Megaprosjekter
JWST – James Webb-romteleskopet
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Ser dypere inn i universet
Noen megaprojekter involverer gigantiske infrastrukturer, som for eksempel den 27‑kilometer store sirkelen til CERNs partikkelakselerator eller det 800‑mil lange nøytron‑eksperimentet DUNE.
Andre kan kvalifiseres som megaprojekter, ikke på grunn av størrelsen, men på grunn av deres enorme kompleksitet, kostnader og hvor transformative de er for vår forståelse av universet.
Et godt eksempel på dette er James Webb Space Telescope (JWST). Dette infrarøde romteleskopet er det kraftigste og største som noen gang er laget. Teleskopet er oppkalt etter James E. Webb, den legendariske administratoren i NASA fra 1961 til 1968 under Mercury‑, Gemini‑ og Apollo‑programmene.
Kilde: NASA
JWST er så kraftig at den like gjerne kan hjelpe oss med å observere de aller første stjernene som antente i universet og finne potensielt beboelige eksoplaneter. For å oppnå disse resultatene har forskere og ingeniører gjort underverker for å presse grensene for hva teleskoper kan oppnå.
Hvorfor sette et teleskop i verdensrommet?
Det første man må forstå om James Webb Space Telescope er hvorfor det i utgangspunktet må være i verdensrommet. Å løfte komplekst maskineri opp i rommet er langt vanskeligere enn å bygge det samme på jorden.
Ved å gå utenfor atmosfæren kan teleskoper få en utsikt over universet som ikke forstyrres av lysforurensning, atmosfærisk turbulens, og selvfølgelig skyer og værmønstre.
Dette er grunnen til at det relativt lille Hubble‑teleskopet presterte så bra sammenlignet med bakkenbaserte teleskoper. Men dette var ekstra viktig for JWST, siden dette teleskopet måler ikke synlig lys, men infrarødt lys.
Vanndamp i jordens atmosfære absorberer infrarød stråling. Infrarøde bakkenbaserte teleskoper plasseres vanligvis på høye fjell i svært tørre klima for å forbedre synligheten, men dette er fortsatt ikke ideelt og skaper en iboende grense for hva de kan observere.
JWST er den nyeste og med langt mest kraftfulle i en rekke rombaserte infrarøde teleskoper, etter Infrared Astronomical Satellite (IRAS), Spitzer Space Telescope og Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE).
JWST ble skutt opp i 2021 på en fransk Ariane 5‑rakett fra Fransk Guyana. En måned senere ankom den sin destinasjon, Sun‑Earth L2 Lagrange‑punktet, omtrent 1,5 millioner kilometer (930 000 miles) fra jorden.
Lagrange‑punkter er posisjoner i rommet som forblir konstante i forhold til jorden, selv om de ikke er i jordens bane. For tiden brukes et annet Lagrange‑punkt (L1) av DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
Kilde: NOAA
JWSTs posisjon gjør at den kan observere nesten ethvert punkt på himmelen gjennom året, så lenge det ikke er i retning av jorden eller solen; 39 % av himmelen er potensielt synlig for Webb til enhver tid.
Hvorfor bruke infrarød observasjon?
Fjerne objekter
For svært fjerne objekter i universet oppstår et fenomen kalt «rødskift», som flytter lyset deres mot infrarødt. Så enhver observasjon av den svært dype (og dermed svært gamle) delen av universet må 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 som dannet seg. Ved å se i infrarødt kan JWST se like langt tilbake i universets historie som de første stjernene som dannet seg.
Eksoplaneter
Infrarøde observasjoner har en annen fordel når det gjelder analyse av eksoplaneter. JWST vil ha med seg et system kalt et koronograf: dette vil blokkere lyset fra en stjerne, slik at vi bedre kan se de mindre lyse objektene som går i bane rundt den, som små eksoplaneter.
Bildet av en eksoplanet vil bare være en prikk, ikke et storslått panorama.
Kilde: NASA
Lyset fra den prikken kan likevel analyseres med en metode kalt spektroskopi, som kan fortelle oss sammensetningen av atmosfæren til disse eksoplanetene. Ved infrarøde bølgelengder har molekylene i eksoplanetenes atmosfærer flest spektrale trekk, så vi får mye mer informasjon enn når vi bruker synlig lys.
Gjennom denne metoden kan vi ikke bare fastslå om planeter i andre solsystemer har vann og CO2, men også metan, ammoniakk eller komplekse molekyler som potensielt indikerer utenomjordisk liv.
JWST sammenlignet med Hubble
Når det gjelder observasjonsevne, fokuserer JWST hovedsakelig på nær‑infrarødt lys, men kan også se oransje og rødt synlig lys, samt midt‑infrarødt område, avhengig av hvilket instrument som brukes.
Den kan oppdage objekter som er 100 ganger mindre lyse enn Hubble kunne. Og i mange tilfeller brukes den til å se tilbake på objekter Hubble først avdekket for å få nye innsikter om dem.
Imidlertid vil bildeskarpheten være sammenlignbar med Hubble fordi infrarøde bilder per definisjon 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 lys. Så JWSTs versjon av det berømte bildet «Pillars of Creation» i Ørn‑tåken, viser mange stjerner inne i og rundt søylene.
Kilde: Webb Telescope
JWST-spesifikasjoner
JWST har et 6,5 meter (21 fot) gullbelagt beryllium‑primært speil bestående av 18 separate sekskantede speil, som gir den sitt ikoniske utseende.
Hvert av disse speilene veier 20 kg (44 pund). Det 100‑nanometer tykke gullbelegget reflekterer infrarødt lys og er dekket av glass for å gjøre det tilstrekkelig robust. Dette gir en lys‑innsamlingsflate 6 ganger større enn Hubble. Totalt ble kun 48,25 g gull (1,7 unse) brukt.
Kilde: NASA
Webb, i motsetning til Hubble, er ikke designet for å kunne betjenes av astronauter, på grunn av den store avstanden fra jorden. Som følge av dette er alle kritiske delkomponenter doble, for eksempel to nær‑infrarøde kameraer, eller er konstruert 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 drivstoff (for å holde seg på Lagrange‑punktet) til totalt 20 år, så den kan vare lenger dersom ingen nøkkelkomponent svikter.
JWST-budsjett
Totalt kostet James Webb Space Telescope mer enn 11 milliarder dollar, mer enn 10 ganger den opprinnelige estimaten fra NASA for dette prosjektet. Denne prisøkningen truet prosjektets levedyktighet på 2010‑tallet, fordi budsjettet på den tiden sprengte til «bare» 6,5 milliarder dollar.
En oppskyting som opprinnelig var planlagt til 2014, men som endte opp 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 ble presentert med av prosjektkontoret i bunn og grunn feilaktig,” sa han til journalister i en ettermiddags‑telekonferanse.
Budsjettet inneholdt simpelthen ikke innholdet prosjektet selv visste om på den tiden. Så fra et økonomisk ståsted var det rett og slett utilstrekkelig til å gjennomføre arbeidet.”
John Casani, en høyt respektert prosjektleder ved NASA’s Jet Propulsion Laboratory
Ettersom prosjektet tok nesten to tiår å bli designet og bygget, gikk det aldri over 3 % av NASAs årlige budsjett. Det forbrukte imidlertid en tredjedel av NASAs astrofysikk‑divisjonsbudsjett mellom 2003‑2021.
Og nå som JWST er ett av historiens mest imponerende og suksessrike programmer innen astronomi, blir de fleste av disse debattene glemt.
JWSTs fantastiske ingeniørkunst
Miste litt vekt
Det første problemet designerne av JWST måtte løse var at et så stort speil ville bli for tungt. Hvis de hadde gjenbrukt Hubbles design, ville det ha vært for tungt til å bli skutt opp i rommet.
Dette er grunnen til at man valgte beryllium, som både er sterkt og lett nok. En annen faktor var den ekstreme temperaturen i dyprommet, som kunne deformere den ekstremt presise krumningen på speilene.
Beryllium var også et godt valg her, fordi det slutter å endre form når det er veldig kaldt. Så speilene ble produsert med en «feil» vinkel, som ville bøye seg nøyaktig til den tiltenkte endelige formen når de ble utsatt for rommets kulde (-233°C/-388°F).
Kilde: JWST
Hvert speil vil til slutt bli justert med en presisjon lik 1/10 000‑delen av tykkelsen på et menneskehår.
Ultralette materialer som kompositter ble også valgt til teleskopets ryggsøyle, noe som sparte ytterligere vekt.
Kilde: NASA
Sammenlegge
Et annet stort problem var at den ekstreme størrelsen på teleskopets speil, som kreves av dette designet, ikke ville passe i noen tilgjengelig rakett.
Derfor ble det tidlig besluttet å pakke ut strukturen komponent for komponent, inkludert solskjoldet og speilene. Hvordan man skulle brette hele strukturen effektivt og få den til å utfoldes pålitelig, var fortsatt en bekymring.
NASA‑forskerne hentet inspirasjon fra origami, den japanske kunsten å brette papir, og valgte til slutt et sekskantet origamimønster.
Dette var en høy‑risiko beslutning for James Webb‑designteamet, siden en så kompleks utfoldning aldri hadde blitt gjort før. Og enhver feil ville ha dømt hele prosjektet.
Du kan se hvordan utfoldingen fungerte trinn for trinn i denne korte JWST‑videoen:
Solskjold
Siden teleskopet observerer sine mål i infrarødt, var beskyttelse mot solens varme like viktig som at speilene var lette nok og riktig utfoldet.
JWSTs solskjold holder temperaturforskjellen mellom den varme og den kalde siden av teleskopet på nesten 315 °C/600 °F, takket være en 5‑lags isolasjon.
Solskjoldet er så stort som en tennisbane og er laget av lag med Kapton E (polyimidfilm) med aluminium‑ og dopet‑silisium‑belegg for å reflektere solens varme tilbake ut i rommet.
Telekommunikasjon
JWST sender data tilbake til jorden og mottar instruksjoner fra jorden via NASAs Deep Space Network. Dette går gjennom bakkestasjoner i Canberra, Madrid og Goldstone.
Webb kan laste ned minst 57,2 gigabyte med innspilt vitenskapsdata hver dag, med en maksimal datahastighet på 28 megabit per sekund.
Kilde: Webb Telescope
Andre komponenter
Resten av teleskopet var ikke mindre høyteknologisk og høy‑ytelses. Ærefulle nevnelser kan gis til noen få utstyrsstykker:
- Cryocooler: JWSTs midt‑infrarøde (MIRI)‑sensorer må operere ved -266,15 °C/-447 °F, kaldere enn selv rommets dyp. Så et ekstra kjølesystem måtte legges til for å kjøle instrumentet.
- Backplane: Teleskopets ryggsøyle veier 2,4 tonn (5 300 pund) og gir den absolutte stillestående posisjonen som trengs for at teleskopet skal ta skarpe bilder. Den er konstruert til å være stabil ned til 32 nanometer, som er 1/10 000 av diameteren på et menneskehår.
- Micro‑shutters: Dette rutenettet med 248 000 små dører kan åpnes og lukkes individuelt for å sende 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 mange flere observasjoner i en gitt tidsperiode.
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 den allerede har gjort, er noen historier verdt å fremheve.
Spredning av ny dannet karbon
JWST har identifisert to stjerner som er ansvarlige for å generere karbon‑rik støv kun 5 000 lysår unna i vår egen Melkeveisk galakse. Den oppdaget konsentriske sfæriske «skall» dannet av de kolliderende solvindene fra de to stjernene som sprer ny‑dannet karbon inn i galaksen.
Kilde: Webb Telescope
Hvert skall løper 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 støvskallene utvider seg fra år til år.
Teleskopets midt‑infrarøde bilder oppdaget skall som har vedvart i mer enn 130 år. Eldre skall har spredt seg så mye at de nå er for svake til å bli oppdaget.
Jennifer Hoffman, medforfatter og professor ved University of Denver
Aktive objekter i kanten av vårt solsystem
JWST oppdager gasseksplosjon fra den isete «Centaur 29P/Schwassmann‑Wachmann», et komet‑lignende objekt i nærheten av Neptun.
De oppdaget en ny jet av karbonmonoksid (CO) og tidligere usette jetstrømmer av karbondioksid (CO₂), som gir nye ledetråder om kjernen til dette stjerneobjektet.
Kilde: Webb Telescope
Bilde av nærliggende eksoplaneter
JWST fanget et direkte bilde av en eksoplanet kun 12 lysår unna oss, Epsilon Indi Ab. Planeten er flere ganger massen til Jupiter og går i bane rundt en stjerne som er noe lik vår sol.
Den er en av de kaldeste eksoplanetene som er direkte oppdaget, med en estimert gjennomsnittstemperatur på 2 °C/35 °F (til sammenligning er jordens gjennomsnittstemperatur 15 °C/59 °F).
“Kalde planeter er svært svake, og mesteparten av strålingen deres er i midt‑infrarødt.
Den er litt varmere og er mer massiv, men ligner mer på Jupiter enn noen annen planet som er blitt avbildet så langt.”
Elisabeth Matthews fra Max Planck‑instituttet for astronomi i Tyskland.
Komplekse molekyler i dannende planeter
I mellomtiden kan eksoplaneten K2‑18 b være en Hycean‑eksoplanet, en som potensielt kan ha en hydrogen‑rik atmosfære og en overflate dekket av hav.
Eksoplaneter som K2‑18 b, som har størrelser mellom jord og Neptun, er ulikt alt i vårt solsystem. Våre funn understreker viktigheten av å vurdere ulike beboelige miljøer i søket etter liv andre steder.
Nikku Madhusudhan, astronom ved University of Cambridge
JWST fant også flere karbonforbindelser, og til og med dimetyl‑sulfid i planetens atmosfære.
Kilde: NASA
JWST fant for første gang utenfor vårt solsystem etan (C₂H₆), samt etylen (C₂H₄), propyne (C₃H₄) og metylradikalet CH₃ rundt en ung stjerne.
Den gjorde også den første oppdagelsen av tunge elementer fra en stjerne‑sammenslåing, som resulterte i den nest lyseste gamma‑ray‑burst noensinne oppdaget, eller en kilonova. JWST‑forskerne oppdaget tellur i etterspillet av eksplosjonen.
Det mest fjerne (eldgamle) sorte hullet noensinne oppdaget
I kombinasjon med NASAs Chandra X‑ray Observatory oppdaget JWST et voksende sort hull kun 470 millioner år etter Big Bang. JWST fant galaksen, og Chandra det sorte hullet selv.
Kilde: NASA
Vi tror dette er den første oppdagelsen av et «Outsize Black Hole» som direkte ble dannet fra kollapsen av en enorm gassky.
For første gang ser vi et kortvarig stadium hvor et supermassivt sort hull veier omtrent like mye som stjernene i sin galakse før det faller bak.
Priyamvada Natarajan fra Yale University
JWSTs fremtid
Etter å ha funnet og analysert eksoplaneter, er JWST på jakt etter eksomåner. Vi vet at disse planetariske kroppene, potensielt større enn Jorden i noen tilfeller, må eksistere, men har aldri hatt et instrument sensitivt nok til å oppdage dem. Gass‑gigant‑eksoplaneter som Jupiter er primære kandidater.
JWST vil også undersøke supermassive sorte hull og kvarker, sorte hull som spruter fra polene med lysets hastighet og en stjerne‑verdig mengde materie. Teleskopet vil fokusere på svært tidlige eksemplarer av disse stjerne‑fenomenene.
Til slutt kan studier av galakser samt store strukturer i universet på svært tidlig tidspunkt gi nye innsikter i naturen til mørk materie og mørk energi som ser ut til å unnslippe forskere i flere tiår nå.
JWSTs hovedprivate entreprenør
Northrop Grumman Aerospace Systems
NOC Prisdiagram
Et prosjekt som JWST er nesten alltid resultatet av et internasjonalt samarbeid, med, i dette tilfellet, deltakelse fra NASA, ESA og Canadian Space Agency.
Det involverte også mange entreprenører fra privat sektor, hvor den mest fremtredende var luft‑ og forsvarsselskapet Northrop Grumman (NOC ).
Northrop Grumman er mest kjent for å ha skapt den ikoniske B‑2 stealth‑strategibomben, hver med en kostnad på nesten en milliard dollar. Dette mer enn 20 år gamle designet skal erstattes av B‑21, som fortsatt er under utvikling.
Selskapet er også i frontlinjen av romteknologi, som illustrert av arbeidet med det toppmoderne James Webb Space Telescope. Selskapet får mesteparten av inntektene fra rom‑ og luftfartsystemer.
Kilde: Northrop
En annen stor del er mission‑systems‑divisjonen, som dekker et bredt spekter av sensorer, cyber‑forsvar‑programvare, sikret kommunikasjon, og C4ISR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance).
Det er også en ledende produsent av ammunisjon, fra små kalibre til guidede prosjektiler og store kalibre.
Northrop Grumman ser frem til sin posisjon som leverandør av avanserte våpen, med utvikling og utrulling av autonome våpensystemer:
- X-47B, et halerkant‑, stridsfly‑stort ubemannet luftfartøy.
- Helikopter‑dronen Fire Scout.
- Overvåknings‑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 rimelige taktiske ubemannede luftfartøysystemer.
Kilde: Northrop
Selskapet er i forkant av utviklingen av direkte energivåpen (lasere), elektronisk krigføring, anti‑drone‑systemer og interkontinentale ballistiske missiler.
Fra et investerings‑ og finansielt perspektiv har Northrop Grumman økt sitt utbytte med 12 % CAGR siden 2014, samtidig som de har redusert antall aksjer med 31 %. Dette resulterte i 2,6 milliarder dollar i utbytte og aksjetilbakekjøp i 2023, mens selskapet genererte 2,1 milliarder dollar i fri kontantstrøm.
Northrop Grumman får nesten utelukkende inntektene sine fra USAs forsvarsbudsjett, med NASA som utgjør 3 % av inntektene og internasjonalt salg 12 %.
Kilde: Northrop
Der selskaper som RTX og Lockheed leverer mesteparten av US Air Forces kraft (jagerfly, missiler, luftforsvar), leverer Northrop Grumman den mest avanserte kapasiteten, fra rom til integrert kommando og stealth‑tunge bombefly.
Og kanskje snart en betydelig del av de avanserte dronene, elektronisk krigføring og energivåpen også.
Med den økende betydningen av droner og elektronisk krigføring vil Northrop sannsynligvis bli stadig mer sentral for USAs både offensive og defensive kapasiteter. Og deres nye stealth‑bombere vil være en nøkkelfaktor for å holde tritt med jevnaldrende motstandere som Russland og Kina, hvor spenningene forblir svært høye.
