Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) to długo oczekiwany, długo oczekiwany teleskop „następnej generacji”. Planowane do uruchomienia w 2013 Październik 2018 JWST został reklamowany jako następca Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Dzięki niemu astronomowie mają nadzieję spojrzeć wstecz w czasie, gdy wszechświat miał zaledwie 200 milionów lat, i zobaczyć pierwsze gwiazdy i galaktyki. Głównym naukowcem prowadzącym ten projekt jest dr John Mather, współzałożyciel Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2006 r. Za pracę z Cosmic Background Explorer (COBE), która mierzyła kształt ciała czarnego i anizotropię kosmicznego mikrofalowego tła.
Zrozumiałe było, że dr Mather skontaktował się ze Space Magazine, mówiąc, że chciałby z nami porozmawiać o statusie JWST. „Uznałem, że nadszedł czas, aby porozmawiać o tym, co robimy” - powiedział - „ponieważ zaczynają się dziać ekscytujące rzeczy”.
Magazyn kosmiczny: Dr Mather, od ponad dekady słyszymy o kosmicznym teleskopie nowej generacji, który później został oficjalnie nazwany Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba. Czy możesz nam powiedzieć, jak rozpoczęła się koncepcja tego teleskopu?
John Mather: W 1989 r., Jeszcze przed uruchomieniem Hubble'a, odbyła się konferencja na temat tego, jaki powinien być następny teleskop kosmiczny. Dyskutowali o wielkich teleskopach przyszłości i na podstawie opublikowanych materiałów opublikowali książkę. Ale tak naprawdę nie uważali, że podczerwień jest wielką falą przyszłości. Następnie w 1993 r. Istniał komitet o nazwie HST i Beyond. W 1996 roku opublikowali piękny mały raport, w którym napisano, że są dwie ważne rzeczy do zrobienia. Jednym z nich było zbudowanie teleskopu na podczerwień, w przeciwieństwie do tego, co powiedziała poprzednia książka, a drugim było zbudowanie teleskopu do poszukiwania planet podobnych do Ziemi. W tym momencie astronomowie po prostu rozpoznali, że poszukiwanie planet pozasłonecznych jest możliwe. Więc w październiku 1995 r. Centrala NASA zadzwoniła do mnie, dała mi listę naukowców i inżynierów, z którymi mogę się skontaktować, i powiedziała, że mam rozpocząć planowanie. Tak zrobiliśmy i od razu doszliśmy do niezwykłej zbieżności myśli i opinii. Szybko uzgodniliśmy koncepcję, która spełniła życzenia społeczności naukowej i spełniła ambicje NASA. Przekonasz się, że teleskop, który chcieliśmy wtedy latać, jest bardzo podobny do tego, który będziemy latać w 2013 roku.
UT: Czy możesz nam teraz zaktualizować status JWST?
Mather: Sprzęt do przyrządów latających będzie przyjeżdżał z całego świata latem 2010 roku. Precyzyjny czujnik naprowadzania pochodzi z Kanady, półtora pakietu przyrządów pochodzi z Europy, a reszta pochodzi ze Stanów Zjednoczonych. Tak więc po 18 miesiącach pakiet instrumentów zaczyna się łączyć, a rok później spotyka się z teleskopem. Cztery przyrządy naukowe to kamera w bliskiej podczerwieni, spektrograf wielu obiektów w bliskiej podczerwieni, instrument w środkowej podczerwieni oraz przestrajalny filtr obrazu.
Właśnie przeszliśmy recenzję Krytycznego projektu dla modułu instrumentu. W ubiegłym tygodniu setki ludzi przyszły na wszystko, aby spojrzeć na nas i powiedzieć, czy robimy to dobrze. Myślę, że zdaliśmy, choć nie widziałem jeszcze oficjalnej dokumentacji. Ale nawet ja byłem pod wrażeniem.
UT: Pytanie, które zadaje mi wiele osób, skoro Hubble odnosi tak wielki sukces, dlaczego JWST nie będzie teleskopem optycznym?
Mather: Dlaczego komitet zmienił się z optycznego na podczerwień? To było dwojakie. Jednym z nich było to, że Hubble stawał się tak dobry, że widzieli, że ciężko go pokonać, bez względu na to, jak duży zbudowałeś teleskop. Inną rzeczą było to, że ludzie widzieli, jak można zbudować duże teleskopy optyczne na ziemi. Teleskop Kecka działał naprawdę dobrze, a ludzie zaczęli mówić o optyce adaptacyjnej, co oznaczało, że warto było nawet większych teleskopów na ziemi. Te dwie rzeczy skierowały nas w stronę teleskopu na podczerwień. Również wszyscy naukowcy z JWST powiedzieli, że potrzebujemy podczerwieni. Z naszych niewielkich możliwości, jakie mieliśmy w tym czasie, podczerwień była fascynująca, odkrywając, że najodleglejszy wszechświat jest ekscytujący i jest przesunięty ku czerwieni w stosunku do widzialnego. Zaczyna się w ultrafiolecie i przechodzi w podczerwień z powodu dużych odległości tych obiektów i ogromnego przesunięcia czerwonego. Więc jeśli chcesz robić astronomię w ultrafiolecie na niemal krawędzi wszechświata, potrzebujesz teleskopu na podczerwień.
UT: Teraz, gdy teleskop kosmiczny Spitzer na podczerwień działa tak dobrze, czy zmieniło to czyjeś zdanie, czy też sprawia, że naukowcy chcą przejść na wyższy poziom dzięki podczerwieni?
Mather: Tak, Spitzer udowodnił, że to naprawdę fascynujące terytorium. Spitzer to tak naprawdę mały teleskop według współczesnych standardów; ma tylko 3 stopy szerokości, 85 cm. Ale przynosi zaskakujące niespodzianki. Widzą rzeczy z bardzo, bardzo wysokimi czerwonymi przesunięciami i żadnej z tych rzeczy nie oczekiwano. To mówi nam, że w podczerwieni będą cudowne odkrycia. Wiemy już, że możemy zrobić technologię, więc zdobądźmy lepszy teleskop. Nauka jest bardzo ekscytująca, a na odkrycie czeka tak wiele rzeczy.
UT: Co Twoim zdaniem odróżni JWST od poprzednich teleskopów kosmicznych?
Mather: Każdy teleskop mówi: „Jestem lepszy niż ten przed sobą” i mówimy to samo. Oczywiście, ten teleskop będzie widział cofa się w czasie dzięki swojej zdolności do podczerwieni i ogromnemu otworowi; będzie widział przez chmury pyłu, aby zobaczyć, gdzie rodzą się gwiazdy; zobaczy rzeczy w temperaturze pokojowej, takie jak ty i ja, planety lub młode gwiazdy. Wszystkie te rzeczy można zobaczyć bezpośrednio dzięki funkcji podczerwieni, którą mamy w tym nowym teleskopie. Większość prac zostanie wykonana w podczerwieni, z pewnymi możliwościami w zakresie widzialnym.
Ale zbudowaliśmy teleskop ogólnego zastosowania. Po uruchomieniu naukowcy mogą pisać propozycje dla Hubble'a dotyczące tego, co chcieliby zaobserwować, aby mogli obserwować gorący temat w tym czasie.
UT: W jaki sposób zastosowałeś to w JWST w związku z doświadczeniem z COBE i późniejszymi wyróżnieniami?
Mather: To nie tyle zaszczyty wpłynęły na moje życie, ale fakt, że przeszedłem proces od samego początku do samego końca w bardzo radykalnie zaprojektowanym obserwatorium, którym był COBE, co dało mi odwagę myśleć rzeczy Więc kiedy siedziba NASA powiedziała, że chcą następcy Hubble'a, pomyślałem, że to będzie interesujące i miałem dość odwagi, by powiedzieć tak, chciałbym spróbować. COBE było na razie bardzo ambitne, ale na tyle małe, że znałem inżynierów osobiście i mogłem z nimi rozmawiać każdego dnia o wszystkim. Pomyślałem więc, że mogę ukończyć większy projekt.
UT: A teraz pracujesz z ludźmi z całego świata?
Mather: Tak, to wielka sprawa. Nasz zespół naukowy liczy około 19 osób z Europy, Stanów Zjednoczonych i Kanady. Zespół inżynierów składa się z ponad 2000 osób rozmieszczonych na całym świecie. Najwyraźniej nie znam ich wszystkich. Ściśle współpracuję z naukowcami i rozmawiam z nimi o tym, co chcemy osiągnąć, i upewniam się, że to osiągamy. Więc mam teraz inną rolę. Nie mam bezpośredniej odpowiedzialności za sprzęt, ale współpracuję z ludźmi, którzy to robią. Mamy dostęp do jednych z najlepszych ludzi na świecie na każdy temat.
UT: Czy możesz opowiedzieć o problemach, które ten teleskop musiał pokonać, przekroczeniu kosztów i opóźnieniach?
Mather: Po pierwsze, przekroczenie kosztów nie jest tak duże, jak przedstawiają to ludzie, którzy chcieliby pieniędzy na własne pomysły na projekty. Początkowo Dan Goldin był szefem NASA, kiedy zaczynaliśmy, i powiedział: „Chcemy, abyś wymyślił sposób na zrobienie tego obserwatorium za pół miliarda dolarów w 1996 dolarów”. Powiedzieliśmy, że spróbujemy. Ale szybko zdaliśmy sobie sprawę, że zbudowanie tego będzie trudne. Zanim przygotowaliśmy się do przedstawienia go w badaniu dekadalnym w 2000 r., Koszt wyniósł około miliarda dolarów. Potem, trzy lata temu, widzieliśmy, że praca staje się coraz trudniejsza, i musieliśmy przebudować i zresetować. Teraz, jeśli policzysz cały koszt NASA od początku w 1995 r. Do końca, gdzieś po 2019 r. Wraz z inflacją i urzędnikami (których wcześniej nie liczyliśmy), teraz będzie to w przybliżeniu 4,5 mld USD w rzeczywistych prawdziwych dolarach, a nie 1996 USD. Mamy więc wzrost kosztów, ale odnieśliśmy wspaniały sukces i jesteśmy na dobrej drodze do uruchomienia tej wspaniałej maszyny, z której będą korzystać tysiące astronomów. I nie musieliśmy zmieniać naszego planu ani całkowitego budżetu w ciągu trzech lat, dzięki stałemu przywództwu z centrali NASA i doskonałej pracy technicznej zespołów.
UT: Dobrze wiedzieć. Myślę, że ludzie mają ogólną koncepcję, że JWST miał ogromne przekroczenie kosztów.
Mather: Cóż, to nie jest coś małego i chcielibyśmy, żebyśmy mogli to zrobić lepiej. Ale chodzi o czynnik wzrostu o dwa, a nie o czynnik pięć, który został zareklamowany przez niektórych ludzi, którzy powinni wiedzieć lepiej. Ten teleskop będzie działał przez długi czas. Wymagany jest pięć lat, ale mamy nadzieję, że będziemy go obsługiwać przez dziesięć lat. Tak więc nasz projekt obejmuje okres od 1995 r. Do 2024 r., Kiedy działalność się zakończy.
Pozwól, że dam ci pojęcie o tym, co musieliśmy zrobić, aby się przygotować i co robiliśmy przez cały ten czas. Opracowaliśmy listę dziesięciu głównych potrzebnych technologii. Najtrudniejszą rzeczą było opracowanie luster. Wymagało to dwunastu różnych umów tylko na rozwój konkurentów, w których ich projekty były wystarczająco dobre, więc zajęło to kilka lat. Detektory wyraźnie musiały zostać ulepszone w stosunku do tego, co mamy w teleskopach Spitzer i Hubble. Więc teraz mamy większe i lepsze detektory, i są wspaniałe. Jednym z mierników, jakie mają astronomowie, jest liczba błądzących elektronów z detektorów. Jeśli zamkniesz całe światło, powinieneś dostać zero. Mamy teraz detektory, które wydzielają kilka zbłąkanych elektronów na piksel na godzinę, co jest prawie idealne. Byłoby dobrze być jeszcze lepszym, ale to jest wspaniałe. Jestem pod wrażeniem.
Musieliśmy poprawić lodówki w kosmosie. Zaczęliśmy od stwierdzenia, że musimy zdobyć teleskop chłodzony promieniowo, aby sam był wystarczająco chłodny, i to w większości prawda. Ale okazuje się, że wciąż potrzebujemy aktywnej lodówki, aby utrzymać najdłuższe detektory fal w niskiej temperaturze, więc musieliśmy to opracować.
To tylko niektóre z rzeczy, które musieliśmy zaprojektować, a cały rozwój technologii został ostatecznie ukończony w 2007 r. I przeszedł pozytywną decyzję komisji rewizyjnej, która powiedziała: „Tak, te rzeczy są wreszcie gotowe do budowy”.
Tak więc dotarcie do 2007 roku było długim czasem i nie sądzę, żeby ludzie naprawdę docenili to, czego potrzeba, aby przygotować nowe technologie. Z drugiej strony zostaliśmy pobłogosławieni, że nie musieliśmy „robić kopii zapasowej”. Włożyliśmy wystarczający wysiłek w planowanie i wysiłek w te technologie, które teraz działają. To jedna z rzeczy, których nauczyliśmy się z projektu Hubble'a, a mianowicie: nie kończ projektu, dopóki nie dowiesz się, co masz zbudować.
UT: Co powiesz na proces testowania. Czy to dość rygorystyczne?
Mather: To kolejna lekcja, której musieliśmy się nauczyć od Hubble'a. Jeśli go nie przetestujesz, nie zadziała. Nauczyliśmy się mieć bardzo zdeterminowany i rygorystyczny proces. Zrobili wystarczająco dużo testów na Hubble'u, aby wiedzieć o problemach z ogniskowaniem lustrzanym. Producent lusterek miał dwa testy, które się nie zgadzały i postanowili zignorować jeden z nich zamiast wyśledzić przyczynę, co okazało się głupie i kosztowne.
Mamy uogólnienie, że jeśli coś naprawdę ma znaczenie, zrób to dwa razy. Naprawdę przetestujemy zimno teleskopu w dużym zbiorniku próżniowym w Johnson Space Center. Będzie to więc kompleksowy test typu „światło na początku, światło na końcu”, coś, czego nie mogliby zrobić dla Hubble'a. Ale wiedzieli, że mogą naprawić Hubble'a w kosmosie i wiemy, że nie możemy naprawić JWST, ponieważ teleskop znajdzie się w punkcie L-2, około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, czyli około cztery razy dalej od Ziemia niż Księżyc.
To skomplikowany projekt, ale nasze podejście do wykonania skomplikowanego projektu jest zupełnie inne niż w młodości. Kiedy przyjechałem do Goddard, używaliśmy ołówków i suwaków, a komputery były całkiem nowe i większość ludzi ich nie miała. Teraz wszędzie mamy komputery, które śledzą nasze dokumenty. Możemy wykonać inżynierię systemów, a nawet wykonać bardzo dokładne, kompletne symulacje, aby wiedzieć, czy coś będzie do siebie pasować i działać, zanim jeszcze go zbudujemy. Świat się zmienił i cudownie jest to zobaczyć. Właśnie dlatego jesteśmy teraz w stanie zbudować obserwatorium za taki sam realny koszt, jaki był potrzebny do uruchomienia i działania Hubble'a. Ale JWST jest o wiele większy i potężniejszy.
UT: Czy możesz nam powiedzieć o projekcie lustra dla JWST?
Mather: Najtrudniejszą rzeczą do zbudowania było lustro, ponieważ potrzebowaliśmy czegoś znacznie większego niż Hubble. Ale nie możesz podnieść czegoś tak dużego lub zmieścić go w rakiecie, więc potrzebujesz czegoś, co jest lżejsze, ale mimo to większe, więc musi mieć możliwość złożenia.
Lustro wykonane jest z lekkiego berylu i ma 18 sześciokątnych segmentów. Teleskop składa się jak motyl w poczwarce i będzie musiał całkowicie go cofnąć. Jest to dość skomplikowany proces, który zajmie wiele godzin. Teleskop jest ogromny, ma 6,5 metra (21 stóp), więc robi wrażenie.
Osłona przeciwsłoneczna jest całkowicie nowa i również będzie musiała się rozłożyć. Tak więc, co zostało owinięte w mały cylinder, relatywnie rzecz biorąc, staje się gigantyczną tarczą tak dużą jak kort tenisowy. To jest ogromne. Wszystko to dzieje się na wielu etapach i potrwa kilka dni. Zatrudniliśmy firmę, Northrop Grumman, która miała doświadczenie w rozwijaniu rzeczy w kosmosie, a oni mówią nam, że to zdecydowanie nie jest najbardziej skomplikowana rzecz, jaką rozwinęli w kosmosie, co jest pocieszające.
Film przedstawiający wdrażanie JWST w kosmosie:
UT: Czy była jakaś dyskusja na temat pierwszego światła i na co najpierw spojrzy JWST?
Mather: Tak trochę. To będzie zabawna część po tym, jak to wszystko poskładamy.
UT: Czy masz jakieś ulubione sugestie?
Mather: Myślę, że powinniśmy zacząć od łatwych celów, które będą ładne, co pozwoli opinii publicznej powiedzieć: „Och, widzę, że działa!” Niektóre z pierwszych obserwacji można wykonać, gdy ustawiamy teleskop, nawet zanim zostanie on w pełni dostosowany. Ponieważ jest on wdrażany po uruchomieniu, a zwierciadło początkowo nie jest zbliżone do odpowiedniego kształtu, będziemy nad tym stopniowo pracować. W Ball Aerospace w Boulder w stanie Kolorado jest model testowy, w którym ćwiczymy ustawianie 18 lustrzanych segmentów na miejscu. Każdy segment ma 7 silników do sterowania pozycją i krzywizną, więc musimy przećwiczyć ten jeden.
Tego nie mogli zrobić z Hubble'em. Żałowali, że nie mogą, i miał silniki, ale nie mogli pchać wystarczająco mocno. To ciekawa historia. Nauczyliśmy się od Hubble'a, jak poprawiać optykę na podstawie otrzymywanych obrazów, dlatego robimy to specjalnie dla tego teleskopu.
UT: Pojawiły się kontrowersje dotyczące sposobu uruchomienia JWST.
Mather: Zabierzemy teleskop do Gujany Francuskiej i tam załadujemy go do rakiety. ESA kupuje dla nas pojazd startowy; to rakieta Ariane 5, produkt komercyjny z Europy, który ostatnio dobrze się spisał, więc jest bardzo niezawodny.
Oczywiście wywołało to wiele kontrowersji. Nawet jeśli Europa dała nam pojazd startowy, że tak powiem, byli tu ludzie, którzy nie chcieli go zaakceptować. Zaakceptowanie go zajęło centrali dwa lata. To nas kosztowało. Jedyny powód, dla którego został zaakceptowany, to fakt, że mamy nowego administratora, który by to zaakceptował. To był Mike Griffin, więc chcę powiedzieć: „Dziękuję bardzo Mike Griffin!”
UT: Twój zespół ma jeszcze wiele do zrobienia przed 2013 rokiem, który prawdopodobnie będzie tu, zanim się zorientujesz!
Mather: Tak, wiem. Minęło ponad 13 lat, odkąd NASA skontaktowała się ze mną w tej sprawie, ale teraz koniec zbliża się szybko. Przed nami wiele technicznych wyzwań związanych ze złożeniem wszystkiego. Nie dotarliśmy jeszcze wystarczająco daleko, aby dowiedzieć się, ile popełniamy błędów i ile popełniamy błędów, ale myślę, że dobrze sobie z nimi radzimy, zanim je popełnimy.
Po raz pierwszy zestawienie sprzętu będzie bardzo ekscytujące. Mamy elementy, mamy zdjęcie na pudełku, aby pokazać, dokąd idą, i wkrótce możemy udowodnić, że współpracują, czy nie. Zanim otrzymamy wszystkie części tutaj w Goddard, wszystkie zostaną przetestowane indywidualnie, więc powinny grać razem dobrze. Ale natura nie lubi arogancji, więc musimy przetestować to wszystko od początku do końca, tak jak będziemy używać go w locie. Po złożeniu go tutaj, zabieramy go do Johnson Spaceflight Center i umieszczamy w gigantycznym zbiorniku próżniowym. To będzie niezwykły proces.
UT: Dziękuję bardzo za rozmowę z nami.
Mather: To była dobra zabawa. Uwielbiam opowiadać moją historię i cieszę się, że chcesz ją nam opowiedzieć. Pomyślałem, że nadszedł czas, aby porozmawiać o tym, co robimy, ponieważ zaczynają się dziać ekscytujące rzeczy. Działają się wspaniałe rzeczy. Mamy już Obserwatorium Keplera i mam nadzieję, że znajdą garść planet podobnych do Ziemi, aby je wyśledzić i przyjrzymy się im bliżej.
