Skoro Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest już rozłożony, to dlaczego na obserwacje poczekamy jeszcze pół roku?

Dlaczego, jak to? Pewnie takie pytania rodzą się wam w głowie, skoro wszyscy wokół trąbią, że teleskop rozłożył się pomyślnie. A to chyba oznacza, że jest gotów do obserwacji. Gotów owszem, ale jeszcze nie w pełni i w tym materiale wyjaśnimy sobie, dlaczego trzeba co najmniej pół roku zanim Webb rozpocznie na dobre pracę.

W ciągu ostatnich dwóch tygodni zrealizowano następujące punkty planu wdrożenia teleskopu Webb do pracy.

Samo rozłożenie struktury teleskopu i osłony przeciwsłonecznej obejmowało kilkadziesiąt działań, z których najważniejsze to:

• 25 grudnia 2021 - wystrzelenie teleskopu na orbitę Ziemi,
• 25 grudnia 2021 - rozłożenie paneli słonecznych,
• 25 grudnia 2021 - pierwszy manewr orbitalny, by skierować teleskop w kierunku punktu L2, 14 godzin po starcie w odległości 133 tysięcy km od Ziemi,
• 26 grudnia 2021 - uruchomienie głównej anteny do komunikacji z Ziemią, będzie ona dwa razy dziennie przesyłać dane (w sumie co najmniej 28,6 gigabajta),
• 28 grudnia 2021 - rozłożenie „kręgosłupa” teleskopu, czyli elementów struktury obserwatorium przed i za zwierciadłem (konstrukcja osiągnęła długość 21,3 metra),
• 29 grudnia 2021 - odseparowanie poprzez rozsunięcie części z teleskopem i instrumentami od części z osłoną przeciwsłoneczną i nie chronioną przez nią częścią całego pojazdu, tak by możliwe było rozłożenie i naprężenie osłony przeciwsłonecznej,
• 30 grudnia 2021 - rozłożenie tylnej klapy stabilizującej pozycję teleskopu w przestrzeni,
• 30 grudnia 2021 - usunięcie osłon chroniących osłonę przeciwsłoneczną na czas startu,
• 31 grudnia 2021 - rozłożenie bocznych wysięgników, tak by osłona przeciwsłoneczna mogła się rozsunąć na boki (szerokość 14,3 metra),
• 4 stycznia 2022 - zakończenie rozkładania i napinania osłony przeciwsłonecznej.

Zwierciadło główne teleskopu kosmicznego Webb o średnicy około 6,5 metra ma powierzchnię zbierającą światło około 6,25 razy większą niż w przypadku teleskopu Hubble

Następnie przystąpiono do złożenia wspornika zwierciadła wtórnego i złożenia zwierciadła głównego. Zajęło to kolejne kilka dni. Pierwsze ze skrzydeł zwierciadła złożono 7 stycznia, drugie 8 stycznia 2022 roku. Po zakończeniu tych operacji teleskop znajdował się około miliona kilometrów od Ziemi.

W tym momencie można powiedzieć, że teleskop jest wstępnie przygotowany do pracy. To tak jakby w przypadku składanego peceta wyjąć z opakowania płytę główną, procesor, pamięci i połączyć je poprzez instalację procesora w podstawce, dołączenie radiatora, wsunięcie pamięci w sloty oraz usuniecie wszelkich elementów zabezpieczających na czas transportu.

Stosując powyżej przytoczoną pecetową terminologię, trzeba jeszcze to wszystko umieścić w obudowie, podłączyć do zasilacza i innych akcesoriów, ułożyć odpowiednio kabelki, a potem po uruchomieniu komputera wszystko skonfigurować. Analogiczne działania czekają obsługę teleskopu Webb. Można podzielić je na trzy etapy.

• umieszczenie teleskopu we właściwym miejscu dla prowadzenia obserwacji, co będzie wiązało się z odpaleniem silników przed wejściem na tak zwaną orbitę halo wokół punktu L2, w odległości około 1,4 miliona kilometrów od Ziemi,
• przygotowanie optyki do pracy, co wcale nie jest równoznaczne ze wstępnym złożeniem zwierciadła, każdy segment zwierciadła będzie dokładnie pozycjonowany,
• schłodzenie i skalibrowanie instrumentów obserwacyjnych, testy poszczególnych trybów obserwacji. 

Gdyby teraz astronomowie zdecydowali się wykonać jakiekolwiek zdjęcie nieba z pomocą Webba byłoby one prawdopodobnie nieostre i bez wartości naukowej.

Niestety nie. Pewne manewry, takie jak wprowadzenie teleskopu na właściwą orbitę wokół punktu L2, które nastąpi pod koniec stycznia, to działania szybkie, ale odpowiednie wyjustowanie (ustawienie) optyki zajmie miesiące.

Konieczne będzie zgranie 18 segmentów zwierciadła, które dla ludzkiego oka wydawać się może już perfekcyjnie wyprofilowaną powierzchnią, ale nie dla instrumentów naukowych. W trakcie justowania każdy segment porusza się w tempie porównywalnym do wzrostu źdźbła trawy, jak to obrazowo określają naukowcy pracujący przy Webbie. Bardzo wolno, ale dzięki temu precyzja pozycjonowania każdego elementu zwierciadła sięga 1/10000 grubości ludzkiego włosa.

Gdy uda się odpowiednio zgrać położenie segmentów zwierciadła, dalsze korekty ostrości będą realizowane już za pomocą pozostałych elementów optycznych, instrumentów naukowych, a także poprzez odpowiednią korekcję uzyskanych już w trakcie obserwacji obrazów.

Nie tylko Webb wymaga wielomiesięcznych przygotowań zanim rozpocznie obserwacje. Również teleskopy naziemne po zakończeniu budowy przechodzą długotrwałe etapy przygotowania do pracy

Wolnym procesem jest także schłodzenie instrumentów naukowych. Nie chodzi tu tylko o odizolowanie ich od bezpośredniego wpływu Słońca, ale również o stopniowe, a nie gwałtowne obniżenie temperatury, by nie dopuścić do uwolnienia gazów zawartych w elementach konstrukcji, które mogą kondensować się potem na powierzchniach optycznych i elektronice.

Webb ma do dyspozycji cztery instrumenty naukowe, wszystkie przeznaczone do obserwacji w podczerwieni. Są to:

• Mid-Infrared Instrument (MIRI), czyli kamera i spektrograf do obserwacji w średniej podczerwieni (długości fal od 4,9 do 28,8 um), którą wyposażono w kriogeniczną chłodziarkę, w przypadku tego instrumentu procedura schładzania jest wyjątkowo krytyczna i potrwa około 100 dni,
• Near-Infrared Camera (NIRCam), czyli kamera do obserwacji w bliskiej podczerwieni (długości fal od 0,6 do 5 um), podobnie jak MIRI wyposażona w koronografy
• Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph/Fine Guidance Sensor (NIRISS/FGS), czyli połączenie sensora do pozycjonowania teleskopu z instrumentem obserwacyjnym (kamera/spektrograf bezszczelinowy) dla bliskiej podczerwieni,
• Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), czyli spektrograf bliskiej podczerwieni.

Każdy z tych instrumentów to skomplikowane połączenie elektroniki, optyki i mechaniki, które wymaga precyzyjnej kalibracji po atrakcjach jakimi był start i lot do okolic punktu L2. Ten etap przygotowania aparatury do pracy rozpocznie się, gdy wszystkie elementy optyczne zostaną już odpowiednio dostrojone, czyli 4 miesiące po starcie (3 miesiące po przybyciu na miejsce obserwacji).

Ostatni miesiąc przed rozpoczęciem obserwacji naukowych zajmie stopniowe przekazywanie do pracy kolejnych instrumentów. Teoretycznie po 180 dniach, czyli w okolicach najbliższego przesilenia letniego, Webb powinien być gotów do poważnych obserwacji. To oczywiście najbardziej optymistyczny scenariusz, ale biorąc pod uwagę jak udanie realizowane są kolejne etapy misji, możemy być dobrej myśli.

Źródło: Webb, NASA, STScI, inf. własna, fot. wejściowe: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez