Главная Фотогалерея Рефераты Новости Видеогалерея Статьи  
 
 
Содержание
 
   

Космический телескоп Джеймс Уэбб

рисунок телескопа Джеймс Уэбб Космический телескоп под названием «Джеймс Уэбб» (сокращенно JWST) представляет собой орбитальную обсерваторию, работающую в инфракрасном спектре. Она позволит заменить зонд «Хаббл», который используется на текущий момент. Во время работы над проектом ему было присвоено название Next-generation space telescope. Но в 2002 году было принято решение присвоить ему имя Джеймса Уэбба, который был главой агентства НАСА в период с 1961 по 1968 год. Космическому телескопу удалось обзавестись составным зеркалом, диаметр которого 6,5 м. для сравнения, у зонда «Хаббла» зеркало с диаметром 2.4 м. Тепловой экран нового космического телескопа имеет размеры, сравнимые с теннисным кортом. Располагаться зонд будет в точке Лагранжа L2.

Для создания космического телескопа потребовалось сотрудничество 17-ти государств. Работы возглавили специалисты из НАСА, а существенный вклад также был сделан Европейским и Канадским космическим агентством. На сегодня цели космического телескопа уже определены на ближайшие несколько лет. Для его запуска будет использован носитель «Ариан-5», а выход на орбиту произойдет в осенью 2018 года. Первую информацию с новой исследовательской обсерватории планируется получить уже в апреле 2019 года.

Разработка и испытательный период

NASA начали работу над созданием нового зеркала для космических телескопов с создания Advanced Mirror System Demonstrator. Данный проект позволил обеспечить тесное сотрудничество между NASA и ВВС, а также разведкой Америки. Благодаря совместным усилиям удалось создать два зеркала, которые были использованы для тестирования возможностей современных технологий. Для одного из них был выбран бериллий в качестве основного материала, а его разработкой занималась компания Ball Aerospacе&Technologies. Другую тестовую модель создавали инженеры из Kodak. В его основу было положено специально созданное стекло.

Тестированием занимались специалисты, которые уделили одинаковое внимание особенностям обеих моделей. Они смогли определить, насколько хорошо изделия могут выполнять поставленные перед ними задачами, а также учли стоимость зеркал и степень сложности их монтажа для получения полноразмерного зеркала. В результате экспериментов специалисты пришли к мнению, что для целей проекта больше подходит бериллиевое зеркало. Среди основных причин было названо то, что этот материал может превосходно сохранять свою форму даже при криогенном температурном режиме. После ознакомления с отчетом о проведенной серии экспериментов, инженеры Northrop Grumman приняли решение работать с бериллиевым вариантом, а в центре космических полётов утвердили этот вариант.

Во время выбора оптимального варианта монтажа зеркала было принято решение отказаться от цельной структуры. Поэтому зеркало было разделено на ряд сегментов, которые будут раздвигаться после достижения заданной орбиты. Причиной такого выбора стало то, что возможности ракетоносителя «Ариан-5» не позволяют расположить такое большое зеркало. У каждого сегмента будет 6 граней, а их размеры будут равны 1,32 м. Всего же зеркало будет поделено на 18 элементов. Общий вес всех зеркал составил 20 кг, а зеркальная установка вместе с дополнительными элементами будет весить в 2 раза больше.

Выбор в сторону шестиугольной формы элементов был не случайным. Именно шестиугольник демонстрирует самый высокий показатель заполнения, а также отличается симметрией шестого порядка. Благодаря высокому коэффициенту заполнения удалось обеспечить соединение сегментов в единую конструкцию без щелей. Наличие симметрии является важным потому, что потребуется всего три различные настройки для всех 18-ти элементов, собранные в группы по 6 фрагментов. Также очень важно придать зеркалу форму, максимально напоминающую круг. В этом случае удается достичь максимальной компактности при фокусировке света на детекторе. Если зеркальная поверхность будет овальной, то с его помощью можно получить вытянутую картинку, а квадратное полотно отправит излишнее количество света из центра зеркала. Первоначально провести старт данного зонда было решено еще в 2007 году, но затем старт несколько раз переносился, пока его не установили на 2018 год.

Финансирование проекта

Летом 2011 года было объявлено, что суммарный бюджет космического телескопа был превышен в 4 раза первоначальную сумму расходов. Напомним, что экспертная оценка определила бюджет на создание космического телескопа в размере $1,6 млрд, который должен был быть запущен в космическое пространство в 2011 году. Но новые данные показывают, что цена проекта к концу работ может достигать $6,8 млрд. К тому же, запуск будет произведен не раньше следующего года.

Бюджет национального космического агентства, который был одобрен еще в 2011 году, предполагал завершение отчислений на постройку данного объекта по причине недостаточного качества управления проектом, а также существенного превышения его стоимости. Тем не менее, в том же 2011 году было проведено повторное рассмотрение бюджета, что позволило проекту продолжить строительство. В сентябре 2011 года появилась информация об окончательном решении конгресса о продлении работы над космическим телескопом. Только за 2013 год для создания JWST было потрачено $626,7 млн. По информации на период 2015-2016 годов, проект реализуется по установленному плану, а его цена остается в пределах установленного в 2011 году бюджета.

Изготовление оптической системы

Космический телескоп Джеймс Уэбб отличается высокой чувствительностью, которая зависит от площади зеркального элемента, собирающего свет от различных космических тел. Инженерами NASA было определено, что минимально допустимым диаметром основного зеркального элемента может быть 6,5 м. Только в этом случае с его помощью удастся определить свет от галактик, расположенных на максимальном удалении от Солнечной системы. У инженеров остался опыт от создания подобного зеркала, установленного на космическом телескопе «Хаббл». Тем не менее, применить его в данном случае было невозможно, ведь размер зеркального полотна в данном случае будет значительно больше, а масса зеркала при использовании старых технологий была бы неприемлемо большой. Поэтому экспертам пришлось приступить к поиску варианта, при котором у нового объекта будет большое зеркало, но его масса должна составить не больше 10% от зеркального полотна «Хаббла».

Поставленные цели при проектировании космического телескопа Джеймс Уэбб

Среди главных задач, которые стоят перед телескопом «Джеймс Уэбб», следует отметить необходимость обнаружения света от космических объектов, формирование которых происходило после Большого взрыва. Также ученым предстоит исследовать процесс создания галактик и звездных систем. Одним из основных направлений является изучение происхождения жизни во Вселенной. Космический телескоп должен обладать достаточной мощностью, чтобы поведать нам о начале процесса реионизации, а также о его истоках и причинах.

Оборудование, которое использовалось при создании космического телескопа, позволит найти холодные планеты, температура на поверхности которых не превышает 300 К. Это средний показатель температурного режима на нашей планете. Будут изучены планеты, которые находятся далее 12 а. е. от собственной звёзды. Особое внимание будет уделено планетам, которые удалены от Земли на 15 световых лет и меньше. Это значит, что телескопу предстоит провести наблюдение за двумя десятками планет, которые расположены возле ближайших к нашей системе звезд. Вывод этого космического телескопа приведет к долгожданному прорыву в плане изучения экзопланетологии. У ученых появится возможность искать новые экзопланеты, а также исследовать их спутники и определить спектры этих экзопланет. Подобные исследования останутся невозможными до 2020-х годов, когда будет приведён в эксплуатацию телескоп, диаметр зеркальной поверхности которого равен 39,3 м. Примерная продолжительность работы данного телескопа равна 5 и более лет.

Среди остальных целей миссии стоит выделить:

  • Нахождение света от звезд, которые являются самыми ранними объектами в галактике;
  • Необходимость изучить звёздные скопления ближайших галактик;
  • Исследования молодых звёзд нашей галактики и космических тел, входящих в пояс Койпера;
  • Изучение морфологических особенностей галактик в результате сильного красного смещения;
  • Получение карты тёмной материи в галактике благодаря гравитационному линзированию.

Производство космического телескопа Джеймс Уэбб

Чтобы создать зеркала данного космического телескопа, потребовалось использовать специальный вид бериллия. Он имеет форму мелкого порошка. Его необходимо разместить в контейнере из специальной стали, после чего можно приступать к прессовке, пока частички не примут плоскую форму. Когда контейнер удаляет, то заготовку из бериллия нужно разрезать на две части, чтобы получить два зеркальных сегмента ~1.3 метра в диаметре каждый.  Формовка сегментов начинается с удаления лишних элементов с заготовки, что позволит получить ребристую тыльную поверхность зеркала. Передняя сторона должна быть отшлифована таким образом, чтобы она соотносилась с определенным местом в будущем зеркальном полотне.

После этого каждый сегмент необходимо правильно сточить, чтобы получить формы, соответствующие расчетным значениям. В дальнейшем необходимо сгладить и отполировать зеркальную поверхность еще несколько раз. Процедуры циклично повторяют до момента, пока фрагмент не получит идеальные пропорции. В дальнейшем необходимо провести охлаждение сегментов до −240 °C. Благодаря лазерному интерферометру будут проведены замеры каждой панели. После получения окончательных результатов измерений, сегменты составного зеркала проходят финишную обработку.

Когда работы будут завершены, то на передний элемент необходимо установить тонкое покрытие из золота, что позволяет повысить качество отражения ИК-диапазона 0,6—29 мкм. Уже после покрытия слоем золота, фрагмент еще раз проходит проверку при низкотемпературном режиме.

Оборудование космического телескопа

Космический телескоп будет дополнен следующими научными инструментами, которые позволяют исследовать космическое пространство:

  • Камерой ближнего ИК-диапазона (Near-Infrared Camera);
  • Камерой для среднего диапазона ИК-лучей (Mid-Infrared Instrument);
  • Спектрографом для ближнего ИК-диапазона (Near-Infrared Spectrograph);
  • Датчиком, позволяющим точно навести оборудование для того, чтобы сформировать картинку в ближнем ИК-диапазоне (Fine Guidance Sensor);
  • Безщелевым спектрографом (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph).

Near-Infrared Camera представляет собой главный блок, который участвует в создании картинки, полученной от космического телескопа. Этот элемент включает в себя несколько детекторов, работающих благодаря ртутно-кадмиево-теллуровой технологии. Прибор работает в диапазоне 0,6-5 мкм. Разработкой данного компонента занимается Аризонский университет.

Near-Infrared Spectrograph позволит получить точную информацию о спектре космических тел, что станет основой для дальнейших исследований объектов. Эту информацию, к примеру, будут использовать при определении температуры и массы объектов, а также для рассмотрения химического состава. Модуль NIRSpec позволит получить спектроскопию при длине волн 1—5 мкм.

Устройство дополнено коронографом, благодаря которому можно запечатлеть изображения тел, проходящих на фоне более ярких объектов. Коронограф также потребуется для того, чтобы получить данные о экзопланетах, находящихся на небольшом расстоянии от Солнечной системы. Большинство тел, которые будут попадать в объектив телескопа, отличаются сверхмалым излучением, поэтому зонд будет собирать свечение от таких объектов на протяжении сотни часов и более. Для изучения множества галактик за пятилетний период эксплуатации, спектрограф был оснащен функцией слежения за сотней объектов на звездном небе единовременно. Чтобы обеспечить такую эффективность, специалистами из центра полетов была создана технология, позволяющая управлять потоком света, который доходит до спектрографа.

Основные особенности, которые дают возможность отслеживать сотню объектов одновременно, состоят в микроэлектромеханическом оборудование, которое получило название массив микрозатворов. Эти ячейки дополнены специальными крышками, которые меняют положение под воздействием магнитного поля. Управлять мельчайшими ячейками можно в индивидуальном порядке. При этом открывается или блокируется определенная часть спектра.

Благодаря возможности столь тонкой регулировки устройство может проводить спектроскопию стольких объектов в одно и то же время. Объекты, которые будут исследованы с помощью NIRSpec, распложены на большом удалении, поэтому устройство должно подавить излучение от космических тел, расположенных ближе к нему. Функция микрозатворов похожа на то, как человек следит искоса для дополнительного сосредоточения на объекте. При этом происходит блокировка излишнего света. Данный инструмент уже создан и находится на завершающих этапах испытаний в европейских научных заведениях.

Mid-Infrared Instrument включает в себя датчик и камеру, которая обладает разрешением 1024×1024р. также он дополнен спектрографом.

MIRI включает в себя сразу три массива мышьяко-кремниевых датчиков. Чувствительность данных элементов гарантирует возможность пронаблюдать за красным смещением удаленных галактик, а также рассмотреть процесс создания новых звезд. Устройство будет применяться для того, чтобы рассмотреть более детально пояс Койпера. Камерный блок позволит заснять объекты в широком диапазоне при большом поле зрения. Благодаря спектрографу можно провести спектроскопию при более маленьком поле зрения, что необходимо для изучения различных физических параметров, принадлежащих удаленным космическим телам.

Показатель номинальной рабочей температуры для этого элемента равен 7 К. такой температуры невозможно достичь при использовании пассивного охлаждения. Поэтому исследователи решили проводить мероприятия по охлаждению в два подхода. Сначала нужно установить систему для предварительного охлаждения, в основе которой будет лежать пульсационная трубка. С ее помощью можно будет снизить температурный режим до 18 К. После этого за дело возьмется установка адиабатического дросселирования, которая и позволит достичь необходимых рабочих показателей. Инструмент создается группой MIRI Consortium, которая представлена учеными и исследователями из европейских стран, а также несколькими специалистами из США.

Датчик точного наведения (FGS) с бесщелевым спектрографом (NIRISS) планируется установить совместно, хотя они являются различными компонентами. Разработкой инструментов занимается космическое агентство Канады. Инженеры уже успели дать кодовое название своему оборудованию, которое они шутя называют «канадскими глазами». Техника уже была интегрирована в структуру ISIM.

Датчик точного наведения

FGS обеспечит возможность для космического телескопа заниматься точным наведением. Это необходимо для того, чтобы снимки получались максимально отчетливыми. Использование камеры обеспечит формирование изображений, а также позволяет получить информацию из двух участков космоса размером 2,4×2,4 угловых минут. Также инструмент позволит получать данные от небольших скоплений пикселов, что позволит найти опорную звезду в любом участке звездного неба, даже в высоких широтах. Благодаря FGS-камере можно:

  • Получить снимки, позволяющие определить положения зонда;
  • Получить отобранные опорные звёзды;
  • Измерить центроид опорных звёзд, обеспечивая скорость обновления данных на уровне 16 раз в секунду.

Когда космический зонд будет выведен на орбиту, то FGS обеспечит данные относительно отклонений во время развертывания составного зеркального полотна.

NIRISS будет работать в ИК-диапазоне 0,8—5,0 мкм. Данное устройство представляет собой специализированный инструмент, используемый в трех главных режимах, у каждого из них есть собственный отдельный диапазон. NIRISS позволит:

  • Обнаружить «первый свет»;
  • Обнаружить экзопланеты;
  • Получить сведения о них;
  • Провести транзитную спектроскопию.

   
Поиск
Rambler's Top100