Jameso Webbo Kosminis teleskopas (JWST): Veidrodis

Vienas iš Jameso Webbo vardo kosminio teleskopo mokslinių tikslų yra pažvelgti į praeitį, kai galaktikos buvo jaunos. Webbas tai atliks stebėdamas labai tolimas galaktikas, iki kurių daugiau, nei 13 milijardų šviesmečių. Norint išvysti tokius tolimus ir blyškius objektus, Webbui reikia didelio veidrodžio. Teleskopo jautrumas, arba kitaip sakant, kiek detalių juo galima įžvelgti, tiesiogiai priklauso nuo stebimų objektų skleidžiamą šviesą surenkančių veidrodžio ploto. Didesnis plotas surenka daugiau šviesos, panašiai, kaip didesniame kibire lyjant susirenka daugiau vandens, nei mažame.

Webb teleskopą kūrę mokslininkai ir inžinieriai nustatė, kad tų tolimų galaktikų šviesos matavimui reikia 6,5 metrų skersmens pagrindinio veidrodžio. Tokio didelio veidrodžio kūrimas – didelis iššūkis netgi statant antžeminį prietaisą. Toks didelis veidrodis niekada anksčiau nebuvo paleistas į kosmosą!

Jei Hubble kosminio teleskopo 2,4 metrų veidrodį padidintume iki Webb teleskopui reikalingo dydžio, jis būtų pernelyg sunkus iškelti į orbitą. Webbo komandai reikėjo surasti naujų būtų veidrodžio kūrimui, kad jis būtų pakankamai lengvas – tik viena dešimtoji santykinės Hubble veidrodžio masės – tačiau labai stiprus.

Webb teleskopo komanda nutarė veidrodžio segmentus daryti iš tvirto ir lengvo berilio. Kiekvienas segmentas sveria maždaug 20 kilogramų.

Webb teleskopo komanda taip pat nusprendė gaminti veidrodį iš segmentų, pritvirtintų ant išsilankstančios struktūros, primenančios sulankstomą stalą, kad tiltų į raketą. Po paleidimo veidrodžiai išsilankstytų. Kiekvieno iš 18 šešiakampių veidrodžių skersmuo tarp priešingų kraštinių yra 1,32 metro. (Webbo antrinio veidrodžio skersmuo – 0,74 metro.)

Dėl šešiakampės formos galima sukurti segmentinį veidrodį su dideliu užpildymo faktoriumi ir šešiaguba simetrija. Aukštas užpildymo faktorius reiškia, kad segmentai dera vienas su kitu be tarpų. Jei segmentai būtų apskriti, tarp jų liktų plyšiai. Simetrija gerai, nes 18-ai segmentų reikia tik trijų skirtingų optinių receptų, po 6 kiekvienai grupei (žr. aukščiau esančią diagramą). Galiausiai, artima apskritai veidrodžio forma pageidautina, nes taip šviesa į jutiklį fokusuojama kompaktiškiausiai. Pavyzdžiui, ovalus veidrodis pateiktų viena kryptimi ištįsusį vaizdą. Kvadratinis veidrodis daug sugautos šviesos atspindėtų ne į centrinę jutiklio sritį.

Atsidūrus kosmose, sufokusuoti šiuos veidrodžius teisingai į tolimą galaktiką yra dar vienas iššūkis. Tai atlikti padeda valdikliai – maži mechaniniai motorai. Pagrindinio veidrodžio segmentus ir antrinį veidrodį judina šeši valdikliai, pritvirtinti prie kiekvieno veidrodžio nugarėlės. Pagrindinio veidrodžio segmentai dar turi ir papildomus valdiklius centre, kuriais koreguojamas išgaubtumas. Tretinis teleskopo veidrodis nejuda.

Lee Feinbergas, Webb Optinio teleskopo elemento vadovas NASA Goddardo Kosminių skrydžių centre Greenbelte, Merilende, paaiškino, „Surikiuoti pagrindinio veidrodžio segmentus taip, kad jie būtų kaip vienas didelis veidrodis, reikia kiekvieną jų surikiuoti 1/10 000-osios žmogaus plauko storio tikslumu. Dar labiau stulbina tai, kad inžinieriams ir mokslininkams, dirbantiems su Webbo teleskopu, tikrąja to žodžio prasme reikėjo išrasti būdą tai atlikti.“

Pažiūrėkite, kaip tvirtinami valdikliai prie teleskopo veidrodžių nugarėlių šiame „Behind the Webb“ vaizdo siužete:

Kitas iššūkis yra išlaikyti Webbo veidrodžius šaltus. Norėdami išvysti pirmąsias žvaigždes ir galaktikas ankstyvojoje visatoje, astronomai turi stebėti jų skleidžiamą infraraudonąjį spinduliavimą, ir naudoti šiam spinduliavimui optimizuotus teleskopus ir įrankius. Kadangi šilti objektai skleidžia infraraudonąjį spinduliavimą, ji Webbo veidrodis būtų tokios pat temperatūros, kaip Hubble kosminio teleskopo, tolimų galaktikų silpnas infraraudonasis spinduliavimas pasimestų paties veidrodžio skleidžiamoje šiluminėje spinduliuotėje. Tad, Webb turi būti labai šaltas („kriogeniškas“), ir jo veidrodžių temperatūra turi būti apie -220 ⁰C. Visas veidrodis turi atlaikyti labai žemas temperatūras ir tuo pačiu išlaikyti savo formą.

Kad Webb liktų šaltas, jis bus pasiųstas toli į kosmosą, toli nuo Žemės. Skydai uždengs veidrodžius ir instrumentus nuo Saulės kaitros, ir laikys juos atskirtus nuo šilto erdvėlaivio korpuso.

Kaip NASA sugalvojo šias idėjas?

NASA ėmėsi naujų teleskopų veidrodžių kūrimo būdų. Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD) programa buvo ketverių metų partnerystė tarp NASA, Nacionalinio žvalgybos biuro ir JAV Oro pajėgų, tiriant lengvų veidrodžių kūrimo būdus. Remiantis ASMD tyrimais, buvo sukurti ir visapusiškai patikrinti du bandomieji veidrodžiai. Vieną iš berilio pagamino Ball Aerospace; kitą iš specialaus stiklo pagamino Kodak (dabar ITT).

Šių veidrodžių bandymui buvo surinkta ekspertų komanda, turėjusi nuspręsti, ar gerai jie veikia, kiek kainuoja ir kaip paprasta (ar sunku) būtų pagaminti viso dydžio, 6,5 metrų veidrodį. Ekspertai Jameso Webbo kosminio teleskopo veidrodžio gamybai rekomendavo rinktis berilį dėl kelių priežasčių, iš kurių viena – berilio gebėjimas išlaikyti formą kriogeninėse temperatūrose. Remdamiesi ekspertų komandos rekomendacijomis, Northrop Grumman (kompanija, daugiausiai prisidedanti prie Webbo kūrimo), pasirinko berilio veidrodžius, ir projekto vadovybė NASA Goddardo Kosminių skrydžių centras šį sprendimą patvirtino.

Kodėl berilis?

Berilis (atominis simbolis Be) – lengvas metalas turintis daug savybių, dėl kurių jis labai tinkama pagrindinio Webb veidrodžio gamybai. Konkrečiai, jo stiprumo ir svorio santykis labai geras ir išlaiko formą plačiame temperatūrų diapazone. Berilis – geras šilumos ir elektros laidininkas, ir neįsimagnetina.

Kadangi berilis lengvas ir stiprus, jis dažnai naudojamas viršgarsinių lėktuvų ir kosminių laivų dalis. Jis taip pat naudojamas ir žemiškesniais tikslais, pavyzdžiui, spyruoklėse ir įrankiuose. Dirbant su beriliu, reikia saugotis, nes įkvėptos ar nurytos berilio dulkės nuodingos.

Kaip ir kur pagaminti beriliniai veidrodžiai

Gaminami Jameso Webbo kosminio teleskopo 18 specialių lengvų berilio veidrodžiai 14 kartų apsilanko 11-oje vietų, išsibarsčiusių po JAV. Jie gimsta Jutos berilio kasyklose ir tada keliauja po šalį, kur apdirbami ir poliruojami. Iš viso veidrodžiai sustoja aštuoniose valstijose, kai kuriose – ne po vieną kartą, prieš kelionę į Pietų Ameriką kur bus paleisti ir pradės galutinę kelionę į kosmosą.

SSG/Tinsley pradėjo nugremždama kiekvieno veidrodžio paviršių iki beveik galutinės jo formos. Po to veidrodžiai atsargiai nušlifuoti ir nupoliruoti. Šlifavimo ir poliravimo procesas kartojamas tol, kol kiekvienas veidrodžio segmentas būna beveik tobulas. Tada segmentai keliauja į NASA'os Marshallo kosminių skrydžių centrą Huntsville'yje (MSFC), Alabamoje, krigeniniams bandymams.

Kadangi daugelis medžiagų keičiantis temperatūrai, keičia formą, bandytojų komanda iš Ball Aerospace darbavosi kartu su NASA'os inžinieriais iš Marshallo kosminių skrydžių centro ir Rengeno spindulių ir kriogeniniu įtaisu (X-ray and Cryogenic Facility – XRCF) atšaldė veidrodžio segmentus iki -240 ⁰C – tokią temperatūrą Webb teleskopas patirs kosmose.

Pagrindinio veidrodžio segmentų kriogeninius bandymus Ball Aerospace pradėjo Marshallo XRCF 2009 metais.

Veidrodžio segmentų formos pokyčius dėl kriogeninių temperatūrų lazeriniu interferometru išmatavo Ball Aerospace inžinieriai. Ši informacija kartu su veidrodžiais nukeliavo atgal į Tinsley, Kalifornijoje, galutiniam paviršiaus poliravimui.

Šiame trumpame vaizdo siužete rodomas veidrodžių poliravimo procesas. Galutinis veidrodžių poliravimas buvo baigtas 2011-ųjų metų birželį.

Daugiau sužinoti apie veidrodžio segmentų poliravimą galite šioje „Behind the Webb“ video tinklalaidėje:

Kai veidrodžio segmento galutinė forma pakoreguojama, atsižvelgiant į žemų temperatūrų poveikį ir poliravimas baigiamas, jis padengiamas plonu aukso sluoksniu. Auksas pagerina infraraudonosios šviesos atspindėjimą.

Veidrodžio segmentų formos pokyčius dėl kriogeninių temperatūrų lazeriniu interferometru išmatavo Ball Aerospace inžinieriai. Ši informacija kartu su veidrodžiais nukeliavo atgal į Tinsley, Kalifornijoje, galutiniam paviršiaus poliravimui.

Šiame trumpame vaizdo siužete rodomas veidrodžių poliravimo procesas. Galutinis veidrodžių poliravimas buvo baigtas 2011-ųjų metų birželį.

Daugiau sužinoti apie veidrodžio segmentų poliravimą galite šioje „Behind the Webb“ video tinklalaidėje:

Kai veidrodžio segmento galutinė forma pakoreguojama, atsižvelgiant į žemų temperatūrų poveikį ir poliravimas baigiamas, jis padengiamas plonu aukso sluoksniu. Auksas pagerina infraraudonosios šviesos atspindėjimą.

Kai veidrodžiai padengiami auksu, jie vėl keliauja atgal į MSFC galutiniam veidrodžio paviršiaus patikrinimui kriogeninėse temperatūrose. Veidrodžio segmentai baigti – jie keliaus į NASA'os Goddardo Kosminių skrydžių centrą Greenbelte, Merilende.

Antrinio veidrodžio, dabar jau baigto, gamyba panaši – čia jis po padengimo auksu Quantum Coating Incorporated kompanijoje.

Šiame vaizdo reportaže galite sekti veidrodžio kelionę nuo rupios rūdos iki tobulai atspindinčių, auksu padengtų segmentų:

ITT (anksčiau buvusi Kodak) sujungs 18 segmentų į vieną didelį veidrodį specialiame skyriuje NASA'os Goddardo Kosminių skrydžių centre. Į ten atkeliaus ne tik veidrodžio segmentai, bet ir veidrodžio atraminė struktūra, kurią pagamino ATK jų įmonėje Solt Leik Sityje, Jutoje. ITT sumontuos veidrodžio segmentus atitinkamose jų vietose laikančioje struktūroje. Jis laiko 12 segmentų vidurinėje veidrodžio dalyje ir turi du sparnus po 3 segmentus. Šie sparnai užsilenkia tam, kad visas veidrodis tilptų į raketą.

Kai visas veidrodis bus surinktas, jis taps pagrindine Jameso Webbo kosminio teleskopo dalimi. Kai teleskopas bus baigtas ir sumontuoti moksliniai instrumentai, visa observatorija bus dar kartą patikrinta, siekiant įsitikinti, kad Webb pasiruošęs ištverti kilimo į orbitą karštį, vibraciją ir sukrėtimus, bei kosmoso vakuumą ir šaltį.

Kai Webbo komanda įsitikins, kad kosminis teleskopas veikia puikiai ir visiškai pasiruošęs, veidrodis likusi observatorija leisis į dar vieną kelionę. Įsitaisęs ant raketos viršaus, Webb užtruks tris mėnesius, kol pasieks savo orbitą L2 erdvės taške maždaug už 1,5 milijono kilometrų nuo Žemės.

„Atsižvelgiant į santykinį veidrodžio dydį, formą ir dizaino ypatybes, James Webb Kosminis teleskopas šviesą rinks maždaug 9 kartus greičiau, nei Hubble Kosminis teleskopas,“ teigia Ericas Smithas, Webbo programos mokslininkas NASA būstinėje Vašingtone. Didesnis jautrumas leis mokslininkams pažvelgti į laikus, kai po Didžiojo Sprogimo ėmė formuotis galaktikos. Didesnis teleskopas bus pranašesnis visais astronomijos aspektais ir revoliucionizuos žvaigždžių ir planetų sistemų formavimąsi ir vystymąsi.