Megaprojekt
JWST – James Webb rymdteleskopet
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Att titta djupare in i universum
Vissa megaprojekt involverar gigantiska infrastrukturer, som till exempel den 27 kilometer i diameter stora cirkeln av CERN:s partikelaccelerator eller det 800 mil långa neutrinoexperimentet DUNE.
Andra kan klassificeras som megaprojekt inte på grund av sin storlek utan på grund av deras enorma komplexitet, kostnader och hur transformerande de är för vår förståelse av universum.
Ett bra exempel på detta är James Webb rymdteleskop (JWST). Detta infraröda rymdbaserade teleskop är det mest kraftfulla och största som någonsin skapats. Teleskopet är uppkallat efter James E. Webb, den legendariska administratören för NASA från 1961 till 1968 under Mercury-, Gemini- och Apollo-programmen.
Källa: NASA
JWST är så kraftfullt att det lika väl kan hjälpa oss att observera de allra första stjärnorna som tändes i universum och hitta potentiellt beboeliga exoplaneter. För att uppnå dessa resultat har forskare och ingenjörer gjort underverk för att tänja på gränsen för vad teleskop kan åstadkomma.
Varför placera ett teleskop i rymden?
Det första man måste förstå om James Webb rymdteleskop är varför det måste vara i rymden från början. Att lyfta komplex utrustning till rymden är nämligen mycket svårare än att bygga samma sak på jorden.
Genom att lämna atmosfären kan teleskop få en utsikt över universum utan störningar från ljusföroreningar, atmosfärisk turbulens och naturligtvis moln och vädermönster.
Detta är anledningen till att det relativt lilla Hubble-teleskopet presterade så bra jämfört med markbaserade teleskop. Men detta var extra viktigt för JWST, eftersom detta teleskop mäter inte synligt ljus utan infrarött ljus.
Vattenånga i jordens atmosfär absorberar infraröd strålning. Markbaserade infraröda teleskop placeras ofta på höga berg och i mycket torra klimat för att förbättra synligheten, men detta är fortfarande inte optimalt och skapar en inneboende begränsning för vad de kan observera.
JWST är det senaste och med hela tiden mest kraftfulla i en rad rymdbaserade infraröda teleskop, efter Infrared Astronomical Satellite (IRAS), Spitzer Space Telescope och Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE).
JWST lanserades 2021 på en fransk Ariane 5-raket från Franska Guyana. En månad senare anlände den till sin destination, Lagrange-punkten L2 mellan solen och jorden, cirka 1,5 miljoner kilometer (930 000 miles) från jorden.
Lagrangepunkter är positioner i rymden som förblir konstanta i förhållande till jorden, trots att de inte är i jordens omloppsbana. För närvarande används en annan Lagrangepunkt (L1) av DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
Källa: NOAA
JWST:s position innebär att den kan observera nästan vilken punkt som helst på himlen under året, så länge den inte är i riktning mot jorden och solen; 39 % av himlen är potentiellt synlig för Webb när som helst.
Varför använda infraröd observation?
Fjärrobjekt
För mycket avlägsna objekt i universum uppstår ett fenomen som kallas ”rödförskjutning”, vilket för deras ljus mot infrarött. Så alla observationer av den mycket djupa (och därmed mycket gamla) delen av universum måste göras i den infraröda delen av ljusspektrumet.
Källa: SciTech Daily
På grund av detta fenomen kunde Hubble bara se så långt i avstånd och tillbaka i tiden till de första galaxerna bildades. Genom att titta i infrarött kan JWST se lika långt tillbaka i universums historia till de första stjärnorna som bildas.
Exoplaneter
Infraröda observationer har en annan fördel när det gäller analysen av exoplaneter den här gången. JWST kommer att ha ett system som kallas ett koronograf: det blockerar ljuset från en stjärna, så att vi bättre kan se de mindre ljusa objekten som kretsar, som små exoplaneter.
Bilden av en exoplanet skulle bara vara en prick, inte ett stort panorama.
Källa: NASA
Ljuset från den där pricken kan fortfarande analyseras med en metod som kallas spektroskopi, vilket kan berätta för oss om sammansättningen av atmosfären hos dessa exoplaneter. Vid infraröda våglängder har molekylerna i exoplaneternas atmosfärer det största antalet spektrala drag, så vi får mycket mer information än när vi använder synligt ljus.
Genom denna metod kan vi inte bara avgöra om planeter i andra solsystem har vatten och CO₂ utan också metan, ammoniak eller komplexa molekyler som potentiellt indikerar utomjordiskt liv.
JWST jämfört med Hubble
När det gäller dess observationsförmåga är JWST främst inriktat på nära-infrarött ljus, men kan även se orange och rött synligt ljus samt mellaninfrarött område, beroende på vilket instrument som används.
Det kan upptäcka objekt som är 100 gånger mindre ljusa än vad Hubble kunde. Och i många fall används det för att titta tillbaka på objekt som Hubble först avslöjade för att få nya insikter om dem.
Dock kommer bildskärpan att vara jämförbar med Hubble på grund av att infraröda bilder i sig är mindre skarpa än synligt ljus på grund av de längre våglängderna.
En annan skillnad mellan de två ikoniska teleskopen är att JWST kan se igenom gasmoln som blockerar synligt ljus men inte infrarött. Så JWST:s version av den berömda bilden av Skapelsens pelare i Eagle-nebeln avslöjar många stjärnor inuti och runt pelarna.
Källa: Webb Telescope
JWST-specifikationer
JWST har en 6,5 meter (21 fot) guldbelagd berylliumprimärspegel bestående av 18 separata hexagonala speglar, vilket ger den dess ikoniska utseende.
Varje av dessa speglar väger 20 kg (44 pund). Den 100‑nanometers guldbeläggningen ger infraröd ljusreflektion och är täckt av glas för att göra den tillräckligt hållbar. Detta ger ett ljusinsamlingsområde som är 6 gånger större än Hubble. Totalt användes endast 48,25 g guld (1,7 uns).
Källa: NASA
Webb, till skillnad från Hubble, är inte konstruerad för att servas av astronauter på grund av dess stora avstånd från jorden. Som ett resultat är alla kritiska delkomponenter dubbla, till exempel två nära-infraröda kameror, eller är designade för att hålla i många år som speglarna.
JWST förväntas hålla minst 5 år, med ett mål på 10 års drift. Den har dock tillräckligt med bränsle (för att stanna i Lagrangepunkten) för totalt 20 år, så den kan hålla längre om ingen nyckelkomponent går sönder.
JWST-budget
Totalt har James Webb rymdteleskop kostat mer än 11 miljarder dollar, mer än 10 gånger den ursprungliga uppskattningen från NASA för detta projekt. Denna prissprängning hotade projektets livskraft på 2010‑talen, eftersom budgeten då sköt i höjden till ”endast” 6,5 miljarder dollar.
En uppskjutning som ursprungligen planerades för 2014, men som slutligen blev 7 år försenad, bidrog till kritiken.
“Den grundläggande grundorsaken till problemet är att vid tidpunkten för (programmets formella godkännande), som går tillbaka till juli 2008, var den budget som NASA presenterades med av projektkontoret i princip felaktig,” sade han till reportrar i en eftermiddagstelefonnkonferens.
Budgeten innehöll helt enkelt inte den information som projektet ens kände till vid den tiden. Så ur ett ekonomiskt perspektiv var den helt otillräcklig för att genomföra arbetet.”
John Casani, en mycket respekterad projektledare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory
Eftersom projektet tog nästan två decennier att designa och bygga, gick det dock aldrig över 3 % av NASA:s årliga budget. Det förbrukade dock en tredjedel av NASA:s Astrofysikdivisionens budget mellan 2003‑2021.
Och nu när JWST är ett av historiens mest imponerande och framgångsrika program inom astronomi, glöms de flesta av dessa debatter bort.
JWST:s fantastiska ingenjörskonst
Att minska vikten
Det första problemet som JWST:s konstruktörer behövde lösa var att en så stor spegel skulle bli för tung. Om de hade återanvänt Hubbles design skulle den ha varit för tung för att kunna lanseras i rymden.
Det är därför valet föll på att använda beryllium, som både är starkt och lätt nog. En annan faktor var den extrema temperaturen i djup rymd, som kunde böja den extremt precisa krökningen av speglarna.
Beryllium var också ett bra alternativ här, eftersom det slutar förändra form när det är riktigt kallt. Så speglarna tillverkades med en ”fel” vinkel, som skulle böjas exakt till den avsedda slutformen när de utsattes för rymdens kyla (-233 °C/-388 °F).
Källa: JWST
Varje spegel skulle slutligen justeras med en precision motsvarande 1/10 000 av tjockleken på ett människohår.
Ultralätta material som kompositer valdes också för teleskopets ryggrad, vilket sparade ytterligare vikt.
Källa: NASA
Att vika ihop
Ett annat stort problem var att den extrema storleken på teleskopets spegel som krävdes av denna design inte skulle få plats i någon tillgänglig raket.
Så tidigt beslutades att veckla ut strukturen komponent för komponent, inklusive solskärmen och speglarna. Hur man effektivt skulle vika ihop hela strukturen och få den att veckla ut sig pålitligt var fortfarande en oro.
NASA‑forskare hämtade inspiration från origami, den japanska konsten att vika papper, och det slutgiltiga valet föll på ett hexagonalt origamimönster.
Detta var ett högriskbeslut för James Webb‑designteamet, eftersom en så komplex uppveckling aldrig tidigare hade gjorts. Och varje misslyckande skulle ha dömt hela projektet.
Du kan se hur uppvecklingen fungerade steg för steg i denna korta JWST‑video:
Solskärm
Eftersom teleskopet observerar sina mål i infrarött var skyddet mot solens värme lika viktigt som att speglarna var tillräckligt lätta och korrekt vecklade.
JWST:s solskärm håller skillnaden mellan den varma och kalla sidan av teleskopet på nästan 315 °C/600 °F, tack vare en femlagers isolering.
Solskärmen är lika stor som en tennisbana och består av lager av Kapton E (polyimidfilm) med aluminium- och dopade kiselbeläggningar för att reflektera solens värme tillbaka ut i rymden.
Telekommunikation
JWST överför sina data tillbaka och tar emot instruktioner från jorden via NASA:s Deep Space Network. Detta passerar markstationer i Canberra, Madrid och Goldstone.
Webb kan sända ner minst 57,2 gigabyte inspelad vetenskapsdata varje dag, med en maximal datahastighet på 28 megabit per sekund.
Källa: Webb Telescope
Andra komponenter
Resten av teleskopet var inte mindre högteknologisk och högpresterande. Ärade omnämnanden kan ges till några utrustningsdelar:
- Cryocooler: JWST:s mellaninfraröda (MIRI) sensorer måste fungera vid -266,15 °C/-447 °F, kallare än själva rymdens djup. Så ett extra kylsystem var tvunget att läggas till för att kyla instrumentet.
- Backplane: Teleskopets ryggrad väger 2,4 ton (5 300 pund) och ger den absoluta stillastående position som behövs för att teleskopet ska kunna ta skarpa bilder. Den konstruerades för att vara stabil ner till 32 nanometer, vilket är 1/10 000 av ett människohårs diameter.
- Micro-shutters: detta rutnät av 248 000 små dörrar kan öppnas och stängas individuellt för att släppa igenom eller blockera ljus. Detta gör att JWST kan observera hundratals enskilda objekt i ett fält av stjärnor eller galaxer samtidigt. Som ett resultat kan JWST utföra mycket fler observationer under en given tidsperiod.
JWST:s prestationer
Efter bara några år i drift har JWST redan fullständigt förändrat hur astronomer förstår universum. Så, även om det är nästan omöjligt att lista allt den redan gjort, är några berättelser värda ytterligare uppmärksamhet.
Spridning av nybildat kol
JWST har identifierat två stjärnor som ansvarar för att generera kolrikt damm bara 5 000 ljusår bort i vår egen Vintergatan. Den upptäckte koncentriska sfäriska ”skal” bildade av de kolliderande solvindarna från de två stjärnorna som sprider nybildat kol i galaxen.
Källa: Webb Telescope
Varje skal rusar bort från stjärnorna med mer än 1 600 miles per sekund (2 600 kilometer per sekund), nästan 1 % av ljusets hastighet. I detta system visar observatoriet att dammskalen expanderar från år till år.
Teleskopets mellaninfraröda bilder upptäckte skal som har bestått i mer än 130 år. Äldre skal har spridits så mycket att de nu är för svaga för att upptäckas.”
Jennifer Hoffman, en medförfattare och professor vid University of Denver
Aktiva objekt i kanten av vårt solsystem
JWST upptäcker gasutsläpp från den isiga ”Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann“, ett kometlikt objekt i Neptuns närhet.
De upptäckte en ny stråle av kolmonoxid (CO) och tidigare osedda strålar av koldioxid (CO₂)-gas, vilket ger nya ledtrådar om kärnans natur i det stjärnliknande objektet.
Källa: Webb Telescope
Bild av närliggande exoplaneter
JWST fångade en direkt bild av en exoplanet bara 12 ljusår bort från oss, Epsilon Indi Ab. Planeten har flera gånger Jupiters massa och kretsar kring en stjärna som påminner något om vår sol.
Den är en av de kallaste exoplaneterna som direkt har upptäckts, med en uppskattad genomsnittstemperatur på 2 °C/35 °F (för jämförelse är jordens genomsnittstemperatur 15 °C (59 °F)).
”Kalla planeter är mycket svaga, och det mesta av deras utsläpp är i mellaninfrarött.
Den är lite varmare och mer massiv, men den liknar Jupiter mer än någon annan planet som hittills har avbildats.”
Elisabeth Matthews från Max Planck Institute for Astronomy i Tyskland.
Komplexa molekyler i bildande planeter
Samtidigt kan exoplaneten K2‑18 b vara en Hycean‑exoplanet, en som potentiellt kan ha en väte‑rik atmosfär och en yta täckt av ett vattenhav.
Exoplaneter som K2‑18 b, som har storlekar mellan jordens och Neptuns, är olik allt i vårt solsystem. Våra fynd understryker vikten av att beakta olika beboeliga miljöer i sökandet efter liv någon annanstans.”
JWST fann också flera kolföreningar och till och med dimetylsulfid i planetens atmosfär.
Källa: NASA
JWST fann för första gången utanför vårt solsystem etan (C2H6), samt etylen (C2H4), propyne (C3H4) och metylradikalen CH3 kring en ung stjärna.
Den gjorde också den första upptäckten av tunga grundämnen från en stjärnsammansmältning, vilket resulterade i den näst ljusaste gammastrålningsutbrottet som någonsin upptäckts, eller en kilonova. JWST:s forskare upptäckte tellur i efterdyningarna av explosionen.
Mest avlägsna (uråldriga) svarta hålet som någonsin upptäckts
I kombination med NASA:s Chandra X-ray Observatory upptäckte JWST ett växande svart hål bara 470 miljoner år efter Big Bang. JWST fann galaxen och Chandra själva det svarta hålet.
Source: NASA
Vi tror att detta är den första upptäckten av ett ”Outsize Black Hole” som bildades direkt från kollapsen av ett enormt gasmoln.
För första gången ser vi ett kortvarigt stadium där ett supermassivt svart hål väger ungefär lika mycket som stjärnorna i dess galax innan det faller bakom.”
Priyamvada Natarajan från Yale University
JWST:s framtid
Efter att ha hittat och analyserat exoplaneter går JWST på jakt efter exomånar. Vi vet att dessa planetära kroppar, potentiellt större än jorden i vissa fall, måste existera, men har aldrig haft ett instrument som är tillräckligt känsligt för att upptäcka dem. Gasjättar som Jupiter är primära kandidater.
JWST kommer också att undersöka supermassiva svarta hål och quasare, svarta hål som spottar materia från sina poler med ljusets hastighet i stjärnliknande mängder. Teleskopet kommer att fokusera på mycket tidiga exemplar av dessa stjärnfenomen.
Slutligen kan studier av galaxer samt universums storskaliga strukturer mycket tidigt ge nya insikter om mörk materia och mörk energi, som verkar undgå forskare i årtionden.
JWST:s huvudsakliga privata entreprenör
Northrop Grumman Aerospace Systems
NOC Prisdiagram
Ett projekt som JWST är nästan alltid resultatet av ett internationellt samarbete, med i detta fall deltagande av NASA, ESA och den kanadensiska rymdbyrån.
Det involverade också många entreprenörer från den privata sektorn, där den mest framstående är flyg- och försvarsföretaget Northrop Grumman (NOC ).
Northrop Grumman är mest känt för skapandet av den ikoniska B‑2 stealth strategiska bombaren, där varje kostar nästan en miljard dollar. Denna mer än 20 år gamla design kommer att ersättas av B‑21, som fortfarande är under utveckling.
Företaget befinner sig också i framkanten av rymdteknik, vilket illustreras av dess arbete med det toppmoderna James Webb rymdteleskopet. Företaget får majoriteten av sina intäkter från rymd- och flygsystem.
Källa: Northrop
En annan stor del är divisionsen för missionssystem, som omfattar ett brett spektrum av sensorer, cyberförsvarsmjukvara, säker kommunikation och C4ISR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance).
Det är också en ledande producent av ammunition, från små kalibrar till styrda projektiler och stora kalibrar.
Northrop Grumman ser fram emot sin roll som leverantör av avancerade vapen, med utveckling och utrullning av autonoma vapensystem:
- X-47B, ett svanslöst, stridsflygplansstort obemannat flygplan.
- Helikopterdrönaren Fire Scout.
- Övervakningsdrönare Global Hawk och MQ-4C Triton.
- Maritima drönare Manta Ray och AQS-24B/C Minehunting System.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), mångsidiga, beständiga och prisvärda taktiska obemannade flygsystem.
Källa: Northrop
Företaget är i framkant av utvecklingen av direkta energivapen (laser), elektronisk krigföring, anti‑drönarsystem och interkontinentala ballistiska missiler.
Ur ett investerings- och finansiellt perspektiv har Northrop Grumman ökat sin utdelning med 12 % CAGR sedan 2014, samtidigt som antalet aktier minskat med 31 %. Detta resulterade i 2,6 miljarder dollar i utdelningar och aktieåterköp 2023, medan företaget genererade 2,1 miljarder dollar i fritt kassaflöde.
Northrop Grumman får nästan uteslutande sina intäkter från den amerikanska försvarsbudgeten, där NASA står för 3 % av intäkterna och internationell försäljning 12 %.
Källa: Northrop
Där företag som RTX och Lockheed levererar huvudparten av USA:s flygvapens kraft (stridsflygplan, missiler, luftförsvar), levererar Northrop Grumman den mest avancerade kapaciteten, från rymden till integrerat befäls- och stealthtunga bombare.
Och kanske snart en betydande del av de avancerade drönarna, den elektroniska krigföringen och energivapnen också.
Med den växande betydelsen av drönare och elektronisk krigföring kommer Northrop sannolikt att bli allt mer central för USA:s både offensiva och defensiva kapaciteter. Och dess nya stealth‑bombare kommer att vara en nyckelfaktor för att hålla jämna steg med jämnåriga motståndare som Ryssland och Kina, där spänningarna förblir mycket höga.
