Hvad kan man forvente af NASAs James Webb Space Telescope-lancering

Juledag giver NASA astronomer en af ​​de største gaver, den kan give ved at opsende det mest kraftfulde rumteleskop, der nogensinde er skabt. Kaldet James Webb Space Telescope, eller JWST, er rumobservatoriet beregnet til at være efterfølgeren til NASAs Hubble Space Telescope, der allerede er i kredsløb om Jorden. Og det lover fuldstændig at transformere den måde, vi studerer kosmos på.

Med det største spejl af ethvert rumbundet teleskop, der nogensinde er blevet opsendt, har JWST til opgave at indsamle infrarødt lys fra nogle af de fjerneste stjerner og galakser i universet. Med denne evne vil teleskopet være i stand til at kigge langt tilbage i tiden og afbilde nogle af de tidligste objekter, der er dannet lige efter Big Bang. Oven i købet vil den afsløre mysterierne om supermassive sorte huller, fjerne fremmede verdener, stjerneeksplosioner, mørkt stof og mere.

det vil opklare mysterierne om supermassive sorte huller, fjerne fremmede verdener, stjerneeksplosioner, mørke stof og mere

NASA har arbejdet i næsten tre årtier for at fremstille dette teleskop og få det til affyringsrampen. Nu er teleskopet endelig sat til at opsende oven på en europæisk Ariane 5-raket ud af Europas primære opsendelsessted i Kourou, Fransk Guyana i Sydamerika, lørdag den 25. december. Men når først teleskopet er i rummet, er der stadig lang vej igen. Fordi JWST er så massiv, skal den flyve til rummet foldet sammen. Når den først er i rummet, vil den gennemgå en kompleks udfoldelsesproces, der vil tage op til to uger at fuldføre. Og denne omvendte origami skal passe helt rigtigt, for at teleskopet kan fungere korrekt.

Alt imens vil JWST rejse til et ekstra koldt sted, der ligger 1 million miles fra Jorden, hvor rumfartøjet vil leve sit liv ud og indsamle så meget infrarødt lys, som det kan. Det er en ekstremt kompliceret lancering og mission, med mange muligheder for, at ting kan gå galt undervejs. Men hvis alt går rigtigt, vil verdens astronomer have et utroligt kraftfuldt værktøj til deres rådighed i de næste fem til 10 år.

Læs videre for at lære mere om en af ​​NASAs vigtigste opsendelser årtiet.

De imponerende specifikationer

Den første ting at vide om JWST er, at den er enorm. Teleskopet har et lysopsamlende spejl, der er mere end 21 fod eller 6,5 meter bredt. Til sammenligning er Hubbles spejl lige under 8 fod eller 2,4 meter på tværs, og det har været ansvarlig for at afbilde nogle af de mest ikoniske objekter, vi nogensinde har set i universet. Takket være dets større spejl vil JWST være mellem 10 og 100 gange mere følsom end Hubble, hvilket gør det muligt for den at se meget svage genstande på himlen.

“Du kan på en måde tænke på et teleskopspejl som en let spand,” siger Amber Straughn, viceprojektforsker for JWST ved NASAs Goddard Space Flight Center, til The Verge. “Jo større spejlet er, eller jo større spand, jo flere ting samler du på. Og selvfølgelig, i dette tilfælde, er sagen fotonerlys fra det fjerne univers.”

JWST's primære spejl bliver testet hos Northrop Grumman Billede: Northrop Grumman

For at samle dette massive spejl var JWSTs ingeniører nødt til at bygge det i stykker. Den er lavet af 18 sekskantede segmenter af letvægtselementet beryllium, der hver især er på størrelse med et sofabord. Sammen skal segmenterne flugte næsten perfekt og bevæge sig så præcist, at de er justeret inden for en brøkdel af en bølgelængde af lys, hvilket er omkring 1/10.000 af diameteren af ​​et menneskehår.

“Hvert spejl skal matche de andre spejle med en meget lille tolerance, så når de er justeret, virker de som om de var et enkelt spejl, ” Lee Feinberg, den optiske teleskopelementleder for JWST ved NASA Goddard Space Flight Center, fortæller til The Verge.

“de opfører sig, som om de var et enkelt spejl”

Et nøgletræk ved spejlet er, at det er belagt med et lag guld, der er omkring 200 gange tyndere end det gennemsnitlige menneskehår. Guldet er det, der tillader JWST at se i det infrarøde – en type lys, der er forbundet med nogle af de fjerneste galakser og stjerner i kosmos. Fordi universet udvider sig, suser de fjerneste objekter væk fra Jorden meget hurtigere væk end objekter, der er tættere på os. Jo hurtigere de sprinter væk, jo mere bliver deres lys strakt og flytter sig væk fra den synlige del af spektret og mod det infrarøde. Med sine guldspejle burde JWST være i stand til at se det infrarøde lys fra galakser, der er op til 13,6 milliarder lysår væk fra Jorden.

Og det er det, der gør teleskopet til et vindue ind i fortiden. Lys fra objekter 13,6 milliarder lysår væk vil have taget så mange år at nå frem til teleskopets spejl. Da vi tror, ​​at universet er omkring 13,8 milliarder år gammelt, betyder det, at disse objekter kun var omkring 100 til 250 millioner år efter Big Bang.

Det er dog utroligt svært at observere i det infrarøde. Infrarødt lys er forbundet med varme, som udsendes af alt med en temperatur over det absolutte nulpunkt. JWST kan ikke leve i vores planets kredsløb eller nogen steder på jorden; varmen fra Jorden og dens atmosfære ville forstyrre observationerne. Selv teleskopet skal være ekstra koldt, så det ikke producerer for meget varme og kaster sine egne observationer af sig. Det er derfor, JWST bliver sendt til et sted 1 million miles fra vores verden, kendt som et Lagrange-punkt mellem Jorden og Solen, hvor tyngdekraftens træk og centrifugalkræfter er det helt rigtige for teleskopet at forblive i en stabil bane. På dette Lagrange-punkt vil JWST forblive i nogenlunde samme afstand og position fra Jorden til enhver tid.

Selv på denne fjerne afstand er varme fra solen stadig et problem. For at holde sig ekstra kølig er JWST udstyret med det, der er kendt som et solskjold. Den består af fem ultratynde lag af et materiale kaldet Kapton, hver på størrelse med en tennisbane stablet oven på hinanden. Det yderste lag vil altid vende mod Solen og reflektere det meste af dens varme, der opererer ved en brændende 230 grader Fahrenheit. Men hvert efterfølgende lag bliver køligere og køligere, så JWST's instrumenter forbliver pæne og kryogene og fungerer ved omkring minus 370 grader Fahrenheit.

A Troubled History

JWSTs rejse til affyringsrampen har været lang og ujævn. Efter flere års diskussion om, hvordan det næste store rumteleskop efter Hubble skulle se ud, anbefalede astronomer ved Space Telescope Science Institute formelt i 1996, at NASA skulle bygge et nyt infrarødt rumteleskop med et spejl på 4 meter bredt. Men NASA’s administrator på det tidspunkt, Dan Goldin, besluttede, at 4 meter ikke var stort nok og opfordrede missionsdesignere til at øge størrelsen til mere end 8 meter.

Denne beslutning gjorde bygningen af ​​rumfartøjet meget mere kompleks. Det massive spejl betød, at JWST måtte lancere foldet op, da ingen raket til rådighed var stor nok til at huse rumfartøjet i dens endelige konfiguration. Og sandheden var, at de teknologier, der er nødvendige for at gøre teleskopet til en realitet – såsom systemet og mekanikken, der er nødvendig for perfekt at justere disse spejle – stadig skulle opfindes.

“Den næste snublen var, at det er meget dyrere, end vi troede,” fortæller Thomas Zurbuchen, associeret administrator for Science Mission Directorate hos NASA, til The Verge.

” det er meget dyrere, end vi troede”

Oprindeligt håbede astronomer at lancere JWST engang mellem 2007 og 2011 til en anslået pris på alt fra $1 milliard til $3,5 milliarder. Men i løbet af årtierne fortsatte JWSTs omkostninger med at vokse, mens dets lanceringsdato blev skubbet frem og tilbage. Til sidst foreslog lovgivere at annullere projektet helt over sneboldbudgettet. NASA lavede derefter en fuldstændig omplanlægning af missionen i 2011, og Kongressen indvilligede i at fortsætte med at finansiere projektet, mens der blev sat et budgetloft på teleskopets samlede levetid på 8,8 milliarder dollars. En ny lanceringsdato blev sat til 2018.

Men omkostningerne fortsatte med at stige, mens udviklingen gik i stå. I mellemtiden, da ingeniører begyndte at sætte teleskopet sammen og teste det for at blive klar til rummet, var der alle mulige problemer. Mens teleskopet var ved Northrop Grumman, den primære entreprenør for rumfartøjet, skruer og skiver tilsyneladende kom af køretøjet på et tidspunkt, fandt ingeniører rifter i solskjoldet, og nogen påførte for høj spænding under en test, for blot at nævne nogle få fejl. Til sidst, i 2018, NASA afgjorde en endelig pris for programmet: hele 9,7 milliarder dollars til at dække både udvikling og rumfartøjets operationer i rummet. Agenturet indrømmede også, at det ikke ville blive lanceret det år.

Nye kontroverser opstod om JWST under teleskopets sidste strækning. Tidligere i år rejste en gruppe astronomer bekymringer om teleskopets navnebror, James Webb, en NASA-administrator under Apollo-programmet, der overvågede USA's ambitiøse plan om at sætte mennesker på Månen. I en artikel offentliggjort i Scientific American opfordrede tre astronomer NASA til at omdøbe teleskopet med henvisning til det faktum, at Webb var en højtstående embedsmand i Truman-administrationen under Lavender Scare – da LGBTQ-personer blev målrettet og udrenset fra den føderale arbejdsstyrke . I sidste ende besluttede NASA ikke at omdøbe teleskopet efter at have lavet sin egen interne undersøgelse og hævdet, at det ikke kunne finde beviser for, at Webb havde været involveret. Undersøgelsen blev dog kritiseret for ikke at gå dybt nok.

“Der er ingen fejl, der er små på Webb, som har små konsekvenser. Du skal være tæt på perfektion.”

Med sit kontroversielle navn stadig intakt blev JWST endelig sendt til sit lanceringssted i Fransk Guyana i oktober. Med hensyn til mærke stoppede dens problemer ikke, da den ankom til Sydamerika. Teleskopets opsendelse var oprindeligt sat til den 18. december, men blev forsinket to gange på grund af et par uheld, herunder et knækket klemmebånd, der sendte uventede vibrationer gennem teleskopet og et uforudset kommunikationsproblem mellem raketten og dens jordsystemer. Spørgsmålet om klemme blev løst, men sidstnævnte er stadig i gang – selvom NASA hævder, at det ikke burde være et problem ved opsendelse.

Som Zurbuchen forklarer, skal alle forholdsregler tages, når der opstår et problem opstår, uanset hvor lille et problem det måtte synes. Rumfartøjet har taget så lang tid og kostet så meget at bygge, at alt skal gå rigtigt. Ellers er risikoen et teleskop på 10 milliarder dollar, der er dødt i rummet.

“Små fejl … langt de fleste af dem har små konsekvenser,” siger Zurbuchen. “Der er ingen fejl, der er små på Webb, som har små konsekvenser. Du skal være tæt på perfektion.”

Lancering er kun starten

Fra nu af er JWST indstillet til at lancere den 25. december kl. 7:20 ET. Dens tur til rummet, Ariane 5-raketten, har været Europas førende raket i omkring de sidste to årtier. Ud over at være en yderst kapabel raket med en stærk opsendelsesrekord, bringer valget af Ariane 5 også NASA's europæiske partnere ind i, hvad der anses for at være en virkelig global mission.

Selve opsendelsen skulle vare cirka 26 minutter før JWST skiller sig fra Ariane 5-raketten. Selvom det altid er risikabelt at raketture til rummet, er der mere angst i vente, når JWST rent faktisk er fri for Ariane 5. “Lancering er virkelig kun begyndelsen,” siger Straughn.

“Lancering er virkelig kun begyndelsen.”

Hvis alt går godt med JWSTs start, er det, når “29 dage på kanten” – et udtryk opfundet af NASA – begynder. Det er en ildevarslende sætning til at beskrive teleskopets komplicerede udfoldelsesproces. Når det først er befriet fra raketten og på vej til sin destination 1 million miles fra Jorden, vil rumfartøjet langsomt folde sig ud og blomstre som en mekanisk blomst.

Den første ting, JWST skal gøre lige efter opsendelsen, er at installere sit solpanel for at begynde at indsamle energi fra Solen, der er nødvendig for at drive hele rumfartøjet. I løbet af den næste dag i rummet vil den installere sin højforstærkningsantenne, der er nødvendig for at kommunikere med Jorden. Herefter begynder den virkelig vilde omvendte origami. JWST vil ændre sin form og begynde at anvende sit sarte solskjold, en proces, der er indstillet til at vare i dagevis. Hvis det går godt, vil teleskopet udfolde sit primære spejl fuldt ud.

Selv når udfoldelsen er færdig efter ca. to uger vil JWST ikke være på sin endelige destination – det vil stadig have uger tilbage. Lidt mindre end en måned efter opsendelsen vil teleskopet affyre sine indbyggede thrustere for at bringe sig selv i sin endelige position ved det tilsigtede Lagrange-punkt.

Det er overflødigt at sige, at mange astronomer, ingeniører og videnskabsmænd ikke får meget hvile, før det hele er overstået. Og der er masser af øjeblikke, hvor en defekt remskive eller en klæbrig aktuator kan bringe fremtiden for hele missionen i fare.

Men hvis alt går rigtigt, så vil NASA snart have nogle utroligt skarpe øjne på himlen. Teleskopet skal bruge lidt tid på at køle ned, når det når sin endelige bane, og så skal ingeniører bruge nogle måneder på at teste alle instrumenterne for at se, om de fungerer korrekt. Men JWST kan tage sine allerførste betagende billeder allerede denne sommer. For astronomer vil ventetiden være det værd.

“Jeg tror virkelig, at dette teleskop vil være transformerende for astrofysikken,” siger Straughn. “Jeg tror, ​​at vi vil lære ting om universet, som fuldstændig overrasker os, og det er en af ​​de mest spændende udsigter, hver gang vi sætter et stort, modigt teleskop som dette ud i rummet. Vi lærer ting, som vi aldrig havde forventet.”