James Webb Space Telescope (JWST, „Webb”), viitorul înlocuitor al telescopului Hubble

(O redare a Telescopului spațial James Webb cu componentele sale complet implementate. (NASA))

Telescopul Spațial James Webb (James Webb Space Telescope, JWST sau „Webb„) este planificat să succeadă telescopului spațial Hubble ca misiune de astrofizică a NASA. JWST va oferi o rezoluție și o sensibilitate în infraroșu îmbunătățite față de Hubble și va permite o gamă largă de investigații în domeniile astronomiei și cosmologiei, inclusiv observarea unora dintre cele mai îndepărtate evenimente și obiecte din univers, cum ar fi formarea primelor galaxii. .

Oglinda primară a JWST, elementul telescopului optic, este compusă din optsprezece segmente de oglindă hexagonale cu diametrul de 1,32 metri în cerc, realizate din beriliu placat cu aur care se combină pentru a crea o oglindă cu diametrul de 6,5 metri – considerabil mai mare decât oglinda Hubble de 2,4 metri. Spre deosebire de telescopul Hubble, care observă în spectrele aproapiate ultraviolete, vizibile și infraroșu (0,1 până la 1 μm), JWST va observa într-un interval de frecvență mai scăzut, de la lumina vizibilă cu lungime de undă lungă până la infraroșu mediu (0,6 până la 28,3 μm) ), ceea ce îi va permite să observe obiecte cu deplasare mare spre roșu, care sunt prea în vârstă și prea îndepărtate pentru ca Hubble să le poată observa. Telescopul trebuie ținut foarte rece pentru a putea observa în infraroșu fără interferențe, așa că va fi desfășurat în spațiul din apropierea punctului Lagrange Pământ-Soare L2, iar un parbriz mare din Kapton acoperit cu siliciu și acoperit cu aluminiu va păstra oglinda și instrumentele sub 50 K (−223,2 °C).

JWST este dezvoltat de NASA – cu contribuții semnificative din partea Agenției Spațiale Europene și a Agenției Spațiale Canadiene. Centrul de zbor spațial Goddard NASA gestionează efortul de dezvoltare în urma operațiunilor efectuate după lansarea de către Space Telescope Science Institute – și poartă numele lui James E. Webb, care a fost administratorul NASA în perioada 1961-1968 și a jucat un rol integral în programul Apollo. Contractorul principal este Northrop Grumman.

Dezvoltarea a început în 1996 pentru o lansare planificată inițial pentru 2007 și un buget de 500 de milioane de dolari, dar proiectul a avut numeroase întârzieri și depășiri de costuri și a suferit o reproiectare majoră în 2005. Construcția JWST a fost finalizată la sfârșitul anului 2016, după care a început faza sa extinsă de testare. În martie 2018, NASA a întârziat lansarea după ce parbrizul telescopului a fost rupt în timpul desfășurării unei practici. Lansarea a fost întârziată din nou în iunie 2018, în urma recomandărilor unui comitet de evaluare independent. Lucrările privind integrarea și testarea telescopului au fost suspendate în martie 2020 din cauza pandemiei COVID-19, adăugând și alte întârzieri. Lucrările au fost reluate, dar NASA a anunțat că data lansării a fost din nou amânată până la 31 octombrie 2021. Costul actual al dezvoltării este de peste 10 miliarde de dolari.

Caracteristici

(Configurația de lansare a JWST într-un Ariane 5. (NASA))

JWST are o masă estimată de aproximativ jumătate din telescopul spațial Hubble, dar oglinda sa principală, un reflector de beriliu acoperit cu aur cu diametrul de 6,5 metri, va avea o suprafață de colectare de peste șase ori mai mare, 25,4 metri pătrați, folosind 18 oglinzi hexagonale cu 0,9 metri pătrați obscuritate pentru tijele de susținere secundare.

JWST este orientat spre astronomie în infraroșu apropiat, dar poate vedea și lumina vizibilă portocalie și roșie, precum și regiunea infraroșu mediu, în funcție de instrument. Designul subliniază apropierea de infraroșu mediu din trei motive principale: obiectele cu deplasare spre roșu mare au emisiile vizibile mutate în infraroșu, obiectele reci, cum ar fi discurile de resturi dislocate și planetele emit cel mai puternic în infraroșu, iar această bandă este dificil de studiat de la sol sau prin telescoapele spațiale existente, cum ar fi Hubble. Telescoapele de la sol trebuie să privească prin atmosfera Pământului, care este opacă în multe benzi infraroșii. Chiar și atunci când atmosfera este transparentă, mulți dintre compușii chimici țintă, cum ar fi apa, dioxidul de carbon și metanul, există și în atmosfera Pământului, ceea ce complică foarte mult analiza. Telescoapele spațiale existente, cum ar fi Hubble, nu pot studia aceste benzi, deoarece oglinzile lor sunt insuficient de reci (oglinda Hubble este menținută la aproximativ 15 °C), astfel telescopul însuși radiază puternic în benzile infraroșii.

JWST va funcționa în apropierea punctului Lagrange Pământ-Soare L2, la aproximativ 1.500.000 de kilometri dincolo de orbita Pământului. Prin comparație, Hubble orbitează la 550 de kilometri deasupra suprafeței Pământului, iar Luna se află la aproximativ 400.000 de kilometri de Pământ. Această distanță a făcut practic imposibilă reparația sau actualizarea hardware-ului JWST post-lansare cu navele spațiale disponibile în etapa de proiectare și fabricare a telescopului. SpaceX spune că noul său Starship are capacitatea de a livra sateliți și telescoape spațiale chiar mai mari decât James Webb și este proiectat pentru a ajunge pe orbita lui Marte. Obiectele din apropierea acestui punct Lagrange pot orbita Soarele în sincronie cu Pământul, permițând telescopului să rămână la o distanță aproximativ constantă și să folosească un singur parbriz pentru a bloca căldura și lumina de la Soare și Pământ. Acest aranjament va menține temperatura navei sub 50 K (-223,2 °C), necesară pentru observații în infraroșu.

(Arhitectura Calisto pentru SAFIR ar fi un succesor al lui Spitzer, necesitând o răcire pasivă chiar mai mare decât JWST (5 Kelvin). (NASA))

Misiune

JWST are patru obiective cheie: să caute lumină de la primele stele și galaxii care s-au format în Univers după Big Bang, să studieze formarea și evoluția galaxiilor, să înțeleagă formarea stelelor și a sistemelor planetare, și să studieze sistemele planetare și originile vieții. Aceste obiective pot fi îndeplinite mai eficient prin observarea în lumina în infraroșu apropiat, mai degrabă decât în ​​lumina din partea vizibilă a spectrului. Din acest motiv, instrumentele JWST nu vor măsura lumina vizibilă sau ultravioletă precum Telescopul Hubble, ci vor avea o capacitate mult mai mare de a efectua astronomie în infraroșu. JWST va fi sensibil la o gamă de lungimi de undă de la 0,6 (lumină portocalie) la 28 micrometri (radiație infraroșie profundă la aproximativ 100 K (-173 °C).

JWST poate fi folosit pentru a aduna informații despre lumina de estompatore a stelei KIC 8462852, care a fost descoperită în 2015 și are unele proprietăți anormale ale curbei de lumină.

Implementare după lansare

La aproape o lună după lansare, va fi inițiată o corecție a traiectoriei pentru a plasa JWST într-o orbită Halo în punctul L2 Lagrange.

(Cronologia planificată pentru implementarea JWST după lansare. (NASA))

Alocarea timpilor de observare

Timpul de observare JWST va fi alocat printr-un program de observatori generali (GO), un program de observații cu timp garantat (GTO) și un program de știință pentru eliberarea discreționară a directorului (DD-ERS). Programul GTO oferă timp de observare garantat oamenilor de știință care au dezvoltat componente hardware și software pentru observator. Programul GO oferă tuturor astronomilor posibilitatea de a aplica pentru timpul de observare și va reprezenta cea mai mare parte a timpului de observare. Programele GO vor fi selectate prin evaluare inter pares de către un comitet de alocare a timpului (TAC), similar procesului de revizuire a propunerilor utilizat pentru telescopul spațial Hubble. Se așteaptă ca timpul de observare JWST să fie suprasubscris.

Programul științific de lansare timpurie

În noiembrie 2017, Space Telescope Science Institute a anunțat selectarea a 13 programe științifice de lansare timpurie discreționară ale directorului  (DD-ERS), alese printr-un proces de propunere competitiv. Observațiile pentru aceste programe vor fi obținute în primele cinci luni de operațiuni științifice JWST după sfârșitul perioadei de punere în funcțiune. Un total de 460 de ore de observare au fost acordate acestor 13 programe, care acoperă subiecte științifice, inclusiv sistemul solar, exoplanete, stele și formarea de stele, galaxii din apropiere și îndepărtate, lentile gravitaționale și quasari.