Telescopul spațial James Webb (JWST) este un telescop spațial dezvoltat de NASA, Agenția Spațială Europeană (ESA) și Agenția Spațială din Canada (CSA). Este destinat să succcedă telescopului spațial Hubble ca misiune emblematică a NASA în astrofizică. JWST a fost lansat la 25 decembrie 2021 pe o rachetă Ariane 5 VA256. Este conceput să ofere o rezoluție și o sensibilitate îmbunătățite în infraroșu față de Hubble și va permite o gamă largă de investigații în domeniile astronomiei și cosmologiei, inclusiv observații ale unora dintre cele mai îndepărtate evenimente și obiecte din Univers, cum ar fi formarea primelor galaxii. Permite caracterizarea atmosferică detaliată a exoplanetelor potențial locuibile .
Oglinda principală a JWST este formată din 18 segmente hexagonale de oglinzi din beriliu placate cu aur, care atunci când sunt combinate, creează o oglindă cu un diametru de 6,5 metri, considerabil mai mare decât oglinda principală de pe Hubble care are 2,4 metri. Spre deosebire de telescopul Hubble, care observă în spectrul ultraviolet apropiat, vizibil și infraroșu apropiat (0,1–1,0 μm), JWST va observa într-un interval de frecvență mai scăzut, de la lumina vizibilă cu lungime de undă lungă (roșu) până la infraroșu mediu (0,6–28,3 μm). Acest lucru îi va permite să observe obiecte cu deplasare spre roșu mare, care sunt prea vechi și prea îndepărtate pentru ca Hubble să le poată observa. Telescopul trebuie ținut foarte rece pentru a observa în infraroșu fără interferențe, așa că va fi desfășurat în spațiu lângă punctul Lagrange L2 Soare-Pământ, la aproximativ 1,5 milioane de kilometri de Pământ. Un parasolar mare construit din cinci straturi de material spațial învelit în aluminiu numit kapton va păstra oglinda și instrumentele la o temperatură de sub 50 K (-223 °C).
Telescopul este numit după James E. Webb, care a fost administratorul NASA din 1961 până în 1968 și a jucat un rol esențial în programul Apollo.
Dezvoltarea a început în 1996 pentru o lansare care a fost inițial planificată pentru 2007, cu un buget de 500 milioane USD. Au existat numeroase întârzieri și depășiri de costuri, inclusiv o reproiectare majoră în 2005, un parasolar rupt în timpul implementării unei practici, o recomandare a unui comitet de evaluare independent, pandemia de COVID-19, probleme cu racheta Ariane 5 și cu telescopul în sine, și problemele de comunicare între telescop și vehiculul de lansare.
Construcția a fost finalizată la sfârșitul anului 2016, moment în care a început o fază amplă de testare. JWST a fost lansat la 25 decembrie 2021 12:20 UTC de un vehicul de lansare Ariane 5 de la Kourou, Guiana Franceză, pe coasta de nord-est a Americii de Sud, și a fost eliberat din etapa superioară 27 de minute mai târziu. La 24 ianuarie 2022, parasolarul, oglinzile și alte componente erau complet desfășurate în configurația lor operațională, nava spațială a intrat pe orbită la destinație și toate instrumentele au fost pornite cu succes. La 3 februarie 2022, NASA a postat pe Twitter că telescopul a detectat primii foton, iar la 11 februarie 2022, NASA a anunțat că aproape a finalizat faza 1 de aliniere, fiecare segment al oglinzii sale primare a localizat, fotografiat și aproximativ centrat steaua țintă HD 84406. Faza 1 a procesului de aliniere în 7 faze a fost finalizată la 18 februarie 2022. Fazele 2 și 3 au fost finalizate o săptămână mai târziu, ceea ce înseamnă că cele 18 segmente primare funcționează acum la unison, dar încă acționează ca 18 telescoape mai mici, mai degrabă decât ca unul singur mare. Mai sunt necesare câteva săptămâni pentru ca telescopul să se răcească la temperatura de funcționare. Alinierea și focalizarea oglinzii și testarea și calibrarea finală vor dura aproximativ cinci luni,Mission and Launch Quick Facts - "After reaching its orbit, Webb undergoes science and calibration testing. Then, regular science operations and images will begin to arrive, approximately six months after launch. However, it is normal to also take a series of "first light" images that may arrive slightly earlier."NASA JWST Blog: observations expected to be available by summer 2022 ("Rest assured that this summer will sizzle with the hot (nay cold?) observations we will soon be sharing!") înainte să înceapă activitatea de cercetare. La 16 martie 2022 s-a anunțat că telescopul a fost „focalizat complet”.
Caracteristici Telescopul spațial James Webb are o masă de aproximativ jumătate din cea a telescopului spațial Hubble, oglinda sa principală din beriliu acoperită cu aur are un diametrul de 6,5 metri (spre deosebire de cea de pe Hubble care are 2,4 metri) și cu suprafața de colectare a luminii de șase ori mai mare decât a telescopului Hubble. Beriliul este un metal foarte rigid, dur și ușor, folosit adesea în industria aerospațială, care este nemagnetic și își păstrează forma cu precizie într-un mediu ultra-rece. Învelișul de aur oferă reflectivitate în infraroșu și durabilitate.
JWST este conceput în primul rând pentru astronomia în infraroșu apropiat, dar poate vedea și lumina vizibilă portocalie și roșie, precum și regiunea infraroșu mediu, în funcție de instrument. Poate detecta obiecte de până la 100 de ori mai slabe decât o poate face Hubble și obiecte care s-au format mult mai devreme în istoria universului, la o deplasare spre roșu z≈20 (aproximativ 180 de milioane de ani timp cosmic (după Big Bang)). Pentru comparație, se crede că cele mai vechi stele s-au format între z≈30 și z≈20 (100-180 milioane de ani timp cosmic). Este posibil ca primele galaxii să se fi format în jurul deplasării spre roșu z≈15 (aproximativ 270 de milioane de ani de timp cosmic), iar Hubble nu poate vedea mai departe de z≈12 (aproximativ 370 de milioane de ani de timp cosmic). JWST este special conceput să vadă începuturile Universului, „nașterea” primelor stele și formarea primelor galaxii.
Telescoapele de la sol trebuie să privească prin atmosfera Pământului, care este opacă în multe benzi de infraroșu. Chiar și acolo unde atmosfera este transparentă, mulți dintre compușii chimici țintă, cum ar fi apa, dioxidul de carbon și metanul, există și în atmosfera Pământului, complicând considerabil analiza. Telescoapele spațiale existente, cum ar fi Hubble, nu pot studia aceste benzi, deoarece oglinzile lor sunt insuficient de reci (oglinda Hubble este menținută la aproximativ 15 °C (288 K), astfel telescopul în sine radiază puternic în benzile infraroșii.
Scutul pentru protecție solară
Pentru a face observații în spectrul infraroșu, JWST trebuie menținut sub 50 K (−223,2 °C); altfel, radiația infraroșie de la telescop însuși ar copleși instrumentele acestuia. Prin urmare, folosește un parasolar mare pentru a bloca lumina și căldura de la Soare, Pământ și Lună, iar poziția sa lângă Soare-Pământ L2 menține toate cele trei corpuri pe aceeași parte a navei spațiale în orice moment. Orbita halou în jurul punctului L2 evită umbra Pământului și a Lunii, menține un mediu constant pentru parasolar și panouri solare. Ecranul menține o temperatură stabilă pentru structurile de pe partea întunecată, ceea ce este esențial pentru menținerea alinierii precise a segmentelor oglinzii primare în spațiu.
Parasolarul este alcătuit din cinci straturi de polimer metalizate, distanțate, care reflectă căldura înapoi în spațiu. Materialul folosit este extrem de subțire: 0,05 mm pentru stratul orientat spre Soare și 0,025 mm pentru celelalte. Trecând de la stratul exterior la stratul interior, fiecare strat este mai rece decât cel anterior. Rupturile accidentale ale structurii delicate a parasolarului în timpul testării în 2018 au fost printre factorii care au întârziat proiectul.
Parasolarul este proiectat pentru a fi pliat de douăsprezece ori, astfel încât să se potrivească în carenarea încărcăturii utile a rachetei Ariane 5, care are 4,57 m în diametru și 16,19 m lungime. Odată desfășurat în punctul L2, acesta va avea 14,162 m × 21,197 m.
Sistemul optic
Oglinda principală a JWST este un reflector din beriliu acoperit cu aur cu diametrul de 6,5 m cu o zonă de colectare de 25,4 m 2. Aceste dimensiuni sunt prea mari pentru vehiculele de lansare existente, așa că oglinda este compusă din 18 segmente hexagonale care se vor desfășura după lansarea telescopului. Detectarea frontului de undă plat al imaginii prin recuperarea de fază va fi utilizată pentru a poziționa segmentele oglinzii în locația corectă folosind micromotoare foarte precise. După această configurație inițială, vor avea nevoie doar de actualizări ocazionale la fiecare câteva zile pentru a păstra focalizarea optimă, spre deosebire de telescoapele de la sol, precum Observatorul W. M. Keck, care își ajustează continuu segmentele de oglindă folosind optica activă pentru a depăși efectele gravitaționale și ale vântului. Telescopul Webb va folosi 126 de motoare mici pentru a regla ocazional optica, deoarece există puține perturbări de mediu ale unui telescop în spațiu.
Designul optic al JWST este un sistem anastigmatic cu trei oglinzi, care folosește oglinzi secundare și terțiare curbate pentru a furniza imagini care sunt lipsite de aberații optice pe un câmp larg. Oglinda secundară are un diametru de 0,74 m. În plus, există o oglindă de direcție fină care își poate regla poziția de mai multe ori pe secundă pentru a asigura stabilizarea imaginii. Rolul oglinzii secundare este să concentreze lumina colectată de oglinda principală într-o deschidere din centrul acestei oglinzi. Prin această deschidere, lumina ajunge la o a treia oglindă, care o reflectă către instrumentele telescopului.
Ball Aerospace & Technologies este principalul subcontractant optic pentru proiectul JWST, condus de contractorul principal Northrop Grumman Aerospace Systems, în baza unui contract de la NASA Goddard Space Flight Center, din Greenbelt, Maryland. Optsprezece segmente de oglindă primară, oglinzi de direcție secundare, terțiare și fine, plus piese de schimb de zbor au fost fabricate și lustruite de Ball Aerospace & Technologies pe baza segmentelor semifabricate de beriliu produse de mai multe companii, inclusiv Axsys, Brush Wellman și Tinsley Laboratories.
Instrumente științifice Telescopul spațial James Webb este echipat cu patru instrumente științifice, toate montate într-un suport special, numit Integrate Science Instrument Module (ISIM).
NIRCam (Near InfraRed Camera; Camera pentru infraroșu apropiat) este un aparat de imagine în infraroșu care va avea o acoperire spectrală variind de la marginea vizibilului (0,6 micrometri) până la infraroșu apropiat (5 micrometri). Există 10 senzori fiecare de 4 megapixeli. NIRCam va servi și ca senzor de front de undă, el va măsura orice imperfecțiune în alinierea segmentelor oglinzilor care îi împiedică să acționeze ca o singură oglindă. Folosind acest instrument, inginerii de pe Pământ vor putea regla segmentele oglinzilor prin mișcări ale celor șapte actuatoare ale fiecărui segment (motoare mecanice mici). NIRCam a fost construit de o echipă condusă de Universitatea din Arizona. Partenerul industrial este Centrul de tehnologie avansată al Lockheed-Martin, situat în Palo Alto, California. NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph; Spectrograf cu infraroșu apropiat) va efectua spectroscopie pe același interval de lungimi de undă. A fost construit de Agenția Spațială Europeană la ESTEC în Noordwijk, Țările de Jos. Echipa principală de dezvoltare include membri de la Airbus Defence and Space, Ottobrunn și Friedrichshafen, Germania, și Goddard Space Flight Center. NIRSpec este capabil să măsoare simultan spectrul infraroșu apropiat de până la 100 de obiecte precum stele sau galaxii cu rezoluții spectrale joase, medii și înalte. Are, de asemenea, un set de fante și o deschidere pentru spectroscopie cu contrast ridicat a surselor individuale, precum și o unitate de câmp integral (IFU) pentru spectroscopie 3D.