Διαστημικό Τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ:Εντός των δοκιμών υψηλού κινδύνου του διαδόχου του Hubble, αξίας 7,2 δισεκατομμυρίων λιρών

Μετά από σχεδόν 20 χρόνια ανάπτυξης και 16 καθυστερήσεις εκτόξευσης, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) είναι σχεδόν έτοιμο. Το μεγαλύτερο διαστημικό παρατηρητήριο που έχει κατασκευαστεί ποτέ, πρόκειται να εκτοξευτεί στις 31 Οκτωβρίου 2021, πρόκειται να φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για το σύμπαν και να βοηθήσει στην επίλυση ορισμένων από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Σύμπαντος.

Δεν ήταν ένα εύκολο ταξίδι. Σχεδιάστηκε για πρώτη φορά πριν από 30 χρόνια ως ο διάδοχος του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, το «Τηλεσκόπιο Επόμενης Γενιάς», όπως ήταν για πρώτη φορά γνωστό το JWST, έχει επιβιώσει από απειλές ακύρωσης, αλλαγές ηγεσίας και πολυάριθμες αναβολές. Αναμένεται να κοστίσει 10 δισεκατομμύρια δολάρια (περίπου 7,2 δισεκατομμύρια £), το JWST (που πήρε το όνομά του από τον δεύτερο διαχειριστή της NASA James E Webb) είναι η έκτη πιο ακριβή διαστημική αποστολή όλων των εποχών.

Και δεν προκαλεί έκπληξη:το JWST είναι γεμάτο με καινοτομία και πολυπλοκότητα, είναι προϊόν μιας μεγάλης διεθνούς συνεργασίας μεταξύ των διαστημικών υπηρεσιών των ΗΠΑ, της Ευρώπης και του Καναδά και συχνά περιγράφεται ως ένα από τα μεγαλύτερα και πιο τολμηρά εγχειρήματα της NASA, που θα συνεισφέρει απαράμιλλα αξία για την επιστήμη και την τεχνολογία.

Για περισσότερα από 25 χρόνια, το Hubble μας κοσμεί με όμορφες εικόνες του Σύμπαντος ηλικίας 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, καταγράφοντας φως που εκπέμπεται μόλις 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τα υπέρυθρα «μάτια» του JWST θα μπορούν να κοιτάξουν ακόμη περισσότερο στην πρώιμη ιστορία του Σύμπαντος, από τότε που γεννήθηκαν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες.

Το τηλεσκόπιο θα απομακρυνθεί επίσης από τη Γη σε σχέση με τον προκάτοχό του. Ενώ το Hubble ακολουθεί μια κοντινή τροχιά, περίπου 550 χιλιόμετρα πάνω από τη Γη, το JWST θα επιπλέει έως και 1,5 εκατομμύριο χιλιόμετρα από εμάς και θα περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο. Θα ρίξει το βλέμμα του σε ανθρώπους όπως ο Άρης, οι κομήτες, οι νάνοι πλανήτες και οι εξωπλανήτες, για να μας διδάξει περισσότερα για το πώς σχηματίζονται οι πλανήτες και τα ηλιακά συστήματα.

Το Hubble δεν είναι το μόνο τηλεσκόπιο που θα ξεπεράσει το JWST. θα επισκιάσει επίσης ένα άλλο σπουδαίο διαστημικό παρατηρητήριο:το Spitzer (που ξεκίνησε το 2003 και αποσύρθηκε στις αρχές του 2020). Όπως εξηγεί η Naomi Rowe-Gurney, πλανητολόγος στο Πανεπιστήμιο του Leicester:«Τα δεδομένα από το Spitzer έδειξαν κάποια πραγματικά απροσδόκητη συμπεριφορά που συμβαίνει στον Ουρανό και δεν έχουμε ιδέα τι την προκαλεί. Ο μόνος τρόπος που μπορούμε να μάθουμε είναι χρησιμοποιώντας την ισχύ και τις δυνατότητες υπερύθρων του JWST."

Διαβάστε περισσότερα για τα τηλεσκόπια:

• Μάτι στον ουρανό:Τα επίγεια τηλεσκόπια που φέρνουν το Σύμπαν στη Γη
• SKA:Ένα νέο μάτι στο Σύμπαν
• Πώς το Parker Solar Probe θα «αγγίξει τον Ήλιο»

Το JWST θα εμβαθύνει επίσης τις γνώσεις μας για τους εξωπλανήτες. «Βρίσκουμε περισσότερους εξωπλανήτες με τις ίδιες μάζες με τους γίγαντες των πάγων μας, τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα. Επειδή δεν γνωρίζουμε πολλά για τους γίγαντες πάγου στο Ηλιακό μας Σύστημα, δεν μπορούμε να καταλάβουμε αυτούς σε άλλα πλανητικά συστήματα. Το JWST σίγουρα πρόκειται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε το ηλιακό μας σύστημα»,
λέει ο Rowe-Gurney.

Κοιτάζοντας το τηλεσκόπιο που δεσπόζει πάνω από μηχανικούς στο Διαστημικό Κέντρο Johnson της NASA στο Χιούστον του Τέξας, μπορείτε να δείτε γιατί αλλάζει το παιχνίδι. Ο κύριος καθρέφτης του JWST είναι κάτι όμορφο. Η κυψελοειδής δομή του έχει εντυπωσιακή διάμετρο 6,5 μέτρων και αποτελείται από 18 ρυθμιζόμενα, επιχρυσωμένα τμήματα βηρυλλίου. Σε σύγκριση με το Hubble, το JWST έχει έξι φορές την περιοχή συλλογής φωτός και πολύ ευρύτερο οπτικό πεδίο (περίπου 15 φορές μεγαλύτερο). Ωστόσο, στα 6.500 κιλά, είναι σχεδόν η μισή μάζα.

Το φως που συλλαμβάνεται από τα οπτικά θα αναλυθεί από τα τέσσερα επιστημονικά όργανα επί του σκάφους - συλλογικά γνωστά ως Integrated Science Instrument Module (ISIM). Οι οπτικοί μηχανισμοί πρέπει να διατηρούνται κάτω από τους -223°C για να μεγιστοποιηθούν οι πιθανότητες ανίχνευσης αμυδρά ίχνη υπέρυθρου φωτός.

Το όργανο μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας (MIRI) απαιτεί ακόμη χαμηλότερη θερμοκρασία -266°C, μόλις πάνω από το απόλυτο μηδέν. Για να αποφευχθεί η παρεμβολή της θερμότητας και του φωτός του Ήλιου στις παρατηρήσεις του, το JWST είναι εξοπλισμένο με κρυοψύκτες και μια ηλιοπροστασία πέντε επιπέδων, μεγέθους γηπέδου τένις.

Παρά το τεράστιο μέγεθός του, ολόκληρο το παρατηρητήριο πρέπει να διπλωθεί για να χωρέσει μέσα στον κώνο μύτης ενός πυραύλου Ariane 5. Μόλις αναπτυχθεί, το JWST θα ξεδιπλωθεί, θα κρυώσει και θα βαθμονομηθεί. Η επιτυχία της αποστολής εξαρτάται από την άψογη εκτέλεση αυτής της ακολουθίας, που δεν έχει ξαναεπιχειρηθεί στο διάστημα.

Για να προσθέσουμε ακόμη περισσότερους κινδύνους, το JWST θα είναι πέρα ​​από τις αποστολές επισκευής με πλήρωμα, σε αντίθεση με το Hubble, το οποίο χρειαζόταν πέντε. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι δοκιμές ήταν υψίστης σημασίας για την ομάδα της αποστολής σε κάθε βήμα.

Όμως, σύμφωνα με τον Paul Geithner, τεχνικό αναπληρωτή διευθυντή έργου της JWST, η αξιολόγηση ενός παρατηρητηρίου που έχει σχεδιαστεί για να αναπτύσσεται και να λειτουργεί στο διάστημα δεν είναι εύκολο κατόρθωμα. «Δεν μπορούσαμε να δοκιμάσουμε ολόκληρο το παρατηρητήριο ως μια ολοκληρωμένη οντότητα σε ένα προσομοιωμένο διαστημικό περιβάλλον – είναι μια απομάκρυνση από τις πρώτες μέρες της διαστημικής εποχής, όταν μπορούσες να βάλεις ένα ολόκληρο διαστημόπλοιο σε έναν θερμικό θάλαμο κενού και να το δοκιμάσεις ταυτόχρονα», είπε. εξηγεί.

Αντίθετα, μεμονωμένες μονάδες, κατασκευασμένες σε διαφορετικά μέρη του κόσμου, δοκιμάστηκαν προτού συγκεντρωθούν και συναρμολογηθούν σε δύο «υπερ-μισά», που περιλαμβάνουν το στοιχείο οπτικού τηλεσκοπίου/ενσωματωμένη μονάδα οργάνων επιστήμης (OTIS) και το συνδυασμένο δίαυλο διαστημικού σκάφους και ηλιοπροστασία.

Κάθε μονάδα δοκιμάστηκε σε ακουστικούς και δονητικούς θαλάμους που αναπαρήγαγαν μια βίαιη, θορυβώδη εκτόξευση και τοποθετήθηκαν επίσης σε έναν μεγάλο καταψύκτη, γνωστό ως «Θάλαμος Α», για μήνες για να ελεγχθεί ότι αντέχουν στις χαμηλές θερμοκρασίες του διαστήματος.

Υπήρξαν κάποιες προσκρούσεις σε αυτόν τον μακρύ δρόμο, όπως χαλαρές βίδες στερέωσης που βρέθηκαν μετά από ακουστικές δοκιμές και δονήσεις το 2016 και, πιο αξιοσημείωτο, το σκίσιμο ηλιοφάνειας μετά από μια δοκιμαστική ανάπτυξη τον Μάρτιο του 2018. «Η μηχανική αιχμής του νέου υλικού διαστημικών πτήσεων είναι μια ταπεινή επιχείρηση», σκέφτεται ο Geithner.

Τον Αύγουστο του 2019, τα δύο υπερ-μισά συνδυάστηκαν σε μια εγκατάσταση της Northrop Grumman στην Καλιφόρνια για να υποβληθούν σε πλήρη δοκιμή ολοκλήρωσης. Και το 2020, κατά τη διάρκεια της πανδημίας COVID-19, το πλήρως συναρμολογημένο JWST πέτυχε ένα εκπληκτικό επίτευγμα:πέρασε κάθε δοκιμή.

Ομολογουμένως, πριν από την επιτυχία των δοκιμών, η κυκλοφορία του JWST αναβλήθηκε για άλλη μια φορά. Αλλά αυτή τη φορά ήταν μόνο από τον Μάρτιο έως τον Οκτώβριο του 2021 – μια λογική καθυστέρηση δεδομένου ότι η ομάδα χρειάστηκε να εργαστεί εξ αποστάσεως και σε κοινωνικά αποστασιοποιημένες βάρδιες, κατά τη διάρκεια μιας κρίσιμης φάσης.

Με μόνο μήνες απομένουν μέχρι την κυκλοφορία του JWST από τη Γαλλική Γουιάνα, ο Geithner έχει τώρα χρόνο να σκεφτεί τη δύναμη του έργου μέχρι στιγμής:«Ενώ το JWST πρόκειται να είναι ένα εργαλείο της επιστήμης και ήταν μια τρομακτική πρόκληση μηχανικής, είναι, το τέλος, μια ανθρώπινη ιστορία, ένα έργο γενεών». Πράγματι, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι ανακαλύψεις που θα μπορούσε να κάνει θα εξυπηρετήσουν τις επόμενες γενιές.

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 362 του BBC Science Focus Magazine – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ