James Webb Space Telescope: Pogled u daljinu

Dugo putovanje u kosmos najmoćnijeg teleskopa na svetu Džejmsa Veba (James Webb Space Telescope – JWST) otpočelo je 25. decembra 2021. godine, a sada on postiže punu funkcionalnost. Njegov zadatak je da prikuplja podatke o najudaljenijim objektima u svemiru, do kojih njegov prethodnik Habl nije bio u mogućnosti da dospe. Pred nama su konačno prve spektakularne slike kosmosa.

JWST je rezultat zajedničkog projekta svemirskih agencija iz SAD (NASA sa dominantnom ulogom), Evrope (ESA) i Kanade (CSA). Naziv je dobio po Džejmsu Vebu, administratoru agencije NASA tokom šezdesetih godina prošlog veka, koji je odigrao ključnu ulogu u projektu Apollo. Glavni izvođač radova pri realizaciji JWST-a je Northrop Grumman, američka multinacionalna kompanija za vazduhoplovnu i odbrambenu tehnologiju, jedan od najvećih svetskih proizvođača oružja i dobavljača vojne tehnologije.

Svemirski teleskop nove generacije

Razvoj projekta otpočeo je davne 1996. godine, a kompletiran je 2016. godine. Zatim su usledili strogi testovi. Savladavši mnogobrojne probleme tehničke i finansijske prirode, Veb je konačno lansiran uz pomoć rakete Ariana 5 s kosmodroma u gradu Kurua u Francuskoj Gvajani. Ušao je u orbitu januara 2022, a 11. jula NASA je predstavila javnosti prvu fotografiju iz svemira koju je napravio JWST. Sutradan je usledilo publikovanje još četiri fotografije iz iste serije koje se mogu smatrati revolucionarnim kako po tehnici snimanja, tako i po udaljenosti snimljenih objekata.

Naučnici očekuju da će teleskop na svom zadatku funkcionisati najmanje deset godina. Očekuje se da će u tom periodu doprineti naučnim istraživanjima u mnogim oblastima astronomije i kosmologije. Što je najvažnije, ta istraživanja bi trebalo značajno da doprinesu proučavanju nastanka galaksija, zvezda i planetarnih sistema kako bi se objasnio nastanak života na Zemlji, a možda i na drugim nebeskim telima.

IC laboratorija na 1.500.000 km od Zemlje

Teleskop Džejms Veb kruži u tzv. hejlo orbiti, u blizini Lagranžove tačke Zemlja-Sunce. To je naziv za pet tačaka u orbitalnoj konfiguraciji gde malo telo na koje deluje samo gravitaciona sila može da bude nepokretno u odnosu na dva veća tela. Njihova gravitaciona dejstva su u ravnoteži, pa se ne javlja nikakva sila koja bi izbacila telo iz orbite. Lagranžove tačke se nalaze na oko 1.500.000 km izvan Zemljine orbite, tako da Veb kruži upravo na toj udaljenosti, a periapsis (tačka orbite u kojoj je najbliži Zemlji) je 374.000 km. Poređenja radi, Habl kruži na 550 km iznad Zemljine površine, a Mesec je od Zemlje udaljen otprilike 400.000 km. Pozicija je idealna za osmatranje svemira, ali čini popravku ili nadogradnju Vebovog hardvera praktično nemogućom.

Obični zemaljski teleskopi pokrivaju opseg talasnih dužina vidljive svetlosti (380 do 740 nm), Habl pokriva i mali deo ultravioletnog i infracrvenog područja, dok je Veb prvenstveno infracrveni teleskop optimizovan za talasne dužine od 0,6 do 28 mikrometara (600 do 28000 nm). Tom području treba dodati crvenu i narandžastu boju iz vidljivog spektra, kao i širok spektar većih talasnih dužina izvan toga. Ove infracrvene oblasti su vrlo bitne jer hladni objekti kao što su planete najčešće emituju u IC spektru.

Infracrveni opseg je teško proučavati sa Zemlje ili pomoću Habla. Teleskopi sa Zemlje posmatraju objekte kroz atmosferu koja je neprozirna u mnogim IC opsezima, a Hablovo ogledalo nije dovoljno hladno, održava se na 15 stepeni Celzijusovih. Teleskop mora biti ekstremno hladan da bi mogao da posmatra u infracrvenom spektru bez smetnji. Kod Veba je to rešeno tako što ima veliki sunčani štit koji njegove instrumente i ogledalo održava na temperaturi ispod 50 K (-220 stepeni Celzijusa).

Atipična konstrukcija

Iako su funkcionalno konstruisani na istim principima, po izgledu Veb se razlikuje od klasičnih teleskopa, pa i od Habla. Na prvi pogled više liči na radio-teleskop nego na optički. Ima masu od 6500 kg (upola manje od Habla), a dimenzije su mu 20,192*14,162 metra. Kao izvor napajanja koristi solarne panele snage 2000 W. Izgrađen je oko velikog primarnog ogledala, kao najvažnijeg optičkog elementa, prečnika 6,5 metara (mnogo veće od Hablovog ogledala čiji je prečnik 2,4 m). Ima oko pet puta veću kolektorsku površinu od Habla, a i znatno bolju rezoluciju i senzitivnost u odnosu na svog prethodnika.

Vebovo ogledalo se sastoji od 18 heksagonalnih segmenata. Svaki segment ima šest aktuatora koji kontrolišu njegovu orijentaciju, kao i jedan aktuator u centru za podešavanje krivine ogledala. Ključni zadatak mu je da uhvati što više svetlosti od objekata koji se posmatraju. Umesto od stakla, ogledalo je napravljeno od berilijuma, koji je izabran sofisticiranim kompjuterskim modeliranjem kao optimalan materijal (jak je, a vrlo lagan). On je najpre vrlo precizno ispoliran, a zatim premazan čistim zlatom radi što bolje refleksije na infracrvenim talasnim dužinama.

Istraživanja bi mogla da doprinesu proučavanju nastanka galaksija, zvezda i planetarnih sistema kako bi se objasnio nastanak života na Zemlji, a možda i na drugim nebeskim telima

Osim primarnog ogledala, Veb sadrži brojne instrumente neophodne za njegovo funkcionisanje i održavanje. Sve to zaštićeno je od mogućeg zagrevanja od Sunca i drugih nebeskih tela velikim petoslojnim štitom od kapton E filma (poliamidni film) obloženog aluminijumom sa obe strane.

Kamere i spektrografi

NIRCam (Near Infrared Camera) je Vebov primarni snimač slike koji pokriva IC opseg s talasnim dužinama od 0,6 do 5 mikrometara. Opremljen je koronografima, instrumentima koji omogućavaju astronomima da slikaju veoma slabo osvetljene objekte oko centralnog svetlog objekta. Napravljen je u saradnji naučnika sa Univerziteta u Arizoni i kompanije Locheed Martin. Sadrži klasične analogne CCD senzore. Sastoji se od dva istovetna, potpuno redundantna modula, koji ukazuju na susedna vidna polja na nebu i mogu se koristiti istovremeno. Takođe, omogućavaju spektroskopiju širokog polja, kao i režime posmatranja vremenskih serija za visokoprecizno fotometrijsko praćenje i spektro-fotometrijski monitoring.

MIRI (Mid-Infrared Instrument) pruža pokrivenost srednjih infracrvenih talasnih dužina. Slika se može dobiti s devet širokopojasnih filtara koji pokrivaju opseg talasne dužine od 5,6 do 25,5 mikrometara. MIRI takođe ima tri koronografa optimizovana za srednji infracrveni spektar.
Razvijen je kroz saradnju Evropskog konzorcijuma i američke Laboratorije za mlazni pogon (JPL – Jet Propulsion Laboratory).

,NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) je višenamenski spektroskopski instrument koji radi u opsegu talasnih dužina od 0,6 do 5,3 mikrometra. Nudi visokopropusnu spektroskopiju jednog objekta kroz fiksne proreze, prostorno rešenu spektroskopiju integralne jedinice polja i moćni spektroskopijski režim s više objekata, koji koristi sklop mikrozatvarača. Izradila ga je evropska kompanija Airbus Industries, s tim što je mikrozatvarače i podsisteme detektora realizovala NASA.

Veb svakog dana isporučuje 270 GB naučnih i inženjerskih podataka komandnom centru na Zemlji

Spektroskop NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) pruža jedinstvene mogućnosti posmatranja između 0,6 i 5 mikrometara, dopunjujući one koje su dostupne sa NIRCam i NIRSpec uređajima. Njegov razvoj je doprinos kanadske agencije projektu. Instrument je dizajnirala i napravila kompanija Honeywell International u saradnji sa Univerzitetom u Montrealu, a dodatnu tehničku podršku dao je kanadski centar za astronomiju i astrofiziku Hersberg Astronomy and Astrophysics Research Centre.

Softver i komunikacije

Naprednu softversku platformu za dizajniranje i funkcionisanje Veba razvio je Siemens Digital Industries Software, poslovna jedinica Siemens-a sa sedištem u Teksasu, specijalizovana za PLM (Product Lifecycle Management) softver za upravljanje proizvodima. Teleskom koristi Femap softver ove kompanije kao pretprocesor za obradu ulaznih podataka i postprocesor koji komapajlira izlaz u mašinski čitljiv jezik ili pokrete. Na taj način su napravljena vrlo obimna ispitivanja i testiranja Veba pre nego što je lansiran
u kosmos.

Glavni oblik komunikacije između teleskopa i centra u NASI je primopredajnik Ka opsega u mikrotalasnom delu radio-spektra (31,8 do 32,3 GHz), s brzinom prenosa podataka 3,5 Mb/s. Pritom se koristi jedna antena visokog pojačanja (HGA) visine 60 cm, kao i antena srednjeg pojačanja (MDA) visine 20 cm. Obe su postavljene na zajedničku zglobnu platformu. Na drugoj strani je primopredajnik zemaljske stanice prečnika 34 metra. Na taj način, ostvarujući svakodnevno po jedan kontakt u trajanju od četiri sata, Veb svakog dana isporučuje 270 GB naučnih i inženjerskih podataka komandnom centru na Zemlji.

Tamo daleko…

Prva Vebova slika objavljena je 11. jula na TV brifingu kojem su prisustvovali predsednik SAD Joseph Biden, potpredsednica Kamala Harris i administrator agencije NASA Bill Nelson. Nazvana je „Vebovo prvo duboko polje“, a prikazuje jato galaksija pod nazivom SMACS 0723, koje je oko 4,6 milijardi svetlosnih godina udaljeno od Zemlje. To je, kako kaže NASA, do sada najdublja i najoštrija slika dalekog svemira. Uprkos posmatranju polja koje je veličine zrna peska, teleskop je uspeo da napravi kompozitnu sliku u boji za samo 12,5 sati (Habl bi to radio nedeljama s mnogo manjom rezolucijom).

Sledećeg dana prikazane su još četiri slike i spektrogram. Prve dve od tih slika prikazuju magline Južnog prstena pronađene u sazvežđu Vela, na udaljenosti 2000 svetlosnih godina od Sunca. Dve zvezde u centru magline su u uskoj orbiti jedna oko druge, a slabija je umiruća zvezda koja izbacuje oblake gasa i prašine u svemir. Treća slika iz te serije prikazuje Stefanov kvintet, skup od pet galaksija u sazvežđu Pegaza, udaljen 40 do 290 miliona svetlosnih godina od nas.

Na četvrtoj slici prikazan je ivični deo mladog regiona u kome se formiraju zvezde u maglini Karina Nebula, dok je peta, poslednja, ali ne najmanje važna, slika „kosmičkih litica“ u maglini Karina koje su napravile mlade, vruće zvezde nagrizajući površinu ultraljubičastim zracima, što bi moglo da pomogne da se dođe do podataka o nastanku zvezda.

Autor: Nadežda Veljković