De James Webb-ruimtetelescoop

Met de lancering van de James Webb Space Telescope (JWST) zal het begrip van de mensheid van het universum - en zijn oorsprong - exponentieel toenemen.

Oorspronkelijk de Next Generation Space Telescope (NGST) genoemd en in september 2002 omgedoopt ter ere van voormalig NASA-beheerder James Webb, vertegenwoordigt de JWST een internationale samenwerking van partners, waaronder NASA, de Canadian Space Agency (CSA), de European Space Agency (ESA), ruimtevaartfabrikant Northrop Grumman en het Space Telescope Space Institute, dat de telescoop zal bedienen nadat deze is gelanceerd.

Infraroodtechnologie

Wat maakt de JWST anders dan de ruimtetelescopen die eraan voorafgingen, zoals de geschiedenismakende Hubble-ruimtetelescoop? Om te beginnen is Hubble, die in 1990 werd gelanceerd, een optische telescoop; de JWST is een infraroodtelescoop. Terwijl lichtgolven door het steeds groter wordende universum reizen, worden ze "uitgerekt", wat betekent dat ze verschuiven naar langere, rodere energiegolflengten. Op een gegeven moment verschuift het ooit zichtbare licht van de meest verre sterren in het universum naar infrarode golflengten die niet langer kunnen worden gedetecteerd door optische telescopen zoals Hubble. De JWST is speciaal ontworpen om beelden van die infrarood lichtgolven vast te leggen en te analyseren met behulp van de modernste spectroscopie.

De JWST zal niet de eerste keer zijn dat wetenschappers infraroodtechnologie gebruiken om het universum te verkennen. In 1983 lanceerde NASA zijn baanbrekende Infrared Astronomical Satellite (IRAS) in een baan om de aarde, waardoor het 's werelds eerste in de ruimte gebaseerde infraroodtelescoop werd. Een gezamenlijk project ontwikkeld door de VS, Nederland en het Verenigd Koninkrijk, het cirkelde 859 mijl boven de aarde in een missie die 10 maanden duurde en meer dan 250.000 infraroodbronnen observeerde in de 12, 25, 60 en 100 micrometer golflengten. Het succes van die missie leidde in 1985 tot de installatie van een heliumgekoelde infraroodtelescoop aan boord van de Space Shuttle Challenger (STS-51) en resulteerde uiteindelijk in de ontwikkeling van de Spitzer Space Telescope, die in 2003 werd gelanceerd.

Tussen deze mijlpalen door lanceerde de European Space Agency, in samenwerking met NASA en het Japanse Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), in november 1995 de Infrared Space Observatory (ISO) op een driejarige missie om ongeveer 30.000 infraroodbronnen te observeren. voer beeldvorming uit in het bereik van 2,5 tot 240 micrometer en spectroscopie in het bereik van 2,5 tot 196,8 micrometer, en stuur de gegevens in realtime terug naar de aarde. En in 1997 gaf NASA de Hubble optische telescoop infraroodcapaciteit door hem uit te rusten met de Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) tijdens Servicing Mission 2 (STS-82).

NICMOS, een gecombineerd beeldapparaat en spectrometer ontworpen en gebouwd door Ball Aerospace &Technologies Corp., bevatte drie kwik-cadmiumtelluride nabij-infrarooddetectoren die waren gebonden aan saffiersubstraten en ontworpen om te werken in de golflengte van 0,8 tot 2,5 micrometer. De NICMOS, die werkte van 1997 tot 1999 voordat de koelvloeistof opraakte, en vervolgens van 2002 tot 2008 na de installatie van een nieuw cryogeen koelsysteem tijdens Servicing Mission 3B (STS-109), werd uiteindelijk in 2009 vervangen door de Wide Field Camera 3 (WFC3) tijdens Onderhoudsmissie 4 (STS-125). Hoewel het niet strikt een infraroodinstrument was - het had ook een UV- en optisch kanaal dat beelden kon opnemen in het golflengtebereik van 200 tot 1000 nm - had de WFC3 wel een nabij-infrarooddetector die ontworpen was om beelden vast te leggen in het golflengtebereik van 800 - 1700 nm. Hoewel de infraroodcapaciteit van de WFC3 beperkt is in vergelijking met NICMOS (1700 nm vs. 2500 nm), kan de WFC3 thermo-elektrisch worden gekoeld, waardoor cryogene koeling overbodig is.

De Spiegel

Misschien wel het meest technologisch geavanceerde wetenschappelijke instrument dat ooit in de ruimte is gelanceerd, zal de JWST niet alleen de beste aspecten van de Hubble- en Spitzer-ruimtetelescopen combineren, hij zal ze ver overtreffen, te beginnen met de grootte van zijn primaire spiegel. De spiegel van Webb heeft een diameter van 6,5 meter in vergelijking met Hubble's spiegel van 2,4 meter en Spitzers compacte spiegel van 0,8 meter.

Omdat een spiegel van dat formaat te groot is om in een huidig ​​lanceervoertuig te passen, zal hij bestaan ​​uit 18 afzonderlijke zeshoekige segmenten van lichtgewicht beryllium die zich, eenmaal in een baan om de aarde, uitklappen en zich automatisch aanpassen aan de vorm. Elk segment zal vacuümdampdepositie worden gecoat met een dunne laag goud van slechts 1000 angstrom (100 nanometer) dik. Om dat in perspectief te plaatsen, gezien de dichtheid van goud bij kamertemperatuur (19,3 g/cm ³ ), dat komt neer op 48,25 g goud - ongeveer dezelfde massa als een golfbal - voor een oppervlakte van 25 m ² . Waarom goud? Superieure reflectiviteit. Goud reflecteert 98 procent van het opgevangen infrarood licht, terwijl een materiaal zoals aluminium doorgaans slechts ongeveer 85 procent van het zichtbare licht reflecteert.

De JWST is ontworpen om in een baan om het L2-punt te draaien, 1,5 miljoen kilometer boven de aarde. Hoe verder een telescoop van de aardatmosfeer verwijderd is, hoe minder elementen er zijn die de kwaliteit van de verzamelde gegevens negatief kunnen beïnvloeden. Het zal ook ver genoeg verwijderd zijn van het beschermende magnetische veld van de aarde, waar hoogenergetische kosmische stralen de signalen kunnen verstoren of elektrische ladingen kunnen veroorzaken die de gevoelige instrumenten van de telescoop mogelijk kunnen beschadigen. Als aanvullende verzekering is de JWST ontworpen met speciale afschermings- en geleidende materialen om te voorkomen dat spanning zich ophoopt en de zonneschermen en subsystemen van het vaartuig beschadigt. De telescoop zal elke 198 dagen een volledige baan rond L2 maken... voor het geval je ernaar wilt kijken.

Het zonnescherm

Het zonnescherm van de telescoop, dat ongeveer zo groot is als een tennisbaan (21,197 m × 14,162 m), is verreweg het grootste element van de JWST. De zonnekap, die bestaat uit vijf lagen met siliconen gecoate Du-Pont™ Kapton®, elke laag minder dan 1 mm dik, heeft als voornaamste doel om de koude kant van de telescoop, waar de instrumenten zijn ondergebracht, te scheiden van de kant die naar de zon is gericht. De maximale temperatuur die laag 1 kan weerstaan ​​is 383K (~231°F), terwijl laag 5 bestand is tegen een maximale temperatuur van 221K (~ -80°F) en een minimumtemperatuur van 36K (~ -394°F). Aangezien infrarooddetectoren de voorkeur geven aan koele temperaturen en warmte die wordt gegenereerd door de systemen aan boord van de JWST de infraroodsignalen die worden opgevangen, kan vervuilen, is de bedrijfstemperatuur van de telescoop lager dan 50K (~ -370 °F).

Gezien de grootte van het zonnescherm en hoe dun de materialen zijn, was een van de technische uitdagingen waarmee de ontwerpers werden geconfronteerd, het sterk genoeg te maken om de ontberingen van ruimtereizen te weerstaan. Dat hebben ze bereikt door een ingenieus systeem van steunribben te creëren die voor de nodige structurele stabiliteit zorgen zonder broos te worden. Het systeem tolereert ook kleine scheurtjes veroorzaakt door ruimtepuin zonder te falen.

Qua technologie kan de JWST worden onderverdeeld in drie secties:de Integrated Science Instrument Module (ISIM), het optische telescoopelement en het ruimtevaartuigelement.

De wetenschappelijke instrumenten

De ISIM bevat de vier belangrijkste wetenschappelijke instrumenten van de JWST:de Near-Infrared Camera (NIRCam), de Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), het Mid-Infrared Instrument (MIRI) en de Fine Guidance Sensor/Near-Infrared Imager en Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS).

De Near-Infrared Camera, gebouwd door de Universiteit van Arizona en Lockheed Martin, zal twee belangrijke functies vervullen. De eerste is om beelden vast te leggen in het golflengtebereik van 600 nm tot 5000 nm met een belichtingstijd van 10.000 seconden (ongeveer 2,8 uur). Ontworpen om te werken bij 37K (~ -393°F), zal het licht waarnemen en opnemen dat wordt geproduceerd door enkele van de eerste sterren en sterrenstelsels die na de oerknal in het universum zijn gevormd. De andere belangrijke functie is om constant de prestaties van de 18 segmenten van de primaire spiegel te bewaken, zodat de telescoop scherp blijft.

De Near-Infrared Spectrograph, bijgedragen door de European Space Agency (ESA), is uniek omdat hij tegelijkertijd wel 100 objecten kan analyseren in een gezichtsveld van 3 boogminuten × 3 boogminuten in het golflengtebereik van 600 nm tot 5000 nm. Het kan dit doen dankzij een innovatief systeem van vier reeksen programmeerbare spleetmaskers met ongeveer 250.000 microsluiters, elk met een afmeting van slechts 100 × 200 micron. De NIRSpec heeft vier operationele modi:Multi-Object Spectroscopie (MOS), Integral Field Unit (IFU) modus, High-Contrast Slit Spectroscopie (SLIT) en Imaging Mode (IMA). Net als de Near Infrared Camera zal hij worden gebruikt om licht te analyseren dat is verzameld vanaf de oorsprong van het heelal.

Het midden-infraroodinstrument is ontworpen om zowel als camera als spectrograaf te werken en gaat verder waar de nabij-infraroodinstrumenten ophouden, door licht in het golflengtebereik van 5000 nm tot 28000 nm vast te leggen en te analyseren. De sleutel tot zijn prestaties op dit gebied zijn de met arseen gedoteerde siliciumdetectoren, ook bekend als Focal Plane Modules (FPM's), die een resolutie hebben van 1024 × 1024 pixels. De MIRI, die cryogeen wordt gekoeld tot 7K (~ -447°F), bevat ook een lage-resolutiespectrometer die is uitgerust met germaniummetaal- en zinksulfideprisma's die licht in het golflengtebereik van 5000 nm tot 12000 nm kunnen analyseren. Het is ook uitgerust met coronagrafen, waardoor het exoplaneten kan bestuderen.

Ten slotte is de Fine Guidance Sensor/ Near Infrared Imager en Slitless Spectrograph, gebouwd door de Canadian Space Agency, ontworpen om licht waar te nemen in het golflengtebereik van 800 nm tot 5000 nm en heeft twee functies. De Fine Guidance Sensor geeft het richtingsgevoel van de JWST en richt het op aangewezen doelen. De Near Infrared Imager en Slitless Spectrograph, die is uitgerust met een kwik-cadmiumarray van 2048 × 2048 pixels en een gezichtsveld van 2,2 ft × 2,2 ft, is ontworpen om exoplaneten te detecteren en te analyseren.

Het Optical Telescope Element (OTE) is, zoals de naam al aangeeft, de ogen van de JWST. Volgens NASA bestaat het uit de 18 zeshoekige segmenten die de primaire spiegel van 6,5 meter vormen; de 0,74-meter cirkelvormige secundaire spiegel; de tertiaire en fijne stuurspiegels; de backplane-assemblage van de primaire spiegel en de hoofdsteun van de backplane, waarin ook de instrumentmodule is ondergebracht; het subsysteem voor thermisch beheer; achter inzetbare ISIM radiator (ADIR); en het golffrontdetectie- en controlesysteem van het ruimtevaartuig.

De subsystemen

Het laatste stukje van de puzzel is het Spacecraft Element, dat bestaat uit het zonnescherm en de Spacecraft Bus. Naast het ondersteunen van de volledige massa van 6500 kg van de telescoop, huisvest de ruimtevaartuigbus, die is gemaakt van grafietcomposietmateriaal, de zes belangrijkste subsystemen van de JWST, namelijk het elektrische stroomsubsysteem, het houdingscontrolesubsysteem, het communicatiesubsysteem, de commando- en gegevensverwerkingssubsysteem, het voortstuwingssubsysteem en het thermische regelsubsysteem.

De primaire functie van het elektrisch vermogen subsysteem is om de door de zonnepanelen verzamelde energie om te zetten in het elektrische vermogen dat nodig is voor de andere subsystemen. Het subsysteem voor houdingscontrole regelt de oriëntatie en stabiliteit van de telescoop in een baan om de aarde. Het communicatiesubsysteem zorgt voor de overdracht van gegevens en commandosignalen via NASA's Deep Space Communication Network. Het subsysteem voor commando- en gegevensverwerking bevat de hoofdcomputer van de JWST en de Command Telemetry Processor (CTP), evenals het Solid State Recorder (SSR)-gegevensopslagapparaat. Het subsysteem voor voortstuwing bestaat uit de raketten en brandstoftanks die nodig zijn om de telescoop te richten en in de juiste baan te houden. En het subsysteem voor thermische controle is ontworpen om de vier uitklapbare radiatorschermen te regelen en kritische bedrijfstemperaturen aan boord van het ruimtevaartuig te handhaven.

Op basis van de buitengewone hoeveelheid en kwaliteit van de gegevens die zijn verzameld door de Hubble- en Spitzer-ruimtetelescopen, is het gevoel van anticipatie en opwinding over wat we zouden kunnen leren van de JWST begrijpelijkerwijs hoog. De verwachte duur van de missie is 5 - 10 jaar en binnen die tijd hopen wetenschappers niet alleen meer te weten te komen over de oorsprong en vorming van ons universum, maar ook om waardevolle informatie te verzamelen over andere mysteries zoals zwarte gaten, supernova's, babysterrenstelsels en verre planeten die het potentieel hebben om leven te ondersteunen.

Ongeacht wat het ontdekt, zoals het fictieve Starship Enterprise in de populaire Star Trek-televisieserie, zal de JWST ons de zeer reële mogelijkheid geven om wetenschappelijk te gaan "waar nog geen mens is geweest".

Dit artikel is geschreven door Bruce A. Bennett, redacteur, Photonics &Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY).

Bronnen

• Ivanova, Nelly. 2012. De James Webb-ruimte
• Wetenschappelijke gids voor telescoop . Baltimore:Ruimte
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/