pirmoji nuotrauka, gauta Jameso Webbo kosminiu teleskopu
Jameso Webbo kosminis teleskopas (Jameso Webbo kòsminis teleskòpas; pavadintas NASA vadovo 1961–68 Jameso Webbo garbei), JWST (angl. James Webb Space Telescope), NASA, Europos kosmoso agentūros ir Kanados kosmoso agentūros kosminis teleskopas, kuriuo atliekami astronominiai stebėjimai infraraudonųjų spindulių srityje. JWST teleskopo kūrimui vadovavo NASA Goddardo kosminių skrydžių centras (angl. Goddard Space Flight Center, GSFC). Teleskopą valdo Kosminių teleskopų mokslo institutas. Projektuoti pradėtas 1996. Paleistas 2021 12 25. 2022 01 pasiekė Saulės–Žemės Lagrangeʼo tašką L2. Pirmasis Jameso Webbo kosminiu teleskopu nufotografuotas vaizdas buvo paskelbtas 2022 07 11.
Teleskopo konstrukcija ir įranga
JWST yra didžiausias optinis teleskopas, veikiantis kosminėje erdvėje. Šio teleskopo infraraudonųjų spindulių skiriamoji geba ir jautrumas gerokai lenkia jo pirmtako, Hubbleʼio kosminio teleskopo, parametrus, todėl JWST gali aptikti iki 100 kartų silpnesnius objektus, esančius dideliu atstumu.
Pagrindinis JWST veidrodis susideda iš 18 šešiakampių veidrodžio segmentų, pagamintų iš paauksuoto berilio, kurie visi kartu sudaro 6,5 m skersmens veidrodžių mozaiką. JWST šviesą atspindinčio veidrodinio paviršiaus plotas yra apie 25 m2. Auksu dengtas veidrodžio sluoksnis gerai atspindi infraraudonuosius spindulius, t. p. jis papildomai padengtas plonu apsauginiu stiklo sluoksniu, kuris užtikrina atspindinčio sluoksnio padengimo ilgaamžiškumą. Teleskopo masė yra šiek tiek didesnė nei 6 tonos. JWST vykdo stebėjimus šviesos spektro intervale tarp artimosios ir vidurinės infraraudonosios spinduliuotės (0,6 μm ≥ λ ≥ 28,3 μm). Dėl šios priežasties teleskopas turi būti laikomas itin šaltai, žemesnėje nei 50 K (–223 °C) temperatūroje, kad įkaitusio teleskopo korpuso ar kitų jo dalių skleidžiama infraraudonoji spinduliuotė netrukdytų stebėjimams. Nuo Saulės, Žemės ir Mėnulio spinduliuotės, galinčios įkaitinti teleskopą, jį saugo penkių sluoksnių Saulės skydas.
Jameso Webbo kosminis teleskopas (dailininko piešinys)
JWST observatorijoje yra sumontuotas Integruotas mokslo instrumentų modulis (angl. Integrated Science Instrument Module, ISIM), kuris yra pagamintas iš grafito bei epoksidinės dervos kompozito ir pritvirtintas prie teleskopo konstrukcijos apačios. ISIM – tai sistema, aprūpinanti JWST teleskopą elektros energija, atliekanti kompiuterines operacijas, užtikrinanti tinkamą aušinimą ir struktūrinį stabilumą. ISIM modulyje yra keturi moksliniai instrumentai (NIRCam, NIRSpec, MIRI ir NIRISS) ir gidavimo kamera (FGS).
NIRCam (angl. Near Infrared Camera) yra artimosios infraraudonosios spinduliuotės kamera, jautri elektromagnetinėms bangoms nuo 0,6 μm iki 5 μm, ir skirta didelės raiškos silpnų tolimų Visatos objektų nuotraukoms gauti. Ši kamera turi 10 jutiklių, kurių kiekvieną sudaro 4 mln. pikselių. Be to, NIRCam matuoja iš JWST veidrodžio ateinantį bangos frontą, kurį išanalizavus sufokusuojamas pagrindinis veidrodis tinkamai išlygiuojant jo segmentus. NIRSpec (angl. Near Infrared Spectrograph) yra artimosios infraraudonosios spinduliuotės kelių objektų spektrografas, atliekantis spektroskopinius stebėjimus elektromagnetinių bangų srityje nuo 0,6 μm iki 5 μm. Jį sudaro du jutikliai, kurių kiekvienas turi 4 mln. pikselių. NIRSpec prietaisas vienu metu gali išmatuoti iki 100 objektų (žvaigždžių ar galaktikų) trijų skirtingų spektrinės skiriamosios gebos (100 < R< 3000) spektrus. NIRSpec gali veikti keturiais skirtingais režimais; jis gali atlikti ir didelio kontrasto egzoplanetų spektroskopiją.
MIRI (angl. Mid-Infrared Instrument) instrumentą sudaro kamera ir spektrografas, atliekantys matavimus vidurinės infraraudonosios spinduliuotės bangų ilgių diapazone nuo 5 μm iki 27 μm.
pagrindinis JWST veidrodis yra sudarytas iš atskirų šešiakampių segmentų
MIRI temperatūra palaikoma apie 6 K (–267 °C) šaldant jį helio dujų mechaniniu aušintuvu, esančiu šiltojoje JWST Saulės skydo pusėje. FGS/NIRISS (angl. Fine Guidance Sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph) įrenginys naudojamas teleskopo stebėjimo krypčiai stabilizuoti. FGS gidavimo jutiklis naudojamas bendrai erdvėlaivio orientacijai valdyti ir vaizdui stabilizuoti tiksliai pakreipiant vaizdo nukreipimo veidrodėlį. Artimosios infraraudonosios spinduliuotės vaizdo kamera ir beplyšis spektrografas (NIRISS) skirtas astronominiams vaizdams fotografuoti ir spektroskopijai 0,8–5 μm bangos ilgių srityje. Nors NIRISS ir FGS dažnai traktuojami kaip vienas instrumentas, bet realiai jie naudojami visiškai skirtingiems tikslams: vienas yra mokslinis instrumentas, o kitas – teleskopo pagalbinės infrastruktūros dalis.
NIRCam ir MIRI turi žvaigždžių šviesą blokuojančius koronagrafus, leidžiančius stebėti silpnus taikinius, esančius labai arti ryškių žvaigždžių (pvz., egzoplanetas arba aplink žvaigždes esančius diskus).
Skriejimo orbita
JWST skrieja aplink Saulę netoli Lagrangeʼo taško L2, kuris yra 1,5 mln. km toliau nuo Saulės nei Žemės orbita ir maždaug keturis kartus toliau nuo Žemės nei Mėnulio orbita. Santykinai nedidelis JWST atstumas nuo Žemės leidžia pakankamai greitai su juo komunikuoti ir perduoti duomenis. Paprastai objektas, skriejantis aplink Saulę toliau nei Žemė, savo orbita Saulę apskrietų per daugiau nei per vienerius metus. Tačiau netoli L2 taško esantys objektai dėl bendros Žemės ir Saulės gravitacinės traukos gali skrieti aplink Saulę tokiu pačiu periodiškumu ir kampiniu greičiu kaip ir Žemė.
Svarbu, kad JWST yra ne tiksliai L2 taške. Jis skrieja aplink L2 tašką halo orbita, kuri yra pasvirusi ekliptikos atžvilgiu. Šios orbitos spindulys svyruoja nuo 250 000 km iki 832 000 kilometrų. Erdvėlaivis ją visiškai apskrieja maždaug per pusę metų. Kadangi L2 yra tik pusiausvyros taškas, kuriame nėra gravitacinės traukos, erdvėlaivis iš tikrųjų skrieja aplink Saulę, o halo orbita gali būti traktuojama kaip kontroliuojamas erdvėlaivio dreifavimas, būtinas išlaikyti JWST netoli L2 taško.
Tyrimai
JWST orbita leidžia jam nuolat stebėti kosmosą, t. p. palaikyti teleskopo optikos ir mokslinių instrumentų pakankamai žemą temperatūrą. Teleskopo padėties korektoriai (2 vairavimo įrenginių komplektai) naudojami jo orbitos korekcijai bei Saulės spinduliuotės slėgiui į didžiulį Saulės skydą neutralizuoti.
JWST gali stebėti Saulės sistemos objektus, esančius didesniu nei 85° kampu nuo Saulės, ir kurių regimasis kampinis judėjimo greitis yra mažesnis nei 0,03′′/s. Tai reiškia, kad jis gali stebėti Marsą, Jupiterį, Saturną, Uraną, Neptūną, Plutoną, jo palydovus, kometas, beveik visus žinomus Kuiperio juostos objektus ir asteroidus, esančius Marso orbitoje arba už jos. Be iš anksto suplanuotų stebėjimų, JWST per 48 valandas gali būti nukreiptas į neplanuotus taikinius, tokius kaip supernovos ir gama spindulių žybsniai.
JWST gali aptikti labai nutolusius blankius objektus, kurių raudonasis poslinkis z ≈ 20. Visatai plečiantis tolimesni objektai nuo mūsų tolsta greičiau, o jų šviesa dėl raudonojo Doplerio poslinkio pasislenka į ilgųjų bangų pusę ir pasidaro raudonesnė. Todėl labai dideliais atstumais esančius objektus lengviau stebėti infraraudonųjų spindulių srityje. Be to, kuo objektas yra toliau, tuo jaunesnis jis matomas. Todėl tikimasi, kad stebėdamas objektus infraraudonųjų spindulių srityje teleskopas JWST galės tirti pirmąsias vos susiformavusias galaktikas jų jaunystėje, praėjus vos keliems šimtams milijonų metų po Didžiojo sprogimo.
galaktikų spiečiaus SMACS 0723 kryptimi Hubbleʼio (kairėje) ir JWST (dešinėje; tai ir pirmoji JWST teleskopu gauta nuotrauka) teleskopais gautų vaizdų palyginimas
Tikimasi, kad JWST leis atlikti įvairius tyrimus astronomijos ir kosmologijos srityse, pvz., stebėti pirmąsias Visatos žvaigždes, pirmųjų galaktikų formavimąsi bei detaliai apibūdinti potencialiai gyvybei tinkamų egzoplanetų atmosferas. Jameso Webbo kosminio teleskopo keturi pagrindiniai tikslai: ieškoti pirmųjų žvaigždžių ir galaktikų, susiformavusių Visatoje netrukus po Didžiojo sprogimo; tirti galaktikų formavimąsi ir evoliuciją; tirti žvaigždžių ir planetų formavimąsi; tirti egzoplanetų sistemas ir gyvybės kilmę, nustatyti, ar egzoplanetų atmosferose yra metano, išsiaiškinti, ar tose planetose esantis metanas yra biologinės kilmės. Yra kelios priežastys, dėl kurių JWST buvo sukurtas stebėti objektus būtent infraraudonųjų spindulių srityje.
Pvz., labai ankstyvų ir tolimų objektų, kurių raudonasis poslinkis yra didelis, regimosios spinduliuotės bangos ilgiai pasislenka į infraraudonųjų spindulių pusę, todėl jų spinduliuojamą šviesą šiandien galima stebėti tik infraraudonųjų spindulių srityje. Infraraudonieji spinduliai lengviau prasiskverbia pro dulkių debesis nei optiniai spinduliai. Vėsesni objektai, pvz., nuolaužų diskai ir planetos, intensyviausiai spinduliuoja infraraudonųjų spindulių srityje. Antžeminiais teleskopais sudėtinga atlikti infraraudonųjų spindulių stebėjimus, nes Žemės atmosfera, pro kurią praeina spinduliai, daugelyje infraraudonųjų spindulių dažnių intervalų yra neskaidri. Spektroskopiškai ieškant egzoplanetų atmosferose gyvybei būdingų junginių, tokių kaip vanduo, anglies dioksidas, metanas, antžeminių stebėjimų analizė būna komplikuota, nes šie junginiai egzistuoja ir Žemės atmosferoje. Esamais kosminiais teleskopais, pvz., Hubbleʼio, negalima atlikti stebėjimų infraraudonųjų spindulių srityje, nes jų veidrodžių temperatūra yra per aukšta.
3203