop i verdensrommet?

Det første du må forstå om James Webb-romteleskopet er hvorfor det må være i verdensrommet i utgangspunktet. Tross alt er det mye vanskeligere å løfte komplekse maskineri ut i verdensrommet enn å bygge det samme nede på jorden.

Ved å gå ut av atmosfæren kan teleskoper få utsikt over universet uforstyrret av lysforurensning, atmosfærisk turbulens og selvfølgelig skyer og værmønstre.

Dette er grunnen til at det relativt lille Hubble-teleskopet presterte så bra sammenlignet med bakkebaserte teleskoper. Men dette var ekstra viktig for JWST, da dette teleskopet ikke måler synlig lys, men infrarødt lys.

Vanndamp i jordens atmosfære absorberer infrarød stråling. Jordbaserte infrarøde teleskoper plasseres vanligvis på høye fjell og i svært tørre klimaer for å forbedre sikten, men dette er fortsatt ikke ideelt og skaper en iboende grense for hva de kan observere.

JWST er den nyeste og desidert kraftigste i en rekke rombaserte infrarøde teleskoper, etter Infrarød astronomisk satellitt (IRAS), den Spitzer romteleskop, og Wide-field Infrared Survey Explorer (KLOK).

JWST ble lansert i 2021 på en fransk Ariane 5 bærerakett, fra Fransk Guyana. En måned senere ankom den destinasjonen, Sun-Earth L2 Lagrange-punktet, omtrent 1.5 millioner kilometer (930,000 XNUMX miles) fra jorden.

Lagrangepunkter er posisjoner i verdensrommet som holder seg konstant sammenlignet med Jorden, til tross for at de ikke er i bane rundt Jorden. For øyeblikket brukes et annet Lagrange-punkt (L1) av DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.

kilde: NOAA

Posisjonen til JWST betyr at den kan observere nesten hvilket som helst punkt på himmelen gjennom året, så lenge den ikke er i retning av Jorden og Solen; 39 % av himmelen er potensielt synlig for Webb når som helst.

Hvorfor bruke infrarød observasjon?

Fjerne objekter

For svært fjerne objekter i universet oppstår et fenomen som kalles "rødforskyvning", som beveger lyset deres mot det infrarøde. Så enhver observasjon av den veldig dype (og derfor veldig eldgamle) delen av universet har en tendens til å måtte gjøres i den infrarøde delen av lysspekteret.

kilde: SciTech Daily

På grunn av dette fenomenet kunne Hubble bare se så langt i avstand og tilbake i tid som de første galaksene ble dannet. Ved å se på infrarødt kan JWST se så langt i universets historie som de første stjernene som dannes.

eksoplaneter

Infrarøde observasjoner har en annen fordel, når det gjelder analysen av eksoplaneter denne gangen. JWST vil bære et system som kalles en koronagraf: dette vil blokkere lyset som kommer fra en stjerne, og la oss se bedre de mindre lyse objektene som kretser rundt som små eksoplaneter.

Bildet av en eksoplanet ville bare være et sted, ikke et storslått panorama.

kilde: NASA

Likevel kan lyset fra det stedet analyseres gjennom en metode som kalles spektroskopi, som kan fortelle oss sammensetningen av atmosfæren til disse eksoplanetene. Ved infrarøde bølgelengder har molekylene i atmosfæren til eksoplaneter det største antallet spektraltrekk, så vi vil få mye mer informasjon enn ved bruk av synlig lys.

kilde: ESA

Gjennom denne metoden kunne vi ikke bare fastslå om planeter i andre solsystemer har vann og CO₂ men også metan, ammoniakk eller komplekse molekyler som potensielt indikerer fremmed liv.

JWST sammenlignet med Hubble

Når det gjelder observasjonsevnen, er JWST mest fokusert på nær-infrarødt lys, men kan også se oransje og rødt synlig lys, og mellom-infrarødt område, avhengig av instrumentet som brukes.

Den kan oppdage objekter som er 100 ganger mindre lyssterke enn Hubble kunne. Og i mange tilfeller brukes den til å se tilbake på objekter Hubble avslørte i utgangspunktet for å få ny innsikt om dem.

Bildeskarpheten vil imidlertid være sammenlignbar med Hubble på grunn av det faktum at infrarøde bilder iboende er mindre skarpe enn synlig lys på grunn av de lengre bølgelengdene.

En annen forskjell mellom de to ikoniske teleskopene er at JWST kan se gjennom gassskyer, som blokkerer synlig lys, men ikke infrarødt. Så JWSTs versjon av det berømte bildet av Skapelsens søyler, i Ørnetåken, avslører mange stjerner inni og rundt søylene.

kilde: Webb-teleskop

JWST-spesifikasjoner

JWST har et 6.5 meter (21 fot) gullbelagt primærspeil i beryllium som består av 18 separate sekskantede speil, noe som gir det dets ikoniske utseende.

Hvert av disse speilene veier 20 kg (44 pund). Det 100 nanometer gullbelegget gir infrarød lysrefleksjon og er dekket av glass for å gjøre det motstandsdyktig nok. Dette gir den et lysoppsamlingsområde 6 ganger større enn Hubble. Totalt ble bare 48.25 g gull (1.7 unser) brukt.

kilde: NASA

Webb, i motsetning til Hubble, er ikke designet for å bli betjent av astronauter, på grunn av sin lange avstand fra jorden. Som et resultat er alle de kritiske underkomponentene doble, for eksempel to nær-infrarøde kameraer, eller designet for å vare i mange år som speilene.

JWST forventes å vare i minst 5 år, med et mål om 10 års drift. Den har imidlertid nok drivmiddel (til å holde seg i Lagrange-punktet) i totalt 20 år, så den kan vare lenger hvis ingen nøkkeldel svikter.

JWST-budsjett

Totalt, James Webb-romteleskopet endte opp med å koste mer enn 11 milliarder dollar, mer enn 10 ganger det opprinnelige anslaget fra NASA for dette prosjektet. Denne prislappeksplosjonen truet prosjektets levedyktighet på 2010-tallet, på grunn av at (den gang) budsjettet eksploderte til «bare» $6.5 milliarder.

En lansering som opprinnelig var planlagt for 2014, til slutt 7 år for sent, bidro til kritikken.

«Den grunnleggende årsaken til problemet er at på tidspunktet for (programmets formelle godkjenning), som går tilbake til juli 2008, var budsjettet som NASA fikk presentert av prosjektkontoret i bunn og grunn feilaktig», sa han til journalister i en telefonkonferanse på ettermiddagen.

Budsjettet inneholdt rett og slett ikke innholdet som prosjektet selv visste om på det tidspunktet. Og så fra et pengesynspunkt var det bare utilstrekkelig til å utføre arbeidet.»

John Casani, en anerkjent prosjektleder ved NASAs Jet Propulsion Laboratory

Ettersom prosjektet tok nesten to tiår å designe og bygge, gikk det imidlertid aldri over 2 % av NASAs årlige budsjett. Det forbrukte imidlertid 3/1 av NASAs budsjett for astrofysikkdivisjonen mellom 3-2003.

Og nå som JWST er et av historiens mest imponerende og vellykkede programmer innen astronomi, blir de fleste av disse debattene glemt.

JWSTs fantastiske ingeniørkunst

Gå ned i vekt

Det første problemet å løse for designerne av JWST var at et så stort speil kom til å bli for tungt. Hvis de hadde gjenbrukt Hubbles design, ville den vært for tung til å bli skutt ut i verdensrommet.

Derfor ble det valgt å bruke beryllium, som er både sterkt og lett nok. En annen faktor var den ekstreme temperaturen i det dype rommet, som kunne bøye seg ut av form den nødvendige ekstremt presise krumningen til speilene.

Beryllium var et godt alternativ her også, fordi det slutter å endre form når det er veldig kaldt. Så speilene ble produsert med en "feil" vinkel, som ville bøyes nøyaktig til den tiltenkte endelige formen når de ble utsatt for kulden i rommet (-233°C/-388°F).

kilde: JWST

Hvert speil ville til slutt bli justert til en presisjon som tilsvarer 1/10,000 XNUMX av tykkelsen til et menneskehår.

Ultralette materialer som kompositter ble også valgt for ryggraden i teleskopet, noe som sparte ytterligere vekt.

kilde: NASA

Bretter seg opp

Et annet stort problem var at den ekstreme størrelsen på teleskopspeilet som kreves av denne designen, ikke ville passe inn i noen tilgjengelig rakett.

Så det ble tidlig besluttet å utfolde strukturen komponent for komponent, inkludert solskjermen og speilene. Hvordan å brette helheten effektivt og få den til å utfolde seg pålitelig var fortsatt en bekymring.

NASA-forskere hentet inspirasjon fra origami, den japanske kunsten å brette papir, med det endelige valget til et sekskantet origamimønster.

Dette var en høyrisikobeslutning for James Webb-designteamet, siden en så kompleks utfoldelse aldri hadde blitt gjort før. Og enhver fiasko ville ha dømt hele prosjektet.

Du kan se hvordan utfoldingen fungerte trinn for trinn i denne korte JWST-videoen:

Solskjerm

Mens teleskopet observerer målene sine i infrarødt, var det like viktig å beskytte det mot solens varme som å ha speilene lette nok og riktig utfoldet.

JWSTs solskjerm holder forskjellen mellom den varme og kalde siden av teleskopet på nesten 315 °C/600 °F, takket være en 5-lags isolasjon.

Solskjermen er like stor som en tennisbane og laget av lag av Kapton E (polyimidfilm) med aluminium og dopet silisiumbelegg for å reflektere solens varme tilbake til verdensrommet.

Kilde: NASA

Telekommunikasjon

JWST sender dataene sine tilbake og mottar instruksjoner fra jorden gjennom NASAs Deep Space Network. Dette passerer forbi bakkestasjoner i Canberra, Madrid og Goldstone.

Webb kan nedlinke minst 57.2 gigabyte med registrerte vitenskapelige data hver dag, med en maksimal datahastighet på 28 megabit per sekund.

kilde: Webb-teleskop

Andre komponenter

Resten av teleskopet var ikke mindre høyteknologisk og høy ytelse. Hederlige omtaler kan gis til noen få utstyrsdeler:

• Kryokjøler: JWSTs mellominfrarøde (MIRI) sensorer må operere ved -266.15°C/-447°F, kaldere enn selve verdensdypet. Så det måtte legges til et ekstra kjølesystem for å avkjøle instrumentet.
• Bakplan: Ryggraden i teleskopet veier 2.4 tonn (5,300 pund) og gir den absolutte ubevegelige posisjonen som trengs for at teleskopet skal ta skarpe bilder. Den ble konstruert for å være stødig ned til 32 nanometer, som er 1/10,000 XNUMX av diameteren til et menneskehår.
• Mikro-skodder: dette rutenettet med 248,000 XNUMX bittesmå dører kan åpnes og lukkes individuelt for å overføre eller blokkere lys. Dette gjør at JWST kan observere hundrevis av individuelle objekter i et felt av stjerner eller galakser samtidig. Som et resultat kan JWST utføre mye flere observasjoner for et gitt tidsrom.

JWSTs prestasjoner

I drift i bare noen få år har JWST allerede fullstendig endret hvordan astronomer forstår universet. Så selv om det er nesten umulig å liste opp alt det allerede har gjort, er noen få historier verdt ytterligere høydepunkter.

Spredning av nydannet karbon

JWST har identifisert to stjerner som er ansvarlige for å generere karbonrikt støv bare 5,000 lysår unna i vår egen Melkevei-galakse. Den oppdaget konsentriske sfæriske "skjell" dannet av de kolliderende solvindene til de to stjernene som spredte nydannet karbon inn i galaksen.

kilde: Webb-teleskop

Hvert skjell raser bort fra stjernene med mer enn 1,600 miles per sekund (2,600 kilometer per sekund), nesten 1 % av lysets hastighet. I dette systemet viser observatoriet at støvskjellene utvider seg fra ett år til det neste.

Teleskopets mellominfrarøde bilder oppdaget skjell som har vedvart i mer enn 130 år. Eldre skjell har forsvunnet nok til at de nå er for svake til å oppdage."

Jennifer Hoffman, medforfatter og professor ved University of Denver

Aktive objekter i utkanten av solsystemet vårt

JWST oppdager gassutkast fra isete "Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann", et kometlignende objekt i nærheten av Neptun.

De oppdaget en ny stråle av karbonmonoksid (CO) og tidligere usynlige stråler av karbondioksid (CO2)-gass, som gir nye ledetråder til arten av kjernen til stjerneobjektet.

kilde: Webb-teleskop

Bilde Av Nærliggende Eksoplaneter

JWST tok et direkte bilde av en eksoplanet bare 12 lysår unna oss, Epsilon Indi Ab. Planeten er flere ganger massen av Jupiter, og går i bane rundt en stjerne som ligner litt på vår sol.

Det er en av de kaldeste eksoplanetene som er direkte oppdaget, med en estimert gjennomsnittstemperatur på 2 °C/35 °F (til referanse er jordens gjennomsnittstemperatur 15 °C (59 °F).

"Kalde planeter er veldig svake, og mesteparten av utslippene deres er i det midt-infrarøde.

Den er litt varmere og er mer massiv, men ligner mer på Jupiter enn noen annen planet som har blitt avbildet så langt.»

Elisabeth Matthews fra Max Planck Institute for Astronomy i Tyskland.

Komplekse molekyler i å danne planeter

I den protoplanetariske skiven som dannes rundt en stjerne 1,350 lysår unna i Oriontåken, oppdaget JWST metylkation (CH3+).

I mellomtiden kan eksoplaneten K2-18 b være en hyceansk eksoplanet, en som har potensialet til å ha en hydrogenrik atmosfære og en havoverflate dekket av vann.

Eksoplaneter som K2-18 b, som har størrelser mellom Jorden og Neptun, er ulikt noe annet i vårt solsystem. Funnene våre understreker viktigheten av å vurdere ulike beboelige miljøer i søket etter liv andre steder.»

Nikku Madhusudhan, en astronom ved University of Cambridge

JWST fant også flere karbonforbindelser, og til og med dimetylsulfid i atmosfæren på planeten.

kilde: NASA

JWST funnet for første gang utenfor vårt solsystem etan (C2H6), samt etylen (C2H4), propyn (C3H4) og metylradikalet CH3 rundt en ung stjerne.

Den gjorde også den første deteksjonen av tunge elementer fra en stjernesammenslåing, noe som resulterte i det nest lyseste gammastråleutbruddet som noensinne er oppdaget, eller en kilonova. JWSTs forskere oppdaget tellur i etterkant av eksplosjonen.

Det fjerneste (gamle) svarte hullet som noen gang er oppdaget

I kombinasjon med NASAs Chandra røntgenobservatorium oppdaget JWST et voksende svart hull bare 470 millioner år etter Big Bang. JWST fant galaksen, og Chandra selve det sorte hullet.

kilde: NASA

Vi tror at dette er den første oppdagelsen av et "Outsize Black Hole" som ble dannet direkte fra kollapsen av en enorm gasssky.

For første gang ser vi en kort fase der et supermassivt svart hull veier omtrent like mye som stjernene i galaksen før det faller bak.»

Priyamvada Natarajan fra Yale University

JWSTs fremtid

Etter å ha funnet og analysert eksoplaneter, går JWST på jakt etter eksomooner. Vi vet at disse planetariske kroppene, potensielt større enn Jorden i noen tilfeller må eksistere, men vi har aldri hatt et instrument som var følsomt nok til å oppdage dem. Gassformige gigantiske eksoplaneter som Jupiter er hovedkandidater.

JWST vil også undersøke supermassive sorte hull og kvasarer, sorte hull som spytter fra polene deres med lyshastigheten stjerne-verdig mengde materie. Teleskopet vil fokusere på veldig tidlige eksemplarer av disse stjernefenomenene.

Til slutt, studier av galakser så vel som store strukturer av universet veldig tidlig kan skape ny innsikt i naturen til mørk materie og mørk energi som ser ut til å unngå forskere i flere tiår nå.

JWSTs hoved private entreprenør

Northrop Grumman Aerospace Systems

Et prosjekt som JWST er nesten alltid et resultat av et internasjonalt samarbeid, med, i dette tilfellet, deltakelse av NASA, ESA og den kanadiske romfartsorganisasjonen.

Det involverte også mange entreprenører fra privat sektor, hvor den mest fremtredende var luftfarts- og forsvarsselskapet Northrop Grumman.

Northrop Grumman er mest kjent for opprettelsen av den ikoniske B-2 stealth strategiske bombeflyet, hver og en koster nesten en milliard dollar. Dette mer enn 20 år gamle designet kommer til å bli erstattet av B-21, som fortsatt er under utvikling.

Selskapet er også i ytterkanten av romteknologi, som illustrert av arbeidet med det toppmoderne James Webb-romteleskopet. Selskapet henter mesteparten av sine inntekter fra romfart og luftfartssystemer.

kilde: Northrop

Et annet stort segment er misjonssystemdivisjonen, som dekker et bredt spekter av sensorer, cyberforsvarsprogramvare, sikker kommunikasjon og C4ISR (kommando, kontroll, kommunikasjon, datamaskiner, etterretning, overvåking og rekognosering).

Det er også en ledende produsent av ammunisjon, fra lite kaliber til guidede prosjektiler og stort kaliber.

Northrop Grumman ser frem til sin posisjon som leverandør av avanserte våpen, med utvikling og utplassering av autonome våpensystemer:

• X-47B, et haleløst ubemannet fly på størrelse med jagerfly.
• Helikopterdronen Brannspeider.
• Overvåkingsdroner Global Hawk og MQ-4C Triton.
• Maritime droner Manta Ray og AQS-24B/C minejaktsystem.
• Bat Unmanned Aircraft System (UAS), fleroppdrag, vedvarende og rimelige taktiske ubemannede flysystemer.

kilde: Northrop

Selskapet er på kanten av utviklingen av direkte energivåpen (lasere), elektronisk krigføring, anti-drone systemerog interkontinentale ballistiske missiler.

Fra et investerings- og finansielt synspunkt har Northrop Grumman økt utbyttet med 12 % CAGR siden 2014, samtidig som det har redusert andelen med 31 %. Dette resulterte i 2.6 milliarder dollar i utbytte og tilbakekjøp av aksjer i 2023, mens selskapet genererte 2.1 milliarder dollar i fri kontantstrøm.

Northrop Grumman henter nesten utelukkende sine inntekter fra det amerikanske forsvarsbudsjettet, med NASA som utgjør 3 % av inntektene og internasjonalt salg 12 %.

kilde: Northrop

Der selskaper som RTX og Lockheed gir hoveddelen av det amerikanske luftforsvaret (jagerfly, missiler, luftforsvar), tilbyr Northrop Grumman den mest avanserte kapasiteten, fra romfart til integrerte kommando- og stealth-tunge bombefly.

Og kanskje snart en betydelig del av avanserte droner, elektronisk krigføring og energivåpen også.

Med den økende betydningen av droner og elektronisk krigføring vil Northrop sannsynligvis bli stadig mer sentralt i USAs både offensive og defensive evner. Og deres nye stealth-bombefly vil være en nøkkelfaktor for å holde tritt med jevnaldrende motstandere som Russland og Kina, som spenningene fortsatt er svært høye med.