Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 33 – vyšlo 21. srpna, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

James Webb Space Telescope

Martin Špirk

V současné době netrpělivě čekáme na další posun ve výzkumu vesmíru, na nový nástroj, který nám umožní vidět a poznat věci, které nám byly doposud skryty. Tím bezesporu bude nový vesmírný dalekohled Jamese Webba, na jehož stavbě se podílí NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších., ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. i CSACSA – Canadian Space Agency, Kanadská kosmická agentura existující od roku 1989. Agentura provozuje několik družic pro pozorování Země (RADARSAT, SCISAT), komunikační družice (MSAT, ANIKA) a vědecké družice (například CASSOPE a MOST).. Bez nadsázky můžeme říct, že jde o takový Hubblův vesmírný dalekohledHST – Hubble Space Telescope, Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnějšímu určení Hubblovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009. na steroidech. Avšak jak už tomu tak většinou bývá, nic nejde podle plánu a vypuštění JWST se neustále odkládá. Za vše mluví fakt, že Webb měl být dle prvních předpokladů vypuštěn už v roce 2007, aby nahradil HST. Po několika letech technických problémů, překračování rozpočtu, politických tahanicích a v neposlední řadě letos také díky pandemii koronaviru bylo datum startu mise odloženo až na 31. října 2021 a bůh ví, zda jde o poslední odklad. Doufejme, že tomu tak bude. V tomto bulletinu dáme do souvislostí základní informace o JWST, jak se liší od HST, co nám může nabídnout a jakým způsobem ho dopravíme na oběžnou dráhu.

Příprava dalekohledu. Pod zrcadlem je dobře patrných všech pět vrstev protislunečního štítu, který má rozměr tenisového hřiště. Zdroj: NASA/Chris Gunn.

NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.

ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008.

CSA – Canadian Space Agency, Kanadská kosmická agentura existující od roku 1989. Agentura provozuje několik družic pro pozorování Země (RADARSAT, SCISAT), komunikační družice (MSAT, ANIKA) a vědecké družice (například CASSOPE a MOST).

HST – Hubble Space Telescope, Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnějšímu určení Hubblovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009.

JWST – James Webb Space Telescope, vesmírný dalekohled Jamese Webba, následovník Hubblova dalekohledu připravený třemi kosmickými agenturami: americkou NASA, evropskou ESA a kanadskou CSA. Dalekohled vynesla do vesmíru evropská nosná raketa Ariane na konci roku 2021. Je umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. Průměr segmentovaného zrcadla je 6,5 m. Dalekohled je pojmenován po řediteli NASA, který Ameriku úspěšně dovedl k přistání na Měsíci. Dalekohled Jamese Webba je určený primárně pro pozorování v infračerveném oboru.

JWST a jeho specifikace

Primární zrcadlo o průměru 6,5 metru je složeno celkem z osmnácti šestiúhelníkových segmentů a díky tomu je velice snadné dle potřeby upravovat jeho zakřivení. Každý segment má hmotnost zhruba 20 kilogramů. Jsou vytvořeny z beryliaBerylium – nejlehčí prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, tvrdý, šedý kov o značně vysoké teplotě tání. Vede špatně elektrický proud a teplo. Velmi dobře propouští radioaktivní záření. Jeho soli jsou mimořádně toxické. Berylium bylo objeveno roku 1798 Louisem Vauguelinem jako součást minerálu berylu a smaragdů. a následně prošly povrchovými úpravami, a to včetně nanesení stonanometrové vrstvy zlataZlato – aurum, chemicky odolný, velmi dobře tepelně i elektricky vodivý, ale poměrně měkký drahý kov žluté barvy. Již od dávnověku byl používán pro výrobu dekorativních předmětů, šperků a jako měnová záruka při emisích bankovek. V současné době je navíc důležitým materiálem v elektronice, kde je ceněna jeho vynikající elektrická vodivost a odolnost proti korozi. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí. pro co možná nejlepší odrazivost infračerveného zářeníInfračervené záření – elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 0,75 μm do 400 μm. Infračervené záření objevil v roce 1800 William Herschel při rozkladu slunečního světla hranolem. Zjistil, že za červenou barvou existuje další záření, které zahřeje teploměr. IR záření využíváme v infrazářičích, v infralampách, při infraterapii, v dálkových ovladačích, v termovizi, v čidlech na zloděje, v dálkových teploměrech a při dálkovém průzkumu Země. V astronomii se využívá IR záření k výzkumu meziplanetární hmoty, planetárních atmosfér, plynu a prachu v galaxiích, hnědých trpaslíků, červených veleobrů, exoplanet, protoplanetárních disků a mlhovin. IR záření prochází zemskou atmosférou jen částečně, v tzv.oknech.. Právě v infračerveném spektru bude Webb prozkoumávat vesmír, a to zejména v jeho ranných stádiích, což nás posune o krok blíže ke komplexnímu pochopení toho, jak se například formovaly první galaxie po velkém třesku.

Aby teleskop podával ty nejlepší výsledky a aby se zabránilo nepříjemným rušivým jevům, je JWST vybaven pětivrstvým slunečním štítem o délce dvaceti metrů a šířce až sedmi metrů. Štít je vyroben z tenkých vrstev kaptonuKapton – polyimidová fólie odolná velkým změnám teploty. Je relativně odolná různým druhům elektromagnetického záření, včetně rentgenového. Je stabilní v teplotním rozmezí 4 K až 673 K., což je vlastně polyimidováPolyimidy – polymery z imidových monomerů. Jsou teplotně a chemicky vysoce stabilní s výbornými mechanickými vlastnostmi. Mají charakteristickou žlutou až oranžovou barvu. fólie, která dokáže odolávat extrémním vnějším vlivům ve vesmíru. Srdcem celého teleskopu bude servisní modul, který krom nezbytností, jimiž jsou fotovoltaické panely, komunikační zařízení a manévrovací systémy, spojuje také dohromady sadu pěti vědeckých přístrojů a celou optickou soustavu se slunečním štítem. Tyto přístroje tvoří hned několik zařízení, která budou interpretovat snímaný obraz přijatý z optické soustavy. Konkrétně jde o NIRCam (Near InfraRed Camera), což je vlastně hlavní pár očí JWST, který bude v infračerveném spektruInfračervené záření – elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 0,75 μm do 400 μm. Infračervené záření objevil v roce 1800 William Herschel při rozkladu slunečního světla hranolem. Zjistil, že za červenou barvou existuje další záření, které zahřeje teploměr. IR záření využíváme v infrazářičích, v infralampách, při infraterapii, v dálkových ovladačích, v termovizi, v čidlech na zloděje, v dálkových teploměrech a při dálkovém průzkumu Země. V astronomii se využívá IR záření k výzkumu meziplanetární hmoty, planetárních atmosfér, plynu a prachu v galaxiích, hnědých trpaslíků, červených veleobrů, exoplanet, protoplanetárních disků a mlhovin. IR záření prochází zemskou atmosférou jen částečně, v tzv.oknech. zkoumat ty nejvzdálenější hlubiny vesmíru, dále pak NIS (Near Infrared Spectrograph), MIRI (Mid-InfraRed Instrument), díky kterému se dozvíme něco více o zrození hvězd a pomůže nám prozkoumat detailněji objekty v Kuiperově pásuKuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto.. Také v neposlední řadě doufáme, že by nám mohl pomoci při hledání již legendární deváté planety naší Sluneční soustavy. Nesmíme zapomínat ani na FGS (Fine Guidance System) a NIRISS (Near-InfraRed Imager and Slitless Spectrograph). FGS slouží ke správnému nasměrování teleskopu, aby se dosáhlo té nejvyšší kvality obrazu. Stará se o pohyb nejen celého JWST, ale i o přesné formování primárního zrcadla. Zajímavé je, že toto zařízení aktualizuje data o své poloze ve vesmíru 16× za sekundu. NIRISS bude určen především pro pozorování exoplanet. Celý teleskop pak bude vážit 6,2 tuny a je dimenzovaný na pět až deset let provozu. Z praxe však víme, že tato doba by se mohla i prodloužit.

Srovnáme-li specifikace Webba s proporcemi Hubblova vesmírného teleskopu, tak si na první pohled všimneme, že Webb je mnohem objemnější. Mohlo by se tak zdát, že bude i o nějakou tu tunu těžší, ale zdání klame. Ve skutečnosti Webb prošel značnou odtučňovací kúrou. Konkrétně je o 4,8 tuny lehčí než HST. Za zmínku také stojí rozdíl ve velikosti primárních zrcadel. Průměr primárního zrcadla HST činí pouhých 2,4 metru, je tedy třikrát menší než u JWST. Samozřejmě nesmíme zapomínat na skutečnost, že HST byl navržen k trošku jinému typu pozorování. Je totiž schopen snímat vesmír v oblasti od ultrafialového záření až do oblasti záření blízkého infračervenému, zatím co JWST pozoruje vesmír zejména v infračerveném oboru spektra.

Porovnání pozorovacího spektra HST a JWST

Porovnání velikosti zrcadel a pozorovacího spektra HST a JWST. Zdroj: NASA.

Základní informace o dalekohledu JWST. Zdroj: NASA GSFC.

Orbita a servisní mise

Jedním z klíčových rozdílů mezi JWST a HST je umístění ve vesmíru. Zatímco Hubble obíhá Zemi na nízké oběžně dráze ve výšce zhruba 570 kilometrů, Webb bude obíhat kolem Lagrangeova boduLagrangeovy body – pět bodů v sousedství dvou obíhajících hmotných těles, ve kterých je gravitační a odstředivá síla vyrovnána. Polohu těchto bodů poprvé vypočítal italsko-francouzský matematik Joseph-Louis Lagrange. Velmi výhodné je například umístění sond určených k pozorování vzdáleného vesmíru do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce, který je vzdálený od Země 1 500 000 km ve směru od Slunce (WMAP, Planck, Herschel). Naopak, do bodu L1 soustavy Země-Slunce se umísťují sondy určené pro monitorování Slunce (například SOHO). Lagrangeův bod L3 soustavy Země-Slunce leží opačné straně Slunce, nepatrně dále, než je oběžná dráha Země. Body L4 a L5 neleží na spojnici obou těles, ale tvoří s nimi rovnostranné trojúhelníky. L2 soustavy Země – Slunce. Umístění v L2 umožňuje pozorovat objekty hlubokého vesmíru bez rušivého vlivu naší Země. Tento bod se nachází ve vzdálenosti 1,5 milionů kilometrů od Země směrem od Slunce. JWST ho oběhne jednou za 6 měsíců ve vzdálenosti necelých 400 000 kilometrů. To je zhruba vzdálenost Měsíce od Země. Vyvstává zde tedy otázka, do jaké míry budeme schopni provádět servisní úkony na JWST, pokud se při cestě na svou orbitu či při samotném provozu něco pokazí. Z historie HST víme, že bylo potřeba provést hned několik servisních misí, aby mohl zůstat Hubble v provozu a nešlo pouze o drobná vylepšení či malé úpravy, i když pro ty tu byl prostor také. Některé systémy HST prostě selhaly, avšak v době raketoplánů, a právě díky faktu, že byl HST umístěn jen na nízké oběžné dráze, nebyl zas tak velký problém provést úpravy. U JWST by byla jakákoliv servisní mise mnohem komplikovanější, dražší a dalo by se polemizovat o tom, zda by to se současnými technologiemi bylo vůbec prakticky možné. Proto se se servisními misemi k JWST nepočítá.

Záběry z první a druhé servisní mise k Hubblovu dalekohledu. Zdroj: NASA.

Jak tu bestii dostaneme tam nahoru?

Je jasné, že se současnou generací nosných raket bychom nikdy nebyli schopni dostat Webba v rozloženém stavu do vesmíru. Jeho velikost je často přirovnávána k tenisovému hřišti. Hlavní podíl na tom mají sluneční štít a primární zrcadlo. Inženýři tedy museli najít způsob, jak Webba složit, aby se vešel do nákladového prostoru dané nosné rakety. Pro tyto účely byla zvolena evropská raketa Ariane 5Ariane – nosná raketa využívaná Evropskou kosmickou agenturou. Její název pochází z francouzského přepisu jména mytologické postavy Ariadne. Nosič byl vyvíjen od 70. let dvacátého století. První úspěšný start Ariane 1 proběhl v roce 1979. Poslední využívaná varianta je nosič Ariane 5 ECA s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 10 tun. Tento nosič vynesl na orbitu například dalekohled Jamese Webba. Poslední start rakety proběhl 6. července 2023. Připravuje se další verze rakety, Ariane 6. Starty probíhají z kosmodromu Guyanského kosmického centra v blízkosti Kourou ve Francouzské Guyaně.. Ta má průměr 5,4 metrů, výšku zhruba 50,5 metru, hmotnost 780 tun a je schopna dopravit 20 tun nákladu na LEOLEO – Low Earth Orbit, nízká oběžná dráha, na které krouží družice kolem Země ve výšce od cca 200 km do 2 000 km. Oběžná doba je od 84 do 127 minut. V této výšce již není takový odpor vzduchu, aby způsobil rychlý pokles výšky.. Na GTOGTO – Geostationary/Geosynchronous Transfer Orbit, eliptická geostacionární přechodová oběžná dráha, umožňující v nejvzdálenějším bodě drobnou úpravou dosáhnout tzv. geostacionární dráhy, kdy družice „visí“ nad stejným bodem na Zemi. Příkladem je družice Astra sloužící pro přenos televizního signálu. pak dokáže dopravit náklad o hmotnosti 10 tun. Nás však v případě JWST nejvíce zajímá, kolik kilogramů je tento raketový nosič schopen dostat k Lagrangeově bodu L2. Tam Ariane 5 zvládne dopravit zhruba 6,6 tuny, což z této rakety činí jasného kandidáta pro přesun Webbova vesmírného dalekohledu.

Ariane 5 je vybavena centrálním prvním stupněm nazývaným H-173 poháněným motorem Vulcain 2 na směs kapalného kyslíku a kapalného vodíku (LOX/LH₂), dále dvěma pomocnými stupni na tuhé palivo HTPB, což je hydroxylem zakončený polybutadien. Druhý stupeň pak pohání motor HM7B, který je stejně jako centrální první stupeň na palivo LOX/LH₂.

Poté co bude Webb vynesen na parkovací orbitu, začne se pomalu rozbalovat rozměrný sluneční štít a následně se začne připravovat i celá optická soustava. Po dokončení tohoto procesu už postačí jen vyčkat, než se Webb dostane na pracovní teplotu. Celé zařízení totiž bude pracovat při velmi nízkých teplotách, aby byl potlačen šum při příjmu infračerveného signálu.

Místem startu mise Ariane 5 s JWST bude kosmodrom v Kourou ve Francouzské Guyaně. Tento kosmodrom má hned pět startovacích ramp, funkční jsou však jen tři a z nich jedna (ELA-3) je v současné době určena pro starty Ariane 5, druhá funkční rampa (ELS) slouží pro starty Ruských Sojuzů a třetí funkční rampa (ELA-1) je určena pro starty jiných raketových nosičů ESA. Čtvrtá nefunkční rampa (ELA-2) je dlouhodobě neaktivní a pátá (ELA-4) je nyní ve výstavbě pro vyvíjenou nosnou raketu Ariane 6, což bude vlastně takový větší bratříček Ariane 5.

Nákres rakety Ariane 5 s JWST na palubě (nalevo); Ariane 5 na startovací rampě
(napravo); kosmodrom ESA v Kourou (dole). Zdroj: ESA.

Zpoždění celého projektu

Největší podíl na neustálých zpožděních má zejména zdlouhavá kontrola kvality zpracování a testování jednotlivých komponent. Velký problém byl například se slunečním štítem, u kterého bylo při testování zjištěno, že se tenké kaptonové fólie trhají a vznikají na nich malé prasklinky. Další problém byl odhalen při akustickém zátěžovém testu, při kterém bylo zjištěno, že některé šrouby a jejich podložky, které drží pohromadě sluneční štít se servisním modulem, se při testu povolily. Když vezmeme v úvahu, že těmto a v mnoha ohledech i horším nepříznivým podmínkám bude Webb vystaven při startu i za provozu, tak zjistíme, že by jakákoli drobnost mohla mít fatální následky a mohlo by to znamenat potenciální neúspěch celé mise. Proto tedy nemůžeme mít NASA za zlé, že na misi JWST pracují tak dlouhou dobu. Preciznost a minimalizace poruchovosti celého zařízení je v tomto případě klíčová.

Pracovníci NASA u právě smontovaného dalekohledu JWST. Zdroj: NASA.

Závěr

Vesmírný dalekohled Jamese Webba bude, stejně jako jeho předchůdci, tak trošku strojem času, který nám poodhalí podobu vesmíru mezi 100 až 250 miliony let po velkém třesku. Zároveň nám umožní detailněji studovat chemické složení a strukturu atmosfér blízkých exoplanet, což nám může mimo jiné pomoci k pochopení toho, zda je naše planeta spolu se Sluneční soustavou ve vesmíru jedinečná, či nikoliv. Již velmi dlouho čekáme na ten okamžik, kdy Webb opustí naši planetu a vydá se vstříc novému poznání, avšak skutečně si budeme moci oddechnout až ve chvíli, kdy se dozvíme, že všechny systémy teleskopu fungují správně. Byla by totiž velká škoda, kdyby tolik peněz a úsilí mnoha nadšených lidí přišlo vniveč. Zároveň nám nezbývá nic jiného než doufat, že start JWST byl odložen naposledy, avšak v zájmu nás všech je nic neuspěchat a dotáhnout konstrukci Webbova vesmírného dalekohledu k dokonalosti.

Příprava dalekohledu JWST – vibrační test. Zdroj: NASA/Chris Gunn.

Odkazy