Mit jedem zusätzlichen Zentimeter Öffnung, jeder zusätzlichen Sekunde Beobachtungszeit und jedem zusätzlichen Atom atmosphärischer Störungen, das aus dem Sichtfeld des Teleskops entfernt wird, kann das Universum besser, tiefer und klarer gesehen werden.
25 Jahre Hubble
Als das Hubble-Teleskop 1990 seinen Betrieb aufnahm, leitete es eine neue Ära in der Astronomie ein – im Weltraum. Es gab keinen Kampf mehr mit der Atmosphäre, keine Sorgen mehr wegen Wolken oder elektromagnetischem Flimmern. Alles, was erforderlich war, war, den Satelliten zum Ziel zu bringen, ihn zu stabilisieren und Photonen zu sammeln. Innerhalb von 25 Jahren begannen Weltraumteleskope, das gesamte elektromagnetische Spektrum abzudecken, was es zum ersten Mal ermöglichte, das Universum bei jeder Wellenlänge des Lichts zu betrachten.
Aber mit der Zunahme unseres Wissens wächst auch unser Verständnis des Unbekannten. Je weiter wir in das Universum blicken, desto tiefer blicken wir in die Vergangenheit: Die endliche Zeit seit dem Urknall, kombiniert mit der endlichen Lichtgeschwindigkeit, setzt dem, was wir beobachten können, eine Grenze. Darüber hinaus arbeitet die Ausdehnung des Weltraums selbst gegen uns, indem sie die Wellenlänge dehntdas Licht der Sterne, während es durch das Universum zu unseren Augen wandert. Selbst das Hubble-Weltraumteleskop, das uns das tiefste und atemberaubendste Bild des Universums liefert, das wir je entdeckt haben, ist in dieser Hinsicht begrenzt.
Nachteile von Hubble
Hubble ist ein erstaunliches Teleskop, aber es hat eine Reihe grundlegender Einschränkungen:
- Nur 2,4 m im Durchmesser, was die Auflösung einschränkt.
- Obwohl es mit reflektierenden Materialien bedeckt ist, ist es ständig direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt, die es aufheizt. Das bedeutet, dass Lichtwellenlängen größer als 1,6 µm aufgrund thermischer Effekte nicht beobachtet werden können.
- Die Kombination aus begrenzter Öffnung und den Wellenlängen, für die es empfindlich ist, bedeutet, dass das Teleskop Galaxien sehen kann, die nicht älter als 500 Millionen Jahre sind.
Diese Galaxien sind schön, weit entfernt und existierten, als das Universum nur etwa 4 % seines heutigen Alters hatte. Aber es ist bekannt, dass Sterne und Galaxien schon früher existierten.
Um das zu sehen, muss das Teleskop eine höhere Empfindlichkeit haben. Das bedeutet, zu längeren Wellenlängen und niedrigeren Temperaturen als Hubble überzugehen. Deshalb wird das James-Webb-Weltraumteleskop gebaut.
Perspektiven für die Wissenschaft
Das
James Webb Space Telescope (JWST) wurde entwickelt, um genau diese Einschränkungen zu überwinden: Mit einem Durchmesser von 6,5 m sammelt das Teleskop 7-mal mehr Licht als das Hubble. Er öffnethochauflösende Ultraspektroskopie von 600 nm bis 6 µm (das Vierfache der Wellenlänge, die Hubble sehen kann), um Beobachtungen im mittleren Infrarotbereich des Spektrums mit höherer Empfindlichkeit als je zuvor durchzuführen. JWST verwendet eine passive Kühlung auf die Oberflächentemperatur von Pluto und ist in der Lage, Mittelinfrarot-Instrumente aktiv auf 7 K herunterzukühlen.
Er wird erlauben:
- beobachten Sie die frühesten Galaxien, die je entstanden sind;
- durch neutrales Gas sehen und die ersten Sterne und die Reionisierung des Universums untersuchen;
- spektroskopische Analyse der allerersten Sterne (Population III), die nach dem Urknall entstanden sind;
- Erh alte erstaunliche Überraschungen wie die Entdeckung der frühesten supermassereichen Schwarzen Löcher und Quasare im Universum.
Das Niveau der wissenschaftlichen Forschung des JWST ist mit nichts in der Vergangenheit vergleichbar, weshalb das Teleskop als Flaggschiff-Mission der NASA in den 2010er Jahren ausgewählt wurde.
Wissenschaftliches Meisterwerk
Aus technischer Sicht ist das neue James-Webb-Teleskop ein wahres Kunstwerk. Das Projekt hat einen langen Weg zurückgelegt: Es gab Budgetüberschreitungen, Terminverzögerungen und die Gefahr, dass das Projekt abgebrochen wird. Nach dem Eingreifen der neuen Führung änderte sich alles. Das Projekt funktionierte plötzlich wie ein Uhrwerk, Mittel wurden bereitgestellt, Fehler, Misserfolge und Probleme wurden berücksichtigt, und das JWST-Team begann sich einzufügenalle Termine, Termine und Budgetrahmen. Der Start des Geräts ist für Oktober 2018 auf der Ariane-5-Rakete geplant. Das Team hält sich nicht nur an den Zeitplan, es hat noch neun Monate Zeit, um alle Eventualitäten zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass alles gepackt und für diesen Termin bereit ist.
Das James-Webb-Teleskop besteht aus 4 Hauptteilen.
Optischer Block
Umfasst alle Spiegel, von denen die achtzehn primären segmentierten vergoldeten Spiegel am effektivsten sind. Sie werden verwendet, um entferntes Sternenlicht zu sammeln und es zur Analyse auf Instrumente zu fokussieren. Alle diese Spiegel sind jetzt fertig und makellos, genau nach Zeitplan hergestellt. Nach dem Zusammenbau werden sie zu einer kompakten Struktur gef altet, um mehr als 1 Million km von der Erde zum Lagrange-Punkt L2 zu starten und sich dann automatisch zu einer Wabenstruktur zu entf alten, die über Jahre hinweg Licht mit extrem großer Reichweite sammeln wird. Das ist eine wirklich schöne Sache und das erfolgreiche Ergebnis der titanischen Bemühungen vieler Spezialisten.
Infrarotkamera
Webb ist mit vier wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet, die zu 100 % vollständig sind. Die Hauptkamera des Teleskops ist eine Nah-IR-Kamera, die von sichtbarem orangefarbenem Licht bis zu tiefem Infrarot reicht. Es wird beispiellose Bilder der frühesten Sterne, der jüngsten Galaxien, die sich noch im Entstehungsprozess befinden, der jungen Sterne der Milchstraße und naher Galaxien sowie Hunderter neuer Objekte im Kuipergürtel liefern. Sie istoptimiert für die direkte Abbildung von Planeten um andere Sterne. Dies wird die Hauptkamera sein, die von den meisten Beobachtern verwendet wird.
Nahinfrarot-Spektrograph
Dieses Tool trennt nicht nur Licht in separate Wellenlängen, sondern kann dies auch für mehr als 100 separate Objekte gleichzeitig tun! Dieses Instrument wird ein universeller Webba-Spektrograph sein, der in 3 verschiedenen Spektroskopiemodi betrieben werden kann. Es wurde von der Europäischen Weltraumorganisation gebaut, aber viele Komponenten, darunter Detektoren und eine Multi-Gate-Batterie, wurden vom Space Flight Center bereitgestellt. Goddard (NASA). Dieses Gerät wurde getestet und ist einbaufertig.
Instrument für mittleres Infrarot
Das Gerät wird für die Breitbandbildgebung verwendet, das heißt, es wird die eindrucksvollsten Bilder von allen Webb-Instrumenten erzeugen. Aus wissenschaftlicher Sicht wird es am nützlichsten sein, protoplanetare Scheiben um junge Sterne zu messen, Kuipergürtelobjekte und durch Sternenlicht erhitzten Staub mit beispielloser Präzision zu messen und abzubilden. Es wird als einziges Instrument kryogen auf 7 K gekühlt. Im Vergleich zum Spitzer-Weltraumteleskop wird dies die Ergebnisse um den Faktor 100 verbessern.
Slitless Near-IR Spectrograph (NIRISS)
Mit dem Gerät können Sie Folgendes produzieren:
- Weitwinkelspektroskopie im nahen Infrarot (1,0 - 2,5 µm);
- Grism-Spektroskopie eines Objekts insichtbarer und infraroter Bereich (0,6 - 3,0 Mikron);
- aperture-masking interferometry bei Wellenlängen von 3,8 - 4,8 µm (wo die ersten Sterne und Galaxien erwartet werden);
- Weitbereichsaufnahme über das gesamte Sichtfeld.
Dieses Instrument wurde von der Canadian Space Agency entwickelt. Nach bestandener Tieftemperaturprüfung ist es auch bereit für den Einbau in das Instrumentenfach des Teleskops.
Sonnenschutz
Weltraumteleskope sind noch nicht damit ausgestattet. Einer der einschüchterndsten Aspekte jeder Markteinführung ist die Verwendung von völlig neuem Material. Anstatt das gesamte Raumfahrzeug aktiv mit einem einmaligen Verbrauchskühlmittel zu kühlen, verwendet das James-Webb-Teleskop eine völlig neue Technologie, einen 5-lagigen Sonnenschutz, der eingesetzt wird, um die Sonnenstrahlung des Teleskops zu reflektieren. Fünf 25-Meter-Platten werden mit Titanstäben verbunden und installiert, nachdem das Teleskop ausgefahren ist. Der Schutz wurde 2008 und 2009 getestet. Die maßstabsgetreuen Modelle, die an den Labortests teilnahmen, taten alles, was sie hier auf der Erde tun sollten. Das ist eine schöne Innovation.
Es ist auch ein unglaubliches Konzept: nicht nur das Licht der Sonne zu blockieren und das Teleskop im Schatten zu platzieren, sondern es so zu tun, dass die gesamte Wärme in die entgegengesetzte Richtung der Ausrichtung des Teleskops abgestrahlt wird. Jede der fünf Schichten im Vakuum des Weltraums wird k alt, wenn sie sich von der äußeren entfernt, die etwas wärmer als die Temperatur sein wird.der Erdoberfläche - etwa 350-360 K. Die Temperatur der letzten Schicht sollte auf 37-40 K fallen, was kälter ist als nachts auf der Oberfläche von Pluto.
Darüber hinaus wurden erhebliche Vorkehrungen getroffen, um sich vor der rauen Umgebung des Weltraums zu schützen. Eines der Dinge, um die man sich hier Sorgen machen muss, sind winzige Kieselsteine, Sandkörner, Staubkörner und noch kleinere, die mit einer Geschwindigkeit von Zehn- oder sogar Hunderttausenden von Kilometern pro Stunde durch den interplanetaren Raum fliegen. Diese Mikrometeoriten sind in der Lage, winzige, mikroskopisch kleine Löcher in alles zu bohren, was ihnen begegnet: Raumfahrzeugen, Astronautenanzügen, Teleskopspiegeln und mehr. Wenn die Spiegel nur Dellen oder Löcher bekommen, was die verfügbare Menge an "gutem Licht" etwas verringert, kann der Sonnenschutz von Kante zu Kante reißen und die gesamte Schicht unbrauchbar machen. Eine brillante Idee wurde verwendet, um dieses Phänomen zu bekämpfen.
Der gesamte Sonnenschutz wurde so in Abschnitte unterteilt, dass bei einer kleinen Lücke in einem, zwei oder sogar drei von ihnen die Schicht nicht weiter reißt, wie ein Riss in der Windschutzscheibe eines Wagen. Durch die Partitionierung bleibt die gesamte Struktur intakt, was wichtig ist, um eine Verschlechterung zu verhindern.
Raumfahrzeug: Montage- und Steuerungssysteme
Dies ist die häufigste Komponente, wie sie alle Weltraumteleskope und Wissenschaftsmissionen haben. Bei JWST ist es einzigartig, aber auch komplett fertig. Alles, was dem Generalunternehmer des Projekts, Northrop Grumman, übrig blieb, war, den Schild fertigzustellen, das Teleskop zusammenzubauen und es zu testen. Die Maschine ist bereit fürMarkteinführung in 2 Jahren.
10 Jahre Entdeckung
Wenn alles gut geht, steht die Menschheit an der Schwelle zu großen wissenschaftlichen Entdeckungen. Der Schleier aus neutralem Gas, der bisher die Sicht auf die frühesten Sterne und Galaxien verdeckt hat, wird durch die Infrarotfähigkeiten des Webb und seine enorme Leuchtkraft beseitigt. Es wird das größte und empfindlichste Teleskop sein, das jemals gebaut wurde, mit einem riesigen Wellenlängenbereich von 0,6 bis 28 Mikrometern (das menschliche Auge sieht 0,4 bis 0,7 Mikrometer). Es wird erwartet, dass es ein Jahrzehnt an Beobachtungen liefern wird.
Laut NASA beträgt die Lebensdauer der Webb-Mission 5,5 bis 10 Jahre. Sie ist begrenzt durch die Menge an Treibstoff, die benötigt wird, um die Umlaufbahn aufrechtzuerh alten, und durch die Lebensdauer der Elektronik und Ausrüstung in der rauen Umgebung des Weltraums. Das James-Webb-Orbit alteleskop wird über den gesamten Zeitraum von 10 Jahren Treibstoff mitführen, und 6 Monate nach dem Start werden Flugunterstützungstests durchgeführt, die 5 Jahre wissenschaftliche Arbeit garantieren.
Was könnte schief gehen?
Der Hauptbegrenzungsfaktor ist die Treibstoffmenge an Bord. Wenn es endet, driftet der Satellit vom L2-Lagrange-Punkt weg und tritt in eine chaotische Umlaufbahn in unmittelbarer Nähe der Erde ein.
Komm damit, andere Probleme können passieren:
- Verschlechterung der Spiegel, die die Menge des gesammelten Lichts beeinflusst und Bildartefakte erzeugt, aber den weiteren Betrieb des Teleskops nicht beeinträchtigt;
- Ausfall eines Teils oder des gesamten Sonnenschutzes, was zu einer Erhöhung führtTemperatur des Raumfahrzeugs und engen den nutzbaren Wellenlängenbereich auf das sehr nahe Infrarot (2-3 µm) ein;
- Ausfall des Kühlsystems des mittleren IR-Instruments, wodurch es unbrauchbar wird, andere Instrumente jedoch nicht beeinträchtigt werden (0,6 bis 6 µm).
Der schwierigste Test, der auf das James-Webb-Teleskop wartet, ist der Start und das Einsetzen in eine vorgegebene Umlaufbahn. Diese Situationen wurden getestet und erfolgreich abgeschlossen.
Revolution in der Wissenschaft
Wenn das James-Webb-Teleskop in Betrieb ist, wird es von 2018 bis 2028 genug Brennstoff geben, um es anzutreiben. Hinzu kommt das Potenzial zum Nachtanken, was die Lebensdauer des Teleskops um ein weiteres Jahrzehnt verlängern könnte. So wie Hubble seit 25 Jahren in Betrieb ist, könnte JWST eine Generation revolutionärer Wissenschaft hervorbringen. Im Oktober 2018 wird die Trägerrakete Ariane 5 die Zukunft der Astronomie in den Orbit bringen, die nach mehr als 10 Jahren harter Arbeit bereit ist, Früchte zu tragen. Die Zukunft der Weltraumteleskope ist fast da.
