ทุก ๆ เซ็นติเมตรของรูรับแสง ทุกวินาทีพิเศษของการสังเกต และความยุ่งเหยิงของชั้นบรรยากาศทุกอะตอมที่ถูกลบออกจากมุมมองของกล้องโทรทรรศน์ สามารถมองเห็นจักรวาลได้ดีขึ้น ลึกขึ้น และชัดเจนขึ้น
25 ปีของฮับเบิล
เมื่อกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลเริ่มดำเนินการในปี 1990 ได้เปิดศักราชใหม่ของดาราศาสตร์ - อวกาศ ไม่มีการต่อสู้กับบรรยากาศอีกต่อไป ไม่ต้องกังวลกับเมฆหรือการสั่นไหวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอีกต่อไป ทั้งหมดที่จำเป็นคือการส่งดาวเทียมไปยังเป้าหมาย ทำให้เสถียรและรวบรวมโฟตอน ภายใน 25 ปี กล้องโทรทรรศน์อวกาศเริ่มครอบคลุมสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด ทำให้เป็นครั้งแรกที่จะได้เห็นจักรวาลในทุกช่วงความยาวคลื่นของแสง
เมื่อความรู้ของเราเพิ่มขึ้น ความเข้าใจของเราในเรื่องที่ไม่รู้จักก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ยิ่งเรามองเข้าไปในเอกภพได้ไกลเท่าไร เราก็ยิ่งเห็นอดีตได้ลึกมากขึ้นเท่านั้น: ระยะเวลาอันจำกัดตั้งแต่บิ๊กแบง รวมกับความเร็วแสงจำกัด ให้การจำกัดสิ่งที่เราสามารถสังเกตได้ ยิ่งกว่านั้น การขยายตัวของอวกาศเองก็ต่อต้านเราด้วยการยืดความยาวคลื่นแสงของดวงดาวที่เดินทางผ่านจักรวาลมายังดวงตาของเรา แม้แต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลซึ่งให้ภาพที่ลึกที่สุดและน่าทึ่งที่สุดของจักรวาลที่เราเคยค้นพบมา ก็ยังถูกจำกัดในเรื่องนี้
ข้อเสียของฮับเบิล
ฮับเบิลเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่น่าทึ่ง แต่ก็มีข้อจำกัดพื้นฐานหลายประการ:
- เส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 2.4ม. จำกัดความละเอียด
- แม้จะคลุมด้วยวัสดุสะท้อนแสง แต่ก็ถูกแสงแดดโดยตรงซึ่งทำให้ร้อนขึ้น ซึ่งหมายความว่าเนื่องจากผลกระทบจากความร้อน ทำให้ไม่สามารถสังเกตความยาวคลื่นของแสงที่มากกว่า 1.6 µm ได้
- การรวมกันของรูรับแสงที่จำกัดและความยาวคลื่นที่ไวต่อแสง หมายความว่ากล้องโทรทรรศน์สามารถเห็นกาแลคซี่ที่มีอายุไม่เกิน 500 ล้านปี
กาแล็กซีเหล่านี้สวยงาม ห่างไกล และดำรงอยู่เมื่อเอกภพมีอายุเพียง 4% ของอายุปัจจุบัน แต่เป็นที่ทราบกันว่าดาวและกาแล็กซีมีอยู่ก่อนหน้านี้
ในการดูสิ่งนี้ กล้องส่องทางไกลต้องมีความไวแสงสูง ซึ่งหมายความว่าจะเคลื่อนที่ด้วยความยาวคลื่นที่ยาวกว่าและอุณหภูมิต่ำกว่าฮับเบิล นั่นคือเหตุผลที่สร้างกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์
อนาคตของวิทยาศาสตร์
James Webb Space Telescope (JWST) ออกแบบมาเพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้อย่างแม่นยำ: ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 ม. กล้องโทรทรรศน์จะรวบรวมแสงมากกว่าฮับเบิล 7 เท่า เขาเปิดอัลตร้าสเปกโทรสโกปีความละเอียดสูงตั้งแต่ 600 นาโนเมตร ถึง 6 ไมโครเมตร (4 เท่าของความยาวคลื่นที่ฮับเบิลมองเห็น) เพื่อทำการสังเกตการณ์ในบริเวณสเปกตรัมอินฟราเรดกลางด้วยความไวที่สูงกว่าที่เคยเป็นมา JWST ใช้การระบายความร้อนแบบพาสซีฟกับอุณหภูมิพื้นผิวของดาวพลูโต และสามารถทำความเย็นให้กับอุปกรณ์อินฟราเรดช่วงกลางได้ถึง 7K
เขาจะยอมให้:
- สังเกตกาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา
- ดูก๊าซที่เป็นกลางและสำรวจดาวดวงแรกและการรีไอออนไนซ์ของจักรวาล
- ทำการวิเคราะห์ทางสเปกโตรสโกปีของดาวดวงแรก (ประชากร III) ที่เกิดขึ้นหลังบิ๊กแบง
- พบกับความประหลาดใจอย่างการค้นพบหลุมดำมวลมหาศาลและควาซาร์ที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาล
ระดับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของ JWST นั้นไม่เหมือนกับสิ่งใดในอดีต ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้กล้องโทรทรรศน์ได้รับเลือกให้เป็นภารกิจหลักของ NASA ในปี 2010
ผลงานชิ้นเอกทางวิทยาศาสตร์
จากมุมมองทางเทคนิค กล้องโทรทรรศน์ James Webb รุ่นใหม่เป็นผลงานศิลปะที่แท้จริง โครงการมาไกลมาก: มีการใช้จ่ายเกินงบประมาณ กำหนดการล่าช้า และอันตรายจากการยกเลิกโครงการ หลังจากการแทรกแซงของผู้นำคนใหม่ ทุกอย่างเปลี่ยนไป จู่ๆ โปรเจ็กต์ก็ทำงานเหมือนเครื่องจักร จัดสรรเงินทุน ข้อผิดพลาด ความล้มเหลว และปัญหาถูกนำมาพิจารณา และทีมงาน JWST ก็เริ่มปรับตัวเข้าหากันกำหนดเวลา กำหนดการ และกรอบงบประมาณทั้งหมด การเปิดตัวอุปกรณ์มีกำหนดในเดือนตุลาคม 2561 บนจรวด Ariane-5 ทีมงานไม่เพียงแค่ทำตามตารางเท่านั้น พวกเขายังมีเวลาอีกเก้าเดือนในการรับผิดชอบเหตุการณ์ที่อาจเกิดขึ้น เพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างจะแน่นและพร้อมสำหรับวันนั้น
กล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์ประกอบด้วย 4 ส่วนหลัก
บล็อกออปติคัล
รวมกระจกทั้งหมด ซึ่งกระจกหลักชุบทองแบบแบ่งส่วนหลักสิบแปดชิ้นมีประสิทธิภาพมากที่สุด พวกเขาจะใช้เพื่อรวบรวมแสงดาวที่อยู่ห่างไกลและมุ่งเน้นไปที่เครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์ กระจกทั้งหมดนี้พร้อมใช้งานและไร้ที่ติ ผลิตตามกำหนดเวลา เมื่อประกอบเข้าด้วยกันแล้ว พวกมันจะถูกพับเป็นโครงสร้างขนาดกะทัดรัดเพื่อปล่อยมากกว่า 1 ล้านกิโลเมตรจากโลกไปยังจุด L2 Lagrange จากนั้นปรับใช้โดยอัตโนมัติเพื่อสร้างโครงสร้างรังผึ้งที่จะรวบรวมแสงระยะไกลพิเศษในอีกหลายปีข้างหน้า นี่คือสิ่งที่สวยงามจริงๆ และเป็นผลสำเร็จของความพยายามไททานิคของผู้เชี่ยวชาญหลายคน
ใกล้กล้องอินฟราเรด
Webb มีเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์สี่ตัวที่ครบถ้วน 100% กล้องหลักของกล้องโทรทรรศน์คือกล้องใกล้อินฟราเรด ซึ่งมีตั้งแต่แสงสีส้มที่มองเห็นได้จนถึงอินฟราเรดลึก มันจะให้ภาพที่ไม่เคยมีมาก่อนของดาวฤกษ์แรกสุด ดาราจักรอายุน้อยที่สุดที่ยังคงอยู่ในกระบวนการก่อตัว ดาวฤกษ์อายุน้อยแห่งทางช้างเผือกและดาราจักรใกล้เคียง วัตถุใหม่หลายร้อยชิ้นในแถบไคเปอร์ เธอคือปรับให้เหมาะสมสำหรับการถ่ายภาพดาวเคราะห์รอบดาวดวงอื่นโดยตรง นี่จะเป็นกล้องหลักที่ผู้สังเกตการณ์ส่วนใหญ่ใช้
ใกล้อินฟราเรดสเปกโตรกราฟ
เครื่องมือนี้ไม่เพียงแต่แยกแสงเป็นความยาวคลื่นที่แยกจากกันเท่านั้น แต่ยังสามารถทำเช่นนี้สำหรับวัตถุที่แยกจากกันมากกว่า 100 รายการพร้อมกันได้! เครื่องมือนี้จะเป็นสเปกโตรกราฟ Webba สากลที่สามารถทำงานใน 3 โหมดสเปกโตรสโคปีที่แตกต่างกัน มันถูกสร้างขึ้นโดย European Space Agency แต่มีส่วนประกอบหลายอย่างรวมถึงเครื่องตรวจจับและแบตเตอรี่หลายประตูโดย Space Flight Center ก็อดดาร์ด (NASA) อุปกรณ์นี้ได้รับการทดสอบและพร้อมที่จะติดตั้ง
อินฟาเรดกลาง
อุปกรณ์นี้จะใช้สำหรับการสร้างภาพบรอดแบนด์ กล่าวคือ มันจะสร้างภาพที่น่าประทับใจที่สุดจากเครื่องมือ Webb ทั้งหมด จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ จะเป็นประโยชน์มากที่สุดในการวัดดิสก์ก่อกำเนิดดาวเคราะห์รอบดาวอายุน้อย การวัดและถ่ายภาพวัตถุในแถบไคเปอร์และฝุ่นที่ถูกทำให้ร้อนด้วยแสงดาวด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อน มันจะเป็นเครื่องมือเดียวที่จะเย็นลงที่อุณหภูมิ 7 K เมื่อเทียบกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ สิ่งนี้จะปรับปรุงผลลัพธ์ขึ้น 100 เท่า
Slitless Near-IR Spectrograph (NIRISS)
อุปกรณ์จะให้คุณผลิต:
- สเปกโตรสโคปีมุมกว้างในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ (1.0 - 2.5 µm);
- grim spectroscopy ของหนึ่งวัตถุในช่วงการมองเห็นและอินฟราเรด (0.6 - 3.0 ไมครอน);
- อินเตอร์เฟอโรเมตรีปิดบังรูรับแสงที่ความยาวคลื่น 3.8 - 4.8 µm (ซึ่งคาดว่าดาวดวงแรกและดาราจักรจะเกิด);
- การถ่ายภาพมุมกว้างของทั้งมุมมอง
เครื่องมือนี้สร้างโดย Canadian Space Agency หลังจากผ่านการทดสอบการแช่แข็งแล้ว ก็จะพร้อมสำหรับการรวมเข้ากับช่องเครื่องมือของกล้องโทรทรรศน์
บังแดด
กล้องโทรทรรศน์อวกาศยังไม่ได้ติดตั้ง แง่มุมที่น่ากลัวที่สุดประการหนึ่งของการเปิดตัวทุกครั้งคือการใช้วัสดุใหม่ทั้งหมด แทนที่จะทำให้ยานอวกาศทั้งหมดเย็นลงอย่างแข็งขันโดยใช้สารหล่อเย็นแบบสิ้นเปลืองครั้งเดียว กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เว็บบ์ ใช้เทคโนโลยีใหม่ทั้งหมด ซึ่งเป็นแผงบังแดด 5 ชั้นที่จะนำไปใช้เพื่อสะท้อนรังสีดวงอาทิตย์จากกล้องโทรทรรศน์ แผ่นยาว 25 เมตรห้าแผ่นจะเชื่อมต่อกับแท่งไททาเนียมและติดตั้งหลังจากติดตั้งกล้องโทรทรรศน์แล้ว การป้องกันได้รับการทดสอบในปี 2551 และ 2552 แบบจำลองเต็มรูปแบบที่เข้าร่วมในการทดสอบในห้องปฏิบัติการได้ทำทุกอย่างที่พวกเขาควรจะทำบนโลกนี้ นี่คือนวัตกรรมที่สวยงาม
ยังเป็นแนวคิดที่น่าเหลือเชื่ออีกด้วย: ไม่เพียงแต่ปิดกั้นแสงจากดวงอาทิตย์และวางกล้องโทรทรรศน์ไว้ในเงามืดเท่านั้น แต่ต้องทำในลักษณะที่ความร้อนทั้งหมดแผ่ออกไปในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางของกล้องโทรทรรศน์ แต่ละชั้นในสุญญากาศของอวกาศจะเย็นลงเมื่อเคลื่อนออกจากด้านนอก ซึ่งจะอุ่นกว่าอุณหภูมิเล็กน้อยพื้นผิวโลก - ประมาณ 350-360 K อุณหภูมิของชั้นสุดท้ายควรลดลงเหลือ 37-40 K ซึ่งเย็นกว่าตอนกลางคืนบนพื้นผิวดาวพลูโต
นอกจากนี้ยังได้ใช้มาตรการป้องกันที่สำคัญเพื่อป้องกันสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของห้วงอวกาศ สิ่งหนึ่งที่ต้องกังวลคือก้อนกรวดขนาดเล็ก เม็ดทราย จุดฝุ่น และแม้แต่ก้อนเล็กๆ ที่บินผ่านอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ด้วยความเร็วหลายสิบหรือหลายร้อยหลายพันกิโลเมตรต่อชั่วโมง อุกกาบาตขนาดเล็กเหล่านี้สามารถสร้างรูเล็ก ๆ ด้วยกล้องจุลทรรศน์ได้ในทุกสิ่งที่พวกเขาพบ: ยานอวกาศ ชุดนักบินอวกาศ กระจกกล้องโทรทรรศน์ และอื่นๆ หากกระจกมีเพียงรอยบุบหรือรู ซึ่งลดปริมาณ "แสงดี" ที่มีอยู่เล็กน้อย แผงบังแดดอาจฉีกขาดจากขอบหนึ่งไปอีกขอบหนึ่ง ทำให้ชั้นทั้งหมดไม่มีประโยชน์ มีการใช้ความคิดที่ยอดเยี่ยมในการต่อสู้กับปรากฏการณ์นี้
แผงโซลาร์เซลล์ทั้งหมดถูกแบ่งออกเป็นส่วน ๆ เพื่อให้หากมีช่องว่างเล็ก ๆ ในหนึ่งสองหรือสามชั้นจะไม่ฉีกขาดเพิ่มเติมเช่นรอยแตกในกระจกหน้ารถของ รถยนต์. การแบ่งพาร์ติชันจะทำให้โครงสร้างทั้งหมดไม่เสียหาย ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันการเสื่อมสภาพ
ยานอวกาศ: ระบบประกอบและควบคุม
นี่คือองค์ประกอบทั่วไป อย่างที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศและภารกิจวิทยาศาสตร์ทั้งหมดมี ที่ JWST มีความพิเศษแต่ก็พร้อมอย่างสมบูรณ์ สิ่งที่เหลืออยู่สำหรับผู้รับจ้างทั่วไปของโครงการคือ Northrop Grumman คือการสร้างเกราะให้สมบูรณ์ ประกอบกล้องโทรทรรศน์ และทดสอบ เครื่องจะพร้อมสำหรับเปิดตัวในอีก 2 ปี
10 ปีแห่งการค้นพบ
ถ้าทุกอย่างถูกต้อง มนุษยชาติจะอยู่บนธรณีประตูของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ ม่านก๊าซเป็นกลางที่บดบังทัศนวิสัยของดาวฤกษ์และดาราจักรยุคแรกสุดจะถูกกำจัดโดยความสามารถด้านอินฟราเรดของเวบบ์และความส่องสว่างมหาศาลของมัน มันจะเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดและละเอียดอ่อนที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา โดยมีช่วงความยาวคลื่นขนาดใหญ่ตั้งแต่ 0.6 ถึง 28 ไมครอน (ตามนุษย์มองเห็นได้ 0.4 ถึง 0.7 ไมครอน) คาดว่าจะให้ข้อสังเกตเป็นเวลาหนึ่งทศวรรษ
ตามที่ NASA บอก ชีวิตของภารกิจ Webb จะอยู่ที่ 5.5 ถึง 10 ปี มันถูกจำกัดด้วยปริมาณของจรวดที่จำเป็นในการรักษาวงโคจรและอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของพื้นที่ กล้องโทรทรรศน์ออร์บิทัลเจมส์ เวบบ์ จะบรรทุกเชื้อเพลิงตลอดระยะเวลา 10 ปี และ 6 เดือนหลังจากปล่อย จะทำการทดสอบการสนับสนุนการบิน ซึ่งรับประกันการทำงานทางวิทยาศาสตร์ 5 ปี
จะเกิดอะไรขึ้น
ปัจจัยจำกัดหลักคือปริมาณเชื้อเพลิงบนเครื่อง เมื่อสิ้นสุด ดาวเทียมจะลอยออกจากจุด L2 Lagrange เข้าสู่วงโคจรที่วุ่นวายในบริเวณใกล้เคียงโลก
มากับสิ่งนี้ ปัญหาอื่นอาจเกิดขึ้น:
- ความเสื่อมโทรมของกระจกซึ่งจะส่งผลต่อปริมาณแสงที่สะสมและสร้างสิ่งประดิษฐ์จากภาพ แต่จะไม่สร้างความเสียหายต่อการทำงานต่อไปของกล้องโทรทรรศน์
- ความล้มเหลวของหน้าจอโซลาร์บางส่วนหรือทั้งหมดซึ่งจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอุณหภูมิยานอวกาศและจำกัดช่วงความยาวคลื่นที่ใช้งานได้ให้แคบลงจนถึงอินฟราเรดใกล้สุด (2-3 µm);
- ระบบทำความเย็นอุปกรณ์ Mid-IR ล้มเหลว ทำให้ใช้งานไม่ได้แต่ไม่ส่งผลกระทบต่อเครื่องมืออื่นๆ (0.6 ถึง 6 µm)
การทดสอบที่ยากที่สุดที่รอคอยกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์คือการปล่อยและใส่เข้าไปในวงโคจรที่กำหนด สถานการณ์เหล่านี้ได้รับการทดสอบและดำเนินการเสร็จเรียบร้อยแล้ว
การปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์
หากกล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์ใช้งานได้ จะมีเชื้อเพลิงเพียงพอสำหรับส่งพลังงานตั้งแต่ปี 2018 ถึง 2028 นอกจากนี้ยังมีศักยภาพในการเติมเชื้อเพลิงซึ่งสามารถยืดอายุการใช้งานของกล้องโทรทรรศน์ได้อีกทศวรรษ เช่นเดียวกับฮับเบิลที่เปิดดำเนินการมา 25 ปีแล้ว JWST สามารถจัดหาวิทยาศาสตร์ปฏิวัติรุ่นหนึ่งได้ ในเดือนตุลาคม 2018 ยานยิงจรวด Ariane 5 จะเปิดตัวสู่วงโคจรแห่งอนาคตของดาราศาสตร์ ซึ่งหลังจากทำงานหนักมาเป็นเวลากว่า 10 ปี ก็พร้อมที่จะเริ่มออกผล อนาคตของกล้องโทรทรรศน์อวกาศใกล้เข้ามาแล้ว
