TEMA BROJA
Dr Vladica Božić
Nova osmatranja svemira / Teleskop „Džejms Veb”
Tamo gde se rađaju zvezde
Ideja o konstrukciji najnovijeg i do sada najvećeg, najmoćnijeg i najsloženijeg svemirskog teleskopa “Džejms Veb” (James Webb Space Telescope - JWST) pojavila se krajem 1980-ih godina, radi postavljanja opservatorije u svemiru koja bi proučavala srednje infracrveno zračenje. Time bi se nadopunio rad prethodno napravljenog svemirskog teleskopa “Habl” (Hubble), koji posmatra ultraljubičasti, vidljivi i blisko infracrveni spektar. Teleskop je dobio ime po Džejmsu Vebu (James E. Webb, 1906-1992) koji je bio administrator Američke svemirske agencije (NASA) od 1961. do 1968. godine, i imao ključnu ulogu u svemirskim programima „Mercury”, „Gemini” i „Apollo”.
Umetničko viđenje odvajanja teleskopa „Džejms Veb“ od rakete „Ariana 5“, posle lansiranja u svemir |
Razvoj teleskopa je počela Američka svemirska agencija (National Aeronautics and Space Administration - NASA) zajedno sa Evropskom svemirskom agencijom (European Space Agency - ESA) i Kanadskom svemirskom agencijom (Canadian Space Agency - CSA) još 1996. godine, ali je projekat imao brojna kašnjenja i prekoračenja troškova, te je prošao kroz veliko reprojektovanje tokom 2005. godine. Do 2011. su bila proizvedena ogledala za optiku, uključujući 18 segmenata primarnog ogledala, a 2013. godine započela je izrada toplotnog štita. Krajem novembra 2015. godine započeta je montaža segmenata primarnog ogledala, a završena je početkom februara 2016. Sekundarno ogledalo je instalirano 3. marta 2016. godine, a konstrukcija teleskopa je kompletirana u novembru 2016. godine, nakon čega je započela faza intenzivnog testiranja.
Izgled sklopa primarnog ogledala sa prednje strane sa svim pričvršćenim segmentima, novembar 2016. |
Marta 2018. NASA je odložila lansiranje za 2 godine pošto se štitnik teleskopa od Sunca poderao tokom proba razvijanja. U avgustu 2019. završena je mehanička integracija svih elemenata teleskopa, nešto što je trebalo da se uradi 12 godina ranije, 2007. godine. Tokom 2020. i početkom 2021. godine, teleskop je prošao sve vrste testova pre nego što je sklopljen i zapakovan za transport u Francusku Gvajanu, odakle je lansiran 25. decembra 2021. godine raketom „Ariane 5” iz Svemirskog centra Gvajana, kraj grada Kourou. U odnosu na svemirski teleskop “Habl”, “Džejms Veb” ima poboljšane rezoluciju i osetljivost, što omogućuje širi spektar istraživanja u raznim oblastima astronomije i kosmologije.
Istovremeno osmatranje desetina nebeskih tela
Anastigmatski reflektorski teleskop “Džejms Veb” ima tri ogledala i 18 šestougaonih segmenata izrađenih od pozlaćenog berilijuma koji, kada se kombinuju, stvaraju eliptično ogledalo prečnika 6,5 m što je znatno veće od “Hablovog” ogledala (2,4 m). Nasuprot njemu postavljeno je zakrivljeno sekundarno hiperbolično (prečnika 0,74 m) i tercijarno eliptično ogledalo koji poništavaju optičke aberacije u širokom polju posmatranja. Masa pri lansirnju od 6.500 kg je skoro duplo manje od teleskopa “Habl”, ali je površina kojom sakuplja svetlost oko pet puta veća (25 m² prema 4,5 m²).
Teleskop je opremljen sa četiri glavna naučna instrumenta koji zajedno omogućavaju širok spektar astronomskih posmatranja u blisko i srednje infracrvenom delu spektra, ali može da posmatra i narandžastu i crvenu vidljivu svetlost. Kamera za posmatranja u blisko infracrvenom području (Near Infrared Camera- NIRCam) je glavna kamera koja snima slike visoke rezolucije na talasnim dužinama od 0,6 do 5 μm. Zbog osobine infracrvenog zračenja da mnogo lakše prolazi kroz gas i prašinu od vidljive svetlosti, NIRCam istražuje astronomske objekte i pojave od onih bliskih unutar Sunčevog sistema do onih koji zbog svoje udaljenosti i starosti imaju visok crveni pomak, kao što su prve zvezde i galaksije nastale na početku nastajanja svemira nedugo posle Velikog praska. NIRCam je opremljen sa koronagrafima, koji omogućavaju blokiranje svetlosti iz zvezda kako bi se mogli videti slabiji objekti u njihovoj blizini, poput egzoplaneta i protoplanetarnih diskova.
Spektrograf za analizu u blisko infracrvenom području od 0,6 do 5,0 μm (Near Infrared Spectrograph - NIRSpec) omogućuje spektroskopiju niske, srednje i visoke rezolucije, od kojih svaka kombinuje upotrebu različitih filtera i detektora tako da može uporedo da analizira svetlost sa više od 100 objekata. Zahvaljujući tome on istovremeno određuje hemijski sastav, gustinu, rastojanje, temperaturu, brzinu i druga svojstva desetina različitih svemirskih tela (zvezda ili galaksija).
Šta se sve može posmatrati
Infracrveni instrument za posmatranje u srednjem infracrvenom području (Mid-Infrared Instrument - MIRI) kombinuje kameru i spektrograf, omogućavajući slike visoke rezolucije i spektralne analize u srednjem infracrvenom području od 5 do 28,3 μm. Ovaj instrument je ključan za proučavanje hladnijih objekata kao što su udaljene galaksije, novonastale zvezde, komete i protoplanetarni diskovi. Pored toga može da proučava i svemirsku prašinu da bi se utvrdilo kako ona doprinosi formiranju, evoluciji i raznolikosti zvezda i planetarnih sistema. Takođe, može da analizira sastav i strukturu međuzvezdanog medijuma, hladnih molekularnih oblaka koji kolabiraju i formiraju zvezde, kao i gasa i prašine izbačeni iz umirućih zvezda.
Četvrti instrument je senzor za precizno navođenje (Fine Guidance Sensor - FGS) i snimač slika u bliskoinfracrvenom području i spektrograf bez proreza (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph - NIRISS) koji su ugrađeni zajedno. FGS je u osnovi osetljiva kamera koja snima slike za navigaciju i prenosi ih sistemima za kontrolu položaja da bi se postiglo precizno navođenje teleskopa na mete, dok NIRISS služi za različite vrste posmatranja, uključujući snimanje na talasnim dužinama od 0,8 do 5 μm i spektroskopiju sa visokim kontrastom koja omogućava detekciju egzoplaneta nasuprot svetlosti zvezda i proučavanje njihovih atmosfera.
Umetnički prikaz teleskopa „Džejms Veb“ na putu ka svom odredištu |
Ova kombinacija instrumenata omogućava teleskopu “Džejms Veb” da posmatra širok spektar objekata i pojava u svemiru sa dosad neviđenom preciznošću i detaljima, pružajući nova saznanja o razvoju svemira, formiranju zvezda i planeta i uslovima koji bi mogli podržati život. Teleskop može da posmatra prve zvezde i galaksije koje su se formirale posle Velikog praska, istražuje formiranja zvezda i planetarnih sistema, uključujući proučavanje protoplanetarnih diskova. Takođe može da posmatra egzoplanete i svojstva njihovih atmosfera, što bi moglo pomoći u potrazi za potencijalno naseljivim planetama kao i analizira evolucije galaksija tokom vremena. “Veb” takođe može da posmatra objekte u Sunčevom sistemu pod uglom većim od 85° u odnosu na Sunce što obuhvata Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun, Pluton i njihove satelite, kao i komete, asteroide i praktično sve poznate objekte Kuiperovog pojasa. Pored toga, može da posmatra i neplanirane mete u roku od 48 sati od odluke da to uradi, kao što su supernove i eksplozije gama zraka.
Halo-orbita svemirskog teleskopa „Džejms Veb“ oko Lagranžeove tačke L2 |
Mesto teleskopa, nemoguća popravka
Odmah posle lansiranja u svemir razvijeni su solarni paneli i komunikaciona antena, preko koje su počeli da se šalju podaci u NASA-in Godardov centar za svemirske letove koji kontroliše svemirsku letelicu. Posle toga su segmenti primarnog ogledala počeli da se raspoređuju tako da ono dobije svoj konačni sferni oblik. Zatim su postavljeni prednji i zadnji toplotni štit od Sučevog zračenja i raspoređeno sekundarno i tercijarno ogledalo. Posle mesec dana teleskop je uspešno stigao do svog odredišta u halo-orbiti u blizini Lagranžeove tačke L2 sistema Sunce-Zemlja, na mestu gde se Zemljina i Sunčeva gravitacija „poništavaju”. Teleskop će povremeno morati da troši raketno gorivo da bi ostao u orbiti oko tačke L2; na kraju, kada ne bude bilo više goriva, lagano će se udaljiti odatle. Inače, Lagranžeove tačke su oblasti u sistemu dva svemirska tela velike mase u kojima treće telo male mase može biti u stanju relativne ravnoteže u odnosu na ova dva tela, i tako stojati nepokretno u dužem vremenskom periodu. Tačka L2 se nalazi oko 1,5 miliona km od Zemlje i u njoj bi teleskop sa raspoloživom gorivom trebalo da ostane sledećih 20 godina. Ta udaljenost čini popravku ili nadogradnju opreme na teleskopu praktično nemogućim.
Pogled na Rakovu maglinu pomoću uređaja NIRcam i MIRI |
U prvih mesec dana su se i naučni instrumenti ohladili do temperature od 120K (-153 °C) čime su stvoreni uslovi da se njima može bezbedno upravljati. Posle toga je počeo višemesečni proces pripreme za naučne operacije, koji je počeo pozicioniranjem 18 segmenata primarnog ogledala kako bi formirali unformnu površinu. Početkom februara 2022. godine teleskop je uspešno uhvatio svetlost zvezde HD 84406 kroz svaki segment primarnog ogledala, čime je u suštini stvorena slika od 18 nasumičnih, zamućenih tačaka svetlosti. Posle toga je vršeno poravnanje svakog od segmenata, što se odvijalo u sedam faza. Poslednja faza usklađivanja poznata kao „fino faziranje”, u kojoj je, da bi se otklonile preostale greške pozicioniranja, svaki od 18 segmenata poravnat u okviru dela talasne dužine bliske infracrvenoj svetlosti (1 nanometar), završena je 11. marta 2022. U isto vreme su sva četiri instrumenta usklađivani sa ogledalima, što je završeno krajem aprila. Od tada su poravnata ogledala počela da usmeravaju potpuno fokusiranu svetlost koja se emituje iz svemira na svaki instrument, a svaki instrument je počeo da savršeno koristi ovo svetlo za snimanje oštrih, dobro fokusiranih slika. Zahvaljujući tome, početkom maja, počela je završna faza priprema naučnih instrumenata za rad kalibracija za snimanje ultravisoke rezolucije koja je trajala oko dva meseca. Posle ove faze koja je završena 12. jula 2022. Godine, sva četiri instrumenta su počela da snimaju oštre, fokusirane slike u punoj rezoluciji, pri čemu su optičke performanse teleskopa bile bolje od najoptimističnijih predviđanja inženjerskog tima. Od tada je teleskop bio potpuno operativan, pa je uspešno realizovao prvi ciklus naučnih posmatranja u različitim oblastima, uključujući proučavanje ranog svemira, atmosfera egzoplaneta i formiranja Zvezda. Zahvaljujući tim istraživanjima, dobijeni su revolucionarni podaci o svemiru, pa naučnici u narednom ciklusu posmatranja planiraju još ambicioznije studije.
Maglina Prsten snimljena pomoću uređaja MIRI |
Glavna dostignuća
Uprkos relativno kratkom vremenu od lansiranja, teleskop “Džejms Veb” je već postigao niz značajnih naučnih dostignuća, kao što je otkriće galaksija koje su se formirale samo nekoliko stotina miliona godina nakon Velikog praska. To su neki od najstarijih objekata u svemiru koje su ikada detektovane, što pomaže naučnicima da prouče kako su prve strukture u svemiru nastale i kako su se razvijale. Takođe, teleskop je omogućio detaljna proučavanja egzoplaneta van našeg Sunčevog sistema, analizirajući njihovu atmosferu s neverovatnom preciznošću, i otkrio prisustvo vode i drugih molekula u atmosferama tih udaljenih planeta. Time je omogućio direktno posmatranje egzoplaneta pružajući ključne podatke za razumevanje njihove habitabilnosti.
Slika ledenog giganta Sunčevog sistema, planete Urana i njenih prstenova snimljena pomoću kamere NIRcam |
Teleskop je napravio detaljne mape zvezdanih rasadnika, odnosno oblasti gde se rađaju nove zvezde. Ove slike, napravljene u infracrvenom spektru, omogućile su naučnicima da prouče proces formiranja zvezda i planetarnih sistema na način koji nikada ranije nije bio moguć. Sa njim su otkrivene i proučene crne rupe u udaljenim galaksijama, uključujući supermasivne crne rupe u centrima galaksija, što je omogućilo bolje razumevanje njihove uloge u evoluciji galaksija. Takođe, teleskop je omogućio naučnicima da saznaju više o krajnjim fazama života zvezda kroz proučavanje planetarnih maglina. Njegova sposobnost da posmatra u infracrvenom spektru omogućila je detaljan uvid u strukturu i kompoziciju ovih objekata. Teleskop “Veb” je otkrio i složene organske molekule u udaljenim galaksijama, što je važno za razumevanje hemije svemira i potencijalnih prebiotičkih procesa koji bi mogli biti povezani sa nastankom života.
Ova otkrića samo su početak onoga što će teleskop “Veb” moći da pruži nauci u narednim decenijama. Njegove sposobnosti već su pružile nove informacije koje su preoblikovale naše razumevanje svemira. “Veb” je naslednik svemirskog teleskopa “Habl”; mada su oba teleskopa ključna za astrofizička istraživanja, “Veb” nudi daleko veće mogućnosti za otkrivanje novih aspekata svemira.
Do avgusta 2024. svemirski teleskop “Džejms Veb” je uspešno radio i prikupio obimne podatke o raznim pojavama uključujući rani svemir, atmosferu egzoplaneta i formiranje zvezda. Teleskop trenutno ulazi u drugi ciklus naučnih posmatranja, a istraživači planiraju još ambicioznije studije na osnovu početnih rezultata. Teleskop “Veb” ostaje u potpunosti operativan i očekuje se da će nastaviti svoju misiju dugi niz godina, omogućavajući nova okrića u svemiru.
Dr Vladica Božić
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
