Μια ιστορία που γράφτηκε για CBS News & χρησιμοποιείται με άδεια
Τριάντα ημέρες μετά την απογείωση από τη Γη, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα γλιστρήσει σε τροχιά ένα εκατομμύριο μίλια μακριά τη Δευτέρα, ένα ιδανικό μέρος για να σαρώσει τον ουρανό για αμυδρό υπέρυθρο φως από αστέρια και γαλαξίες πρώτης γενιάς.
Αλλά το να φτάσεις εκεί—και να απλώσεις με επιτυχία ένα γιγάντιο θόλο, καθρέφτες και άλλα αξεσουάρ στην πορεία—ήταν μόνο η μισή διασκέδαση.
Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί πρέπει τώρα να μετατρέψουν το Webb των 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων σε ένα αποτελεσματικό τηλεσκόπιο, ευθυγραμμίζοντας με ακρίβεια τα 18 κύρια τμήματα καθρέφτη έτσι ώστε να λειτουργούν μαζί ως ένας ενιαίος καθρέφτης πλάτους 21,3 ποδιών, ο μεγαλύτερος που έχει εκτοξευθεί ποτέ.
Νωρίτερα αυτή την εβδομάδα, η ομάδα απομακρυσμένων επιχειρήσεων της αποστολής ολοκλήρωσε μια πολυήμερη επιχείρηση για να ανυψώσει κάθε μέρος, τον δευτερεύοντα καθρέφτη του τηλεσκοπίου πλάτους 2,4 ποδιών, μισή ίντσα από τις κλειδαριές εκτόξευσης που το κράτησαν στη θέση του κατά τη διάρκεια της ημέρας των Χριστουγέννων στο αστεροσκοπείο. Πηγαίνοντας στο διάστημα με έναν ευρωπαϊκό πύραυλο Ariane 5.
Τώρα που έχει αναπτυχθεί πλήρως, 18 κλιπ είναι επί του παρόντος ευθυγραμμισμένα με ακρίβεια ενός χιλιοστού περίπου. Προκειμένου το τηλεσκόπιο να επιτύχει εξαιρετικά ευκρινή εστίαση, αυτή η ευθυγράμμιση πρέπει να ρυθμιστεί στο 1/10000 του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας χρησιμοποιώντας πολλαπλούς ενεργοποιητές για κλίση και ακόμη και αλλαγή του σχήματος της τομής εάν είναι απαραίτητο.
“Ο κύριος καθρέφτης μας είναι τμηματοποιημένος και αυτά τα τμήματα πρέπει να ευθυγραμμίσουν μόνο ένα μικρό μέρος του μήκους κύματος του φωτός”, δήλωσε ο Lee Feinberg, διευθυντής του Optical Telescope Element στο Goddard Space Flight Center της NASA. “Δεν μιλάμε σε μικρά, μιλάμε για ένα κλάσμα του μήκους κύματος. Αυτό είναι που είναι τόσο δύσκολο να αντιμετωπιστεί στο Webb.”
Μόλις τα όργανά του ευθυγραμμιστούν και βαθμονομηθούν, ο Webb θα είναι 100 φορές πιο ισχυρός από το Hubble, λέει η NASA, τόσο ευαίσθητο στο υπέρυθρο φως που μπορεί να ανιχνεύσει την αμυδρή θερμότητα μιας μέλισσας σε απόσταση μακριά από το φεγγάρι.
Κάθε κομμάτι καθρέφτη έχει αλεσθεί με μια συνταγή που λαμβάνει υπόψη τις παραμορφωτικές επιδράσεις της βαρύτητας καθώς κατασκευάζεται στη Γη και την αναμενόμενη συρρίκνωσή του στις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες στο διάστημα. Γνώριζαν πολύ καλά ότι αν κάποιος ανατινάχτηκε στο μέγεθος των Ηνωμένων Πολιτειών, τα Βραχώδη Όρη των 14.000 ποδιών θα είχαν ύψος λιγότερο από δύο ίντσες.
Αλλά αν ο Webb στόχευε ένα λαμπερό αστέρι σήμερα, το αποτέλεσμα θα ήταν 18 ξεχωριστές εικόνες «και θα φαινόταν φρικιαστικές, θα ήταν πολύ θολές», είπε ο Feinberg σε μια συνέντευξη, «επειδή τα κύρια τμήματα του καθρέφτη δεν είναι ακόμη ευθυγραμμισμένα».
Αυτό είναι το επόμενο σημαντικό εμπόδιο για την ομάδα του Webb, χαρτογραφώντας και στη συνέχεια γέρνοντας κάθε μέρος σε μικρές αυξήσεις, συγχωνεύοντας αυτές τις 18 εικόνες για να σχηματίσουν ένα τέλεια εστιασμένο σημείο φωτός. Είναι μια επαναληπτική διαδικασία πολλαπλών βημάτων που αναμένεται να διαρκέσει αρκετούς μήνες για να ολοκληρωθεί.
Αλλά πρώτα, το τηλεσκόπιο πρέπει να εισέλθει σε τροχιά γύρω από το Σημείο Lagrange 2, 930.000 μίλια από τη Γη, όπου η βαρύτητα του Ήλιου και της Γης συνδυάζονται για να σχηματίσουν έναν θύλακα σταθερότητας που επιτρέπει στο διαστημόπλοιο να παραμείνει στη θέση του με ελάχιστη κατανάλωση καυσίμου.
Είναι επίσης ένα σημείο όπου ο θόλος του Webb στο μέγεθος ενός γηπέδου τένις μπορεί να λειτουργήσει με μέγιστο όφελος, εμποδίζοντας τη θερμότητα από τον ήλιο, τη Γη, το φεγγάρι και ακόμη και τη θερμή διαπλανητική σκόνη που διαφορετικά θα πλημμύριζε τους ευαίσθητους υπέρυθρους ανιχνευτές του τηλεσκοπίου.
Από το Σάββατο, τμήματα του καθρέφτη έχουν κρυώσει περίπου στους μείον 340 βαθμούς Φαρενάιτ, καθοδόν σε θερμοκρασία λειτουργίας περίπου μείον 390, ή λίγο κάτω από 40 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Ενώ η ψύξη συνεχίζεται, ένας προωθητής διόρθωσης τροχιάς 4 λεπτών 58 δευτερολέπτων σχεδιάζεται να εκτοξευτεί τη Δευτέρα στις 2 μ.μ. EDT για να αλλάξει την ταχύτητα του διαστημικού σκάφους κατά 3,4 mph, αρκετά για να το βάλει σε μακρινή τροχιά γύρω από το Σημείο Lagrange 2.
Εάν όλα πάνε καλά, το τηλεσκόπιο θα παραμείνει σε αυτή την εξάμηνη τροχιά για το υπόλοιπο της λειτουργικής του ζωής, πυροδοτώντας περιοδικά έναν εκτοξευτή συντήρησης σταθμού για να παραμείνει στο σταθμό.
Με το ένθετο τροχιάς να καίει πίσω τους, οι μηχανικοί θα προχωρήσουν με ευθυγράμμιση καθρέφτη, μια από τις πιο σύνθετες πτυχές της ήδη πολύπλοκης ανάπτυξης του Webb.
Κάθε κλιπ καθρέπτη εξαγωνικής βάσης πλάτους 4,3 ποδιών διαθέτει έξι μηχανικούς ενεργοποιητές σε “εξαγωνική” διάταξη στην πίσω πλευρά, επιτρέποντας την κίνηση προς έξι κατευθύνσεις. Ο έβδομος ενεργοποιητής μπορεί να σπρώξει ή να τραβήξει το κέντρο ενός κλιπ για να παραμορφώσει ελαφρά την καμπυλότητά του εάν είναι απαραίτητο.
Αφού η κάμερα εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας Webb ή NIRCam πέσει στη θερμοκρασία λειτουργίας της, η Webb θα στοχεύσει ένα φωτεινό αστέρι έτσι ώστε το όργανο να μπορεί να σχεδιάσει αντανακλάσεις και από τους 18 τομείς, δημιουργώντας ένα μωσαϊκό που δείχνει το σχετικό μέγεθος και τη θέση του.
Στη συνέχεια, τα κλιπ καθρέφτη θα ρυθμιστούν ένα προς ένα, χρησιμοποιώντας μια σκανδάλη και μετά μια άλλη, για να προσανατολιστούν σωστά το καθένα. Θα γίνουν επιπλέον μωσαϊκά καθώς η διαδικασία συνεχίζεται και ανάλογα με τα αποτελέσματα, ενδέχεται να χρειαστεί να επαναληφθεί η διαδικασία ευθυγράμμισης.
«Το σημαντικό είναι να κάνουμε τα δεκαοκτώ κύρια κατοπτρικά τμήματα να δείχνουν με παρόμοιο τρόπο, έτσι ώστε οι εικόνες τους να έχουν περίπου το ίδιο μέγεθος», είπε ο Feinberg. “Μερικά από αυτά μπορεί να είναι πολύ αποεστιασμένα, οπότε μπορεί να έχετε ένα μεγάλο σημείο (θολή εικόνα αστεριού) στο τμήμα 5 και μια μικρή περιοχή στο τμήμα 3.”
Ο στόχος είναι να γέρνουν τα τμήματα όπως απαιτείται για να μειωθεί το μέγεθος των μη εστιασμένων εικόνων και στη συνέχεια να μετακινηθούν οι πολλαπλές αντανακλάσεις στο ίδιο σημείο στο κέντρο του οπτικού άξονα του τηλεσκοπίου, όλα στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο για να παραχθεί μια ενιαία δέσμη υψηλής εστιασμένο φως.
«Στο υψηλότερο επίπεδο, σκεφτείτε το σαν 18 ξεχωριστά τηλεσκόπια παραταγμένα περίπου στο ίδιο επίπεδο», είπε ο Feinberg. “Και μετά θα επικαλύψουμε 18 σημεία το ένα πάνω στο άλλο. Αυτό το ονομάζουμε στοίβαξη εικόνων. Είναι η διαδικασία της κλίσης των πρωτευόντων τμημάτων καθρέφτη έτσι ώστε οι εικόνες να βρίσκονται το ένα πάνω στο άλλο.”
Το κλειδί, είπε, είναι «πρέπει πραγματικά να έχεις πολύ καλό έλεγχο αυτών των κινητήρων, πολύ ακριβείς κλίσεις, γιατί χρειαζόμαστε αυτά τα 18 σημεία για να επικαλύπτονται πολύ καλά το ένα το άλλο».
Οποιοδήποτε εξάρτημα μπορεί να χάσει μία από τις έξι σκανδάλες κλίσης χωρίς κανένα αποτέλεσμα. Ακόμη και η απώλεια της κεντρικής μονάδας δίσκου μπορεί να αντισταθμιστεί σε κάποιο βαθμό μετακινώντας το κλιπ προς τα πάνω ή προς τα κάτω.
Ωστόσο, εκτεταμένες δοκιμές στο έδαφος έχουν δείξει ότι οι κινητήρες υψηλής τεχνολογίας είναι πολύ αξιόπιστοι. Οι διαδικασίες δοκιμάστηκαν πριν από την εκτόξευση χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο κλίμακας του τηλεσκοπίου και ο Feinberg είπε ότι ήταν βέβαιος ότι η διαδικασία ευθυγράμμισης θα λειτουργούσε όπως είχε προγραμματιστεί.
“Πότε θα έχουμε μια εικόνα ενός αστέρα σε φάση (κατάλληλα στοιβαγμένο και εστιασμένο); Νομίζω ότι θα είναι κάποια στιγμή τον Μάρτιο, ίσως στα τέλη Μαρτίου”, είπε.
“Αλλά η επόμενη ερώτηση είναι, πότε θα έχουμε το τηλεσκόπιο σε πλήρη ευθυγράμμιση, συμπεριλαμβανομένου του δευτερεύοντος καθρέφτη, βέλτιστο και για τα τέσσερα όργανα; Το αρχικό σχέδιο μας έβαζε να το πετύχουμε αυτό τέσσερις ολόκληρους μήνες στην αποστολή. Έτσι θα ήταν σαν τέλος Απριλίου».
Αυτό εξακολουθεί να μην είναι αρκετό για να ξεκινήσουν επιστημονικές παρατηρήσεις.
Μόλις ευθυγραμμιστεί το οπτικό σύστημα, η ομάδα θα επικεντρωθεί στη δοκιμή και τη βαθμονόμηση του NIRCam, μιας σύνθετης κάμερας και φασματόμετρου και των τριών άλλων φασματοσκοπικών οργάνων του τηλεσκοπίου, ένα από τα οποία περιλαμβάνει τον ακριβή αισθητήρα προσανατολισμού που απαιτείται για να κρατήσει τον Webb κλειδωμένο στον στόχο.
Αυτή η διαδικασία θα διαρκέσει περίπου δύο μήνες για να ολοκληρωθεί. Μόνο τότε οι εστιασμένες εικόνες «πρώτου φωτός» θα δημοσιοποιηθούν.
Η Jane Rigby, Web Operations Project Scientist στο Goddard είπε.
“Έτσι, σχεδιάζουμε μια σειρά από εικόνες “ουάου” που θα δημοσιευτούν στο τέλος της θέσης σε λειτουργία, όταν ξεκινήσουμε τις κανονικές επιστημονικές λειτουργίες που έχουν σχεδιαστεί για να δείξουν τι μπορεί να κάνει αυτό το τηλεσκόπιο… και να τραβήξουν πραγματικά τις κάλτσες όλων.”