Teleskop Jamesa Webba (JWST) — budowa, podczerwień i cele misji

Poznaj Teleskop Jamesa Webba (JWST): budowa, obserwacje w podczerwieni, 6,5 m zwierciadło i cele misji — rewolucja w badaniu wczesnego Wszechświata i egzoplanet.

James Webb Space Telescope (JWST) to teleskop, który został wystrzelony w przestrzeń kosmiczną 25 grudnia 2021 roku i od połowy 2022 roku działa operacyjnie. Zastępuje i jednocześnie uzupełnia obserwacje wykonywane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a, uruchomiony w 1990 roku — Hubble obserwuje głównie w zakresie widzialnym i ultrafioletowym, natomiast JWST został zaprojektowany przede wszystkim do pracy w podczerwieni.

Teleskop został nazwany na cześć Jamesa E. Webba, który był administratorem NASA w latach 1961–1968 i w tym czasie wspierał rozwój programu Apollo, dzięki któremu astronauci dotarli na Księżyc. Misja JWST jest realizowana przez NASA we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA) i Kanadyjską Agencją Kosmiczną (CSA).

Budowa i kluczowe elementy

Główne zwierciadło JWST ma średnicę 6,5 metra (21 stóp) i składa się z 18 sześciokątnych segmentów wykonanych z berylu, pokrytych cienką warstwą złota, która doskonale odbija promieniowanie podczerwone. Dzięki temu teleskop ma znacznie większą zdolność zbierania światła niż Hubble — jego powierzchnia zbierająca światło jest około 7 razy większa (co przekłada się na szybsze rejestrowanie słabszych sygnałów i lepsze widzenie bardzo odległych obiektów).

Z uwagi na rozmiary, zwierciadło i inne elementy zostały złożone do wnętrza rakiety podczas startu i następnie rozłożone w przestrzeni kosmicznej. JWST wyposażony jest w rozkładaną osłonę słoneczną składającą się z pięciu warstw, o wymiarach porównywalnych do kortu tenisowego (około 21 × 14 m). Osłona zmniejsza napływ ciepła od Słońca i Ziemi, dzięki czemu teleskop pracuje w bardzo niskich temperaturach. Warstwy osłony redukują ciepło docierające do instrumentów o rząd wielkości rzędu milionów razy.

Obudowa i instrumenty musiały przejść bardzo skomplikowany proces rozkładania i precyzyjnego ustawiania (alignment) w locie — każdy z 18 segmentów zwierciadła jest regulowany, aby działać jak jedno zwierciadło o dużej średnicy.

Dlaczego podczerwień?

JWST jest przede wszystkim teleskopem na podczerwień, co pozwala mu badać bardzo odległe, słabe i przesunięte ku czerwieni źródła promieniowania: najwcześniejsze galaktyki, formowanie się gwiazd i planet, oraz atmosfery egzoplanet. Zakres fal, w którym pracują instrumenty JWST, obejmuje długości od czerwonej części światła widzialnego (około 0,6 μm) aż do średniej podczerwieni (do około 28–29 μm), dzięki czemu instrumenty rejestrują zarówno obraz, jak i widma (analizę składu chemicznego).

Promieniowanie podczerwone jest powiązane z emisją cieplną obiektów, dlatego teleskop musi pracować w bardzo niskich temperaturach, żeby nie „świecić” własnym ciepłem i nie zasłaniać słabych sygnałów kosmicznych. W praktyce większość instrumentów jest chłodzona pasywnie przez osłonę słoneczną (temperatury rzędu kilkudziesięciu kelwinów), a instrument MIRI (mid-infrared instrument) dodatkowo korzysta z aktywnego chłodzenia do kilku kelwinów, aby osiągnąć czułość w średniej podczerwieni.

Uzyskane obrazy w paśmie podczerwieni często są prezentowane w tzw. fałszywym kolorze — przypisuje się konkretne długości fal zakresu podczerwonego do kolorów widzialnych, aby móc zobaczyć i zinterpretować strukturę i skład obiektów nieosiągalny dla ludzkiego oka.

Instrumenty naukowe

• NIRCam (Near Infrared Camera) — kamera do obrazowania w zakresie bliskiej podczerwieni (ok. 0,6–5 μm). Służy m.in. do wyszukiwania bardzo odległych galaktyk i obrazowania formowania się gwiazd.
• NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) — spektrograf pracujący w podobnym zakresie, umożliwiający jednoczesne mierzenie widm wielu obiektów (multi-object spectroscopy).
• MIRI (Mid-Infrared Instrument) — instrument do obserwacji w średniej podczerwieni (ok. 5–28 μm), łączący możliwości obrazowania i spektroskopii; wymaga dodatkowego chłodzenia.
• FGS/NIRISS — systemy wspomagające celowanie oraz dodatkowy spektrograf i instrument do badań egzoplanet (m.in. fotometria i spektroskopia tranzytorów).

Główne cele misji

• Badanie najwcześniejszych faz powstawania galaktyk po Wielkim Wybuchu i okresu rejonizacji.
• Śledzenie procesu formowania się gwiazd i dysków protoplanetarnych — obserwacje miejsc narodzin gwiazd ukrytych w pyłach, niedostępnych dla teleskopów pracujących w świetle widzialnym.
• Badanie atmosfer egzoplanet poprzez spektroskopię tranzytową i bezpośrednie obrazowanie, poszukiwanie cząsteczek takich jak woda, dwutlenek węgla czy metan.
• Analiza obiektów Układu Słonecznego: planety, księżyce, obiekty pasa Kuipera i komety.
• Ogólnie — poszukiwanie i charakteryzacja obiektów bardzo odległych i słabych, których sygnał jest przesunięty do podczerwieni.

Orbita, start i operacje

JWST został wyniesiony na pokładzie rakiety Ariane 5. Po starcie teleskop dotarł do punktu libracyjnego L2 układu Słońce–Ziemia, znajdującego się w odległości około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi po przeciwnej stronie Słońca. Z tej orbity teleskop ma stabilne warunki termiczne i dobrą możliwość długich, nieprzerwanych obserwacji. Ze względu na odległość nie da się go serwisować bez misji załogowej podobnej do tych, które obsługiwały Hubble'a — dlatego wszystkie systemy i mechanizmy przeszły bardzo sztywne testy przed startem.

Jak JWST współpracuje z Hubble'em i innymi teleskopami

JWST nie zastępuje całkowicie Hubble'a — oba teleskopy działają w odmiennych pasmach elektromagnetycznych i się uzupełniają. Hubble nadal dostarcza cennych danych w ultrafiolecie i widzialnym, a JWST rozszerza obserwacje na dłuższe fale, co pozwala np. zobaczyć przesunięte ku czerwieni, bardzo odległe galaktyki czy zajrzeć w głąb pyłowych chmur formujących gwiazdy.

Podsumowanie

JWST to zaawansowany teleskop kosmiczny zaprojektowany do pracy w podczerwieni, ze zwierciadłem 6,5 m złożonym z 18 segmentów pokrytych złotem i ogromną pięciowarstwową osłoną słoneczną wielkości kortu tenisowego. Dzięki temu może badać najwcześniejsze etapy Wszechświata, procesy formowania gwiazd i planet oraz składy atmosfer egzoplanet. Misja jest wynikiem współpracy międzynarodowej i od 2022 roku dostarcza przełomowych danych, które znacznie poszerzają naszą wiedzę o kosmosie.

Orbita

JWST będzie znajdował się na orbicie daleko od Ziemi, aby uniknąć promieniowania cieplnego z Ziemi i Księżyca. Ta specjalna orbita znajduje się poza Księżycem, w drugim punkcie Lagrange'a (L2) układu Słońce-Ziemia, czyli w miejscu o stabilnej grawitacji. Orbita ta znajduje się w odległości 1 500 000 kilometrów (930 000 mil) od Ziemi, czyli około cztery razy dalej od nas niż Księżyc. Dzięki temu przez większość czasu pozostaje w cieniu Ziemi; w rzeczywistości nie okrąża Ziemi, lecz krąży wokół Słońca z tą samą prędkością co Ziemia.

Orbita JWST (nie w skali)

Pytania i odpowiedzi

P: Czym jest Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST)?

P: Kim jest James E. Webb?

P: Jak szerokie jest główne zwierciadło JWST?

P: Jak wykonane jest główne zwierciadło JWST?

P: Jakiego rodzaju teleskopem jest JWST?

P: Dlaczego JWST jest pokryty złotem?

P: W jaki sposób JWST utrzymuje niską temperaturę?

Szukaj według litery