Γνωρίστε τη γυναίκα που κάνει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb να λειτουργήσει

«Δώσε μου ένα τηλεσκόπιο και μπορώ να βρω κάτι καλό για να το κάνω», λέει η Jane Rigby, αστροφυσικός στο Goddard Space Flight Center της NASA που χρησιμεύει ως επιστήμονας του έργου του οργανισμού για το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, αξίας 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων. το μεγαλύτερο και πιο ισχυρό παρατηρητήριο εκτός κόσμου που έχει κατασκευαστεί από την ανθρωπότητα. Κατά τη διάρκεια της καριέρας της, η Rigby έχει χρησιμοποιήσει πολλές από τις κορυφαίες αστρονομικές εγκαταστάσεις του κόσμου στο έδαφος και στο διάστημα - και διευθύνει μια από τις πολλές εκστρατείες «επιστήμης έγκαιρης απελευθέρωσης» του Webb που είναι προφορτωμένες για τον πρώτο χρόνο των παρατηρήσεών της, χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο για τη μελέτη του σχηματισμού άστρων σε γαλαξίες σε αιώνες του κοσμικού χρόνου. Αλλά η κύρια δουλειά της με την Webb είναι να συνεργαστεί με την ομάδα της για να διασφαλίσει ότι όλοι όσοι έχουν την τύχη να τη χρησιμοποιούν μπορούν να κάνουν «κάτι καλό», φροντίζοντας το πλήρες εύρος των επιστημονικών ερευνών που θα πραγματοποιήσει το τηλεσκόπιο για ερευνητές σε όλο τον κόσμο κατά τη διάρκεια των προγραμματισμένων πέντε Πρωταρχική αποστολή του έτους. Αυτό δεν είναι μικρό έργο:Για όσους ελπίζουν να αποσπάσουν όσο το δυνατόν περισσότερη επιστήμη από αυτό το μοναδικό στο είδος του παρατηρητήριο, κάθε στιγμή του χρόνου του Webb είναι πολύτιμη — και ο Rigby επιβλέπει το πρόγραμμα.

Από τότε που η Webb εκτοξεύτηκε την ημέρα των Χριστουγέννων του 2021, αυτή και οι συνάδελφοί της εργάζονται ασταμάτητα για να προετοιμάσουν το αστεροσκοπείο για να παραδώσει πρωτοποριακές ανακαλύψεις σχετικά με τους πρώτους γαλαξίες του σύμπαντος, τους κοντινούς εξωπλανήτες και πολλά άλλα. Τώρα, με τους καθρέφτες και τα όργανά του έτοιμα και την εναρκτήρια παρτίδα επιστημονικών εικόνων και δεδομένων για επικείμενη κυκλοφορία, οι επαναστατικές μελέτες του Webb είναι έτοιμες να ξεκινήσουν πραγματικά. Scientific American μίλησε με τον Rigby για την ομαδική εργασία που χρειάζεται για τη λειτουργία του Webb, την αβέβαιη μακροζωία του αστεροσκοπείου και το λεπτό έργο της μεγιστοποίησης των αποδόσεων μιας επένδυσης 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων στο μεγαλύτερο και καλύτερο τηλεσκόπιο στο γνωστό σύμπαν.

[Ακολουθεί μια επεξεργασμένη μεταγραφή της συνέντευξης .]

Τα πράγματα φαίνονται καλά για τον Webb, έτσι δεν είναι; Είμαστε στα πρόθυρα να δούμε τις πρώτες επιστημονικές εικόνες του τηλεσκοπίου, η απόδοσή του έχει ξεπεράσει τις προσδοκίες κατά τη θέση σε λειτουργία και το ταξίδι του στο βαθύ διάστημα του άφησε αρκετό πλεόνασμα προωθητικού για να συνεχίσει τις λειτουργίες του στη δεκαετία του 2040—πολλά χρόνια πέρα ​​από την «ονομαστική» διάρκεια ζωής της αποστολής του . Πόσο αξιοσημείωτο είναι να σκεφτόμαστε ότι μπορεί να πάρουμε τόσο πολύ «επιπλέον» χρόνο από αυτό το πράγμα που απαιτεί δεκαετίες σταθερής, επιμελούς δουλειάς και 10 δισεκατομμύρια δολάρια, αυτή η εκπληκτική εγκατάσταση που μπορεί από ορισμένες απόψεις να είναι η μοναδική μεγαλύτερη επένδυση που έγινε ποτέ στην αστροφυσική. Ήθελα λοιπόν να σας μιλήσω για το πώς το έργο προστατεύει αυτήν την επένδυση και πώς θα μεγιστοποιήσει τον χυμό για το στύψιμο, ας πούμε έτσι.

Τα πράγματα φαίνονται υπέροχα, απολύτως. Αυτό το τηλεσκόπιο δεν είναι μόνο τόσο καλό όσο υποσχεθήκαμε - από πολλές απόψεις, είναι καλύτερο. Και είμαι στην ευχάριστη θέση να μιλήσω για όλες τις πτυχές της παρασκευής χυμού. Όπως όλοι οι άλλοι στην ομάδα, είμαι ενθουσιασμένος που θα αποκαλύψω τις πρώτες επιστημονικές εικόνες του Webb. Αυτή θα είναι η πρώτη φορά που βγάζουμε λίγο «ζουμί» και από εκεί ο καθένας μπορεί να κρίνει μόνος του πόσο γλυκό είναι. Μου αρέσει αυτή η αλληγορία του «χυμού» — αρκεί να μην μιλάμε για στεροειδή.

Περιμένετε, αλλά δεν είναι το Webb "Hubble για στεροειδή"; Συγγνώμη, κακόγουστο αστείο.

Θα χρειαζόταν πολλά στεροειδή, στην πραγματικότητα. Το Webb είναι εκατό φορές πιο ισχυρό από τα υπάρχοντα παρατηρητήρια.

Χα, εντάξει. Επομένως, είστε ο επιστήμονας του έργου Webb για τις επιχειρήσεις. Αυτό σημαίνει ότι βγάζετε όλο το ζουμί;

Λοιπόν, ένα από τα πράγματα που κάνει ένας επιστήμονας έργου είναι να ενεργεί ως συνείδηση ​​για την επιστήμη. Αυτό το τηλεσκόπιο κατασκευάστηκε ως επί το πλείστον από μηχανικούς και διευθυντές, αλλά και οι επιστήμονες έπρεπε να είναι στο βρόχο, για να διασφαλίσουν ότι μπορεί να κάνει την επιστήμη για την οποία κατασκευάζεται. Τώρα, ως επιστήμονας του προγράμματος «επιχειρήσεων», αυτό σημαίνει ότι ανησυχώ για το πώς θα χρησιμοποιήσουμε το τηλεσκόπιο - από την επιλογή προτεινόμενων παρατηρήσεων έως τη δημιουργία χρονοδιαγραμμάτων παρατήρησης, από τη λειτουργία του τηλεσκοπίου έως την επιστροφή των δεδομένων στη Γη και την αφαίρεση όλων των οργανικές υπογραφές. Ό,τι χρειάζεται για να γίνει η επιστήμη.

Σωστά. Έτσι, για να είμαστε ξεκάθαροι, είστε επιστήμονας επιχειρησιακών έργων, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι επιλέγετε πού φαίνεται ο Webb ή ποιος μπορεί να το χρησιμοποιήσει.

Δεν υπάρχει "ποιος ξέρεις" μέσα στο κομμάτι. Ο περισσότερος χρόνος του Webb διατίθεται μέσω πολύ ανταγωνιστικής αξιολόγησης από ομοτίμους. Για τα προγράμματα του Cycle 1 General Observer, επιστρατεύσαμε μια ομάδα 200 ειδικών —όλοι εικονικοί λόγω του COVID— για να εξετάσουν και να ταξινομήσουν περισσότερες από χίλιες προτάσεις από όλο τον κόσμο. Επιλέχθηκε το πρώτο τρίμηνο των προτάσεων. Αυτό γίνεται διπλά ανώνυμα:οι αξιολογητές δεν γνωρίζουν ποιος έγραψε τις προτάσεις και οι προτείνοντες δεν ξέρουν ποιος τις αξιολογεί. Θέλουμε να κρίνουμε από την ποιότητα των ιδεών. Αυτό σημαίνει, για παράδειγμα, είναι δυνατό για έναν αυτοδίδακτο από εξωτερικό ακαδημαϊκό χώρο να έχει χρόνο στο Webb. Θα μπορούσατε να ζείτε σε μια χώρα που δεν της αρέσει απαραιτήτως η χώρα μας ή που δεν έκανε τίποτα για να βοηθήσει στην κατασκευή του τηλεσκοπίου και στις περισσότερες περιπτώσεις μπορείτε ακόμα να το χρησιμοποιήσετε, σωστά; Είναι ένας ανοιχτός διαγωνισμός γιατί θέλουμε τις καλύτερες ιδέες.

Πώς μπορείτε όμως να συνδυάσετε όλες αυτές τις «καλύτερες» ιδέες για να καταλάβετε ποιες έχουν προτεραιότητα; Φαίνεται δύσκολη δουλειά.

Αυτό θα είναι σαν να εξηγούμε τη διαφορά μεταξύ της κατασκευής ενός αποχυμωτή έναντι της χρήσης του για την παρασκευή χυμού, του να δούμε πού μπλοκάρει και να τον επισκευάσουμε.

Λοιπόν, πρώτα μερικά βασικά:Ο Webb μπορεί να δείξει οπουδήποτε μέσα στο ένα τρίτο του ουρανού κάθε μέρα. Αυτός ο περιορισμός διασφαλίζει ότι η ηλιοπροστασία είναι πάντα προσανατολισμένη έτσι ώστε να εμποδίζει το φως από τη Γη, τον Ήλιο και τη Σελήνη. Αυτό το πεδίο παρατηρησιμότητας προχωρά έτσι ώστε ο Webb μπορεί να δει το 100 τοις εκατό του ουρανού κατά τη διάρκεια ενός έτους. Γνωρίζοντας ότι, για οποιονδήποτε σταθερό στόχο (όπως σε έναν που δεν περιστρέφεται γύρω από το ηλιακό σύστημα), μπορούμε να υπολογίσουμε ποιες και πόσες ημέρες ετησίως μπορεί να τον δει ο Webb. Οι στόχοι στο επίπεδο του ηλιακού μας συστήματος είναι διαθέσιμοι για περίπου 60 ημέρες το χρόνο. Στόχοι έξω από το αεροπλάνο (ευθεία μέχρι τους βόρειους ή νότιους πόλους του ηλιακού μας συστήματος) είναι διαθέσιμοι όλο το χρόνο. Οι στόχοι στα ενδιάμεσα εκλειπτικά γεωγραφικά πλάτη βρίσκονται μεταξύ αυτών των άκρων.

Κάποιους στόχους που πρέπει να τηρούμε σε συγκεκριμένες στιγμές. Όπως εξωπλανήτες σε συγκεκριμένα σημεία σε τροχιά γύρω από τα αστέρια τους, ή ένα αστέρι που εκρήγνυται ή κάποιο άλλο φαινόμενο που εξαρτάται από το χρόνο.

Υπάρχει επίσης ένα ερώτημα πόσο σκοτεινός είναι ο ουρανός. Για ορισμένους στόχους και μήκη κύματος, έχει μεγάλη σημασία αν κοιτάτε μέσα από καυτή σκόνη προς τον Ήλιο ή ψυχρότερη σκόνη πιο έξω στο ηλιακό σύστημα. Έτσι, για έναν δεδομένο στόχο, το πόσο σκοτεινός είναι ο ουρανός για την παρατήρησή του ποικίλλει εποχιακά. Για ορισμένες παρατηρήσεις, δεν μας ενδιαφέρει πραγματικά. Αλλά αν κοιτάμε πραγματικά αμυδρά πράγματα, τότε θέλουμε να προγραμματίσουμε όταν ο ουρανός φόντου είναι όσο το δυνατόν πιο σκοτεινός.

Επίσης, δεν θέλουμε ο Webb να είναι αδρανής. Και, πρέπει να φέρουμε τα δεδομένα πίσω στη Γη. Μιλάμε στη Γη περίπου το ένα τρίτο του χρόνου κατά τη διάρκεια των κανονικών επιστημονικών λειτουργιών, με μια κεραία με αντιστοιχία που μπορούμε να δείξουμε ενώ παρατηρούμε. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων δεν είναι κακός - περίπου 30 megabit ανά δευτερόλεπτο - αλλά είναι πιο αργός από ένα καλωδιακό μόντεμ και υπάρχουν 57 megapixel μνήμης στα όργανα του Webb. Αυτό το καταφέρνουμε ζητώντας από τους χρήστες να μην είναι γουρούνια δεδομένων και κάνοντας πολλή συμπίεση δεδομένων.

Προγραμματίζουμε το τηλεσκόπιο βελτιστοποιώντας όλους αυτούς τους περιορισμούς, για να δημιουργήσουμε μια οικογένεια αποδεκτών λύσεων. Κάνουμε ένα μακροπρόθεσμο πλάνο, στο οποίο για κάθε παρατήρηση, εκχωρούμε ίσως ένα χρονικό διάστημα ενός μήνα όπου είναι πιθανό να φτάσει. Και στη συνέχεια κάθε επτά έως 10 ημέρες θα κάνουμε ένα λεπτομερές πρόγραμμα για εκείνη την εβδομάδα - τη σειρά κτυπήματος, ας πούμε έτσι. Αυτή η διαδικασία έχει προσαρμοστεί από το Hubble, το οποίο έχει επίσης πολλούς περιορισμούς, αν και οι Webb είναι αρκετά διαφορετικοί από εκείνους του Hubble.

Όπως;

Πρώτα απ 'όλα, για το Hubble η Γη βρίσκεται στο δρόμο του μισού χρόνου. Το Hubble χρησιμοποιεί αυτόν τον χρόνο για να πάει στον επόμενο στόχο και διαφορετικά να ετοιμαστεί. Ο Webb δεν έχει αυτό το πρόβλημα, καθώς βρίσκεται στο βαθύ διάστημα. Αυτό σημαίνει ότι ο Webb δεν μπορεί να κρύψει τις δολοφονίες του πίσω από τη Γη όπως το Hubble. Το Webb είναι ένα μεγάλο τηλεσκόπιο, επομένως κινείται πιο αργά από τον λεπτοδείκτη ενός ρολογιού. Έτσι, αν θέλετε να το γυρίσετε 180 μοίρες, αυτό διαρκεί περισσότερο από μία ώρα. Επομένως, για να χρησιμοποιήσουμε τη γλώσσα με βάση το φύλο, ο προγραμματισμός είναι το κλασικό πρόβλημα του «ταξιδιώτη πωλητή»—πώς μπορείτε να βελτιστοποιήσετε μια δέσμη διαφορετικών «στάσεων» για να σχηματίσετε μια διαδρομή; Συνδέουμε ένα σωρό επισκέψεις που είναι κοντά στον ουρανό για να αποφύγουμε μεγάλες, χρονοβόρες περιπέτειες.

Υπάρχει ένας άλλος τρόπος με τον οποίο το Webb και το Hubble διαφέρουν, κάτι που είναι σημαντικό για τον προγραμματισμό και τη φροντίδα του τηλεσκοπίου, και αυτός είναι η συσσώρευση ορμής. Αποδεικνύεται ότι το γεγονός ότι τα φωτόνια φέρουν ορμή θέτει ένα όριο στη διάρκεια ζωής του τηλεσκοπίου. Επειδή το προωθητικό είναι ένας από τους κύριους περιορισμούς στη διάρκεια ζωής του Webb και η διαχείριση της ορμής είναι μία από τις κύριες χρήσεις προωθητικού του Webb.

Μπορείτε να μας το αποσυσκευάσετε λίγο;

Τα φωτόνια που χτυπούν την ηλιοπροστασία του Webb εφαρμόζουν ροπή. Τώρα, θα μπορούσαμε να προσανατολίσουμε το ηλιακό προστατευτικό κάλυμμα για να ακυρώσει τις ροπές στρέψης—αλλά θέλουμε να στρέφουμε το τηλεσκόπιο προς στόχους, όχι να ισορροπήσουμε τέλεια το ηλιακό φως από το ηλιακό φως. Έτσι, τα φωτόνια χτυπούν την ηλιοπροστασία, εφαρμόζουν ροπή και οι τροχοί αντίδρασης του Webb περιστρέφονται για να εξουδετερώσουν αυτό το φαινόμενο και να κρατήσουν το τηλεσκόπιο στραμμένο. Αλλά οι τροχοί αντίδρασης μπορούν να περιστρέφονται μόνο τόσο γρήγορα. Περιστασιακά πρέπει να απορρίψουν τη γωνιακή τους ορμή. Σε χαμηλή τροχιά στη Γη, το Hubble απλώς συνδέει τους τροχούς αντίδρασης με το μαγνητικό πεδίο της Γης για να τους επιβραδύνει. Αυτό δεν λειτουργεί στο βαθύ διάστημα, οπότε ο Webb πυροδοτεί προωθητές για να πιέσει ενάντια στην περιστροφή των τροχών αντίδρασης. Κάνουμε αυτές τις απορρίψεις ορμής περιοδικά, κάθε φορά χρησιμοποιώντας λίγο προωθητικό. Αλλά, όπως αναφέρατε, σε αυτό το στάδιο έχουμε αρκετό προωθητικό για να φτάσουμε στη δεκαετία του 2040, επομένως η μακροζωία του Webb είναι πιο πιθανό να περιοριστεί από τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων…. Ειλικρινά, όμως, είναι περίεργο να σχεδιάζω τις μέρες του γηροκομείου αυτού του τηλεσκοπίου όταν είναι ακόμα νεογέννητο μόλις ανοίγει τα μάτια του!

Μπορεί να μην σας αρέσει αυτή η επόμενη ερώτηση, λοιπόν:Αν υποθέσουμε ότι όλα τα άλλα παραμένουν ροδακινί και το προωθητικό αναπόφευκτα εξαντληθεί, πώς θα πεθάνει ο Webb;

Ουάου, άρα πραγματικά μιλάμε για τον θάνατο αυτού του πράγματος. Σχεδόν δεν θέλω να μιλήσω για αυτό. αισθάνεται πρόωρο, γιατί είναι ένα ολοκαίνουργιο τηλεσκόπιο. Είναι σαν να μιλάμε για το θάνατο ενός μωρού. Αν μιλάμε για περιορισμό σε προωθητικό, μόλις εξαντληθεί αυτός ο πόρος, δεν θα μπορούσαμε να ελέγξουμε την κατάδειξη για να διασφαλίσουμε ότι τα ηλιακά πάνελ βλέπουν πάντα τον Ήλιο και το τηλεσκόπιο δεν τον βλέπει ποτέ. Τελικά τα ηλιακά πάνελ θα έπεφταν στη σκιά για αρκετό καιρό που η ανάκτηση θα ήταν απίθανη. Υποθέτω ότι θα ήταν σαν την τελευταία πνοή του Webb. Τότε θα ξέραμε ότι ήταν πραγματικά νεκρό. Αλλά, και πάλι, είναι δύσκολο να γνωρίζουμε τι ακριβώς θα συμβεί στον Webb στα χρόνια του λυκόφωτος, αφού είναι νεογέννητο.

Έχουμε ήδη εκπλαγεί, για παράδειγμα, από μια πρόσκρουση μικρομετεωρίτη που είχε μεγαλύτερη από την αναμενόμενη επίδραση σε ένα από τα κύρια κατοπτρικά τμήματα και μελετάμε ενεργά τι μπορεί να σημαίνουν τέτοια γεγονότα για τη συνεχιζόμενη οπτική απόδοση του Webb. Οι μικρομετεωρίτες είναι ένα γεγονός της ζωής σε τροχιά που σταδιακά θα υποβαθμίσει την ποιότητα των κατόπτρων και της ηλιοπροστασίας—και έχουμε υπερσχεδιάσει και δημιουργήσει περιθώρια έχοντας αυτό κατά νου—αλλά ήταν αυτό ένα γεγονός κάθε πέντε χρόνια, και εμείς μόλις σταθήκαμε άτυχοι ή θα έχουμε περισσότερες επιτυχίες όπως αυτή από ό,τι περιμέναμε; Εργαζόμαστε για να το καταλάβουμε. Εξακολουθώ να σχεδιάζω για μια μακρά, γόνιμη αποστολή, φυσικά.

Μάλιστα. Ξέρετε, φαίνεται ότι εσείς και άλλοι άνθρωποι που εργάζεστε στο Webb, εύλογα, έχετε δημιουργήσει μια συναισθηματική προσκόλληση σε αυτό. Μήπως αυτό έχει κάνει πιο δύσκολη την πλοήγηση σε όλες τις διάφορες στιγμές δημιουργίας ή θραύσης στη τόσο σύντομη ζωή του τηλεσκοπίου;

Λοιπόν, τα συναισθήματα αλλάζουν για κάθε ξεχωριστή φάση της ανάθεσης του Webb. Κατά τη διάρκεια της εκτόξευσης και τις πρώτες δύο εβδομάδες μετά, όταν κάναμε σημαντικές αναπτύξεις, υπήρχαν αρκετές βασικές ημέρες όπου ξέραμε ότι μπορεί να χάσουμε την αποστολή εκείνη την ημέρα. Ήμασταν μπροστά σε αυτό. Η NASA έκανε ακόμη και αυτό το βίντεο που ονομάζεται "29 Days on the Edge". Προσπάθησα να προσεγγίσω εκείνες τις μέρες με μοιρολατρία:«Αν δεν πετύχει, δεν έχουμε αποστολή». Καθώς η μία ανάπτυξη μετά την άλλη λειτούργησε, συνειδητοποίησα ότι περνούσα τα στάδια της θλίψης. Κυρίως διαπραγματεύσεις:"Ω, ας σας παρακαλώ να βγάλετε τον δευτερεύοντα καθρέφτη, δεν χρειάζομαι καν τον κύριο καθρέφτη για να ξεδιπλώσει τα δύο φτερά του!"

Γιατί ο δευτερεύων καθρέφτης;

Η λέξη "δευτερεύον" το κάνει να ακούγεται σαν να μην είναι τόσο σημαντικό ή σαν αντίγραφο ασφαλείας. Αλλά σε ένα τηλεσκόπιο, το δευτερεύον σημαίνει απλώς ότι το φως το χτυπά δεύτερο, μετά το πρωτεύον. Ο κύριος καθρέφτης του Webb είναι εμβληματικός και πολύ μεγαλύτερος. Αλλά αυτό το δευτερεύον 0,7 μέτρα είναι απολύτως κρίσιμο. Εάν η ανάπτυξη του δευτερεύοντος καθρέφτη δεν είχε λειτουργήσει, τότε το φως που αναπηδά από αυτόν τον υπέροχο πρωτεύοντα καθρέφτη θα πετούσε στο διάστημα, θα χαθεί για πάντα, αντί να συγκεντρωθεί σε ένα επιστημονικό όργανο. Ακόμα κι αν ο πρωτεύων καθρέφτης δεν είχε ξεδιπλωθεί πλήρως, αν είχαμε ακόμα αυτόν τον δευτερεύοντα καθρέφτη, θα είχαμε ένα λειτουργικό αλλά υποβαθμισμένο τηλεσκόπιο. Έτσι, όταν ο δευτερεύων καθρέφτης αναπτύχθηκε τέλεια, συνειδητοποίησα πόση ανησυχία είχα κρατήσει, αφού δούλευα πάνω σε αυτό το πράγμα τα τελευταία 11 χρόνια—και πολλοί από τους συναδέλφους μου το έχουν δουλέψει περισσότερο.

Ευτυχώς τελειώσαμε με αυτές τις στιγμές δημιουργίας ή διακοπής, καθώς και με τη φάση «ανάθεσης» της έντονης χορογραφίας και των δοκιμών. Το τηλεσκόπιο έχει κρυώσει στη θερμοκρασία στόχο του, τα οπτικά είναι ευθυγραμμισμένα, τα επιστημονικά όργανα είναι έτοιμα. Γνωρίζουμε την πραγματική απόδοση του τηλεσκοπίου στο διάστημα και με τις πρώτες επιστημονικές εικόνες θα δείξουμε όχι μόνο ότι ο Webb λειτουργεί, αλλά ότι είναι πλήρως ικανός να κάνει όλη την εκπληκτική επιστήμη για την οποία κατασκευάστηκε. Είναι υπέροχο συναίσθημα.