Với mỗi cm khẩu độ mở rộng, thêm mỗi giây thời gian quan sát và mọi nguyên tử thừa của khí quyển bị loại bỏ khỏi trường nhìn của kính thiên văn, Vũ trụ có thể được nhìn thấy rõ hơn, sâu hơn và rõ ràng hơn.
25 năm của Hubble
Khi kính thiên văn Hubble bắt đầu hoạt động vào năm 1990, nó đã mở ra một kỷ nguyên mới trong thiên văn học - không gian. Không còn phải chiến đấu với bầu khí quyển, không còn lo lắng về những đám mây hay hiện tượng nhấp nháy điện từ. Tất cả những gì cần thiết là triển khai vệ tinh tới mục tiêu, ổn định nó và thu thập các photon. Trong vòng 25 năm, kính viễn vọng không gian bắt đầu bao phủ toàn bộ quang phổ điện từ, cho phép lần đầu tiên quan sát vũ trụ ở mọi bước sóng ánh sáng.
Nhưng khi kiến thức của chúng ta đã tăng lên, thì sự hiểu biết của chúng ta về những điều chưa biết cũng vậy. Càng nhìn xa vào vũ trụ, chúng ta càng thấy quá khứ sâu sắc hơn: khoảng thời gian hữu hạn kể từ vụ nổ Big Bang, kết hợp với tốc độ hữu hạn của ánh sáng, tạo ra giới hạn cho những gì chúng ta có thể quan sát. Hơn nữa, bản thân việc mở rộng không gian có tác dụng chống lại chúng ta bằng cách kéo dài bước sóngánh sáng của các ngôi sao khi nó đi qua vũ trụ đến mắt chúng ta. Ngay cả Kính viễn vọng Không gian Hubble, cho chúng ta hình ảnh sâu nhất, ngoạn mục nhất về vũ trụ mà chúng ta từng khám phá, về mặt này cũng bị hạn chế.
Nhược điểm của Hubble
Hubble là một kính thiên văn tuyệt vời, nhưng nó có một số hạn chế cơ bản:
- Đường kính chỉ 2,4m, giới hạn độ phân giải.
- Mặc dù được bao phủ bằng vật liệu phản chiếu, nhưng nó thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời nên sẽ nóng lên. Điều này có nghĩa là do hiệu ứng nhiệt, nó không thể quan sát bước sóng ánh sáng lớn hơn 1,6 µm.
- Sự kết hợp giữa khẩu độ hạn chế và bước sóng mà kính thiên văn nhạy cảm có nghĩa là kính thiên văn có thể nhìn thấy các thiên hà không quá 500 triệu năm.
Những thiên hà này rất đẹp, xa xôi và tồn tại khi vũ trụ chỉ bằng khoảng 4% so với tuổi hiện tại. Nhưng người ta biết rằng các ngôi sao và thiên hà còn tồn tại sớm hơn.
Để nhìn thấy điều này, kính thiên văn phải có độ nhạy cao hơn. Điều này có nghĩa là di chuyển đến bước sóng dài hơn và nhiệt độ thấp hơn Hubble. Đó là lý do tại sao Kính viễn vọng Không gian James Webb đang được chế tạo.
Triển vọng về Khoa học
Kính viễn vọng không gian
James Webb (JWST) được thiết kế để khắc phục chính xác những hạn chế này: với đường kính 6,5 m, kính thiên văn thu thập lượng ánh sáng nhiều hơn 7 lần so với Hubble. Anh mởsiêu phổ độ phân giải cao từ 600 nm đến 6 µm (gấp 4 lần bước sóng mà Hubble có thể nhìn thấy), để thực hiện các quan sát trong vùng hồng ngoại giữa của quang phổ với độ nhạy cao hơn bao giờ hết. JWST sử dụng phương pháp làm mát thụ động đối với nhiệt độ bề mặt của Sao Diêm Vương và có khả năng làm mát tích cực các thiết bị hồng ngoại tầm trung xuống 7K.
Anh ấy sẽ cho phép:
- quan sát các thiên hà sớm nhất từng được hình thành;
- nhìn xuyên qua khí trung hòa và thăm dò những ngôi sao đầu tiên và sự tái ion hóa của vũ trụ;
- thực hiện phân tích quang phổ của những ngôi sao đầu tiên (quần thể III) được hình thành sau Vụ nổ lớn;
- nhận được những điều bất ngờ thú vị như khám phá ra các lỗ đen và chuẩn tinh siêu lớn sớm nhất trong vũ trụ.
JWST cấp độ nghiên cứu khoa học không giống bất cứ thứ gì trong quá khứ, đó là lý do tại sao kính thiên văn được chọn làm sứ mệnh hàng đầu của NASA trong những năm 2010.
Kiệt tác khoa học
Từ quan điểm kỹ thuật, kính thiên văn James Webb mới là một tác phẩm nghệ thuật thực sự. Dự án đã trải qua một chặng đường dài: đã có những khoản vượt ngân sách, chậm tiến độ và nguy cơ dự án bị hủy bỏ. Sau sự can thiệp của ban lãnh đạo mới, mọi thứ đã thay đổi. Dự án đột nhiên hoạt động như đồng hồ, quỹ được phân bổ, các lỗi, thất bại và các vấn đề đã được tính đến và nhóm JWST bắt đầu phù hợp vớitất cả thời hạn, lịch trình và khung ngân sách. Dự kiến phóng thiết bị vào tháng 10/2018 trên tên lửa Ariane-5. Nhóm không chỉ tuân theo lịch trình, họ còn chín tháng để tính toán tất cả các trường hợp dự phòng để đảm bảo mọi thứ đã được đóng gói và sẵn sàng cho ngày đó.
Kính thiên văn James Webb bao gồm 4 phần chính.
Quang khối
Bao gồm tất cả các loại gương, trong đó có mười tám chiếc gương mạ vàng phân đoạn chính là hiệu quả nhất. Chúng sẽ được sử dụng để thu thập ánh sáng sao xa và tập trung nó vào các thiết bị để phân tích. Tất cả những tấm gương này hiện đã sẵn sàng và hoàn hảo, được thực hiện đúng theo lịch trình. Sau khi được lắp ráp, chúng sẽ được gấp lại thành một cấu trúc nhỏ gọn để phóng từ Trái đất hơn 1 triệu km đến điểm Lagrange L2, sau đó tự động triển khai để tạo thành cấu trúc tổ ong thu thập ánh sáng tầm cực xa trong nhiều năm tới. Đây là một điều thực sự tuyệt đẹp và là kết quả thành công của những nỗ lực tuyệt vời của nhiều bác sĩ chuyên khoa.
Camera hồng ngoại gần
Webb được trang bị bốn dụng cụ khoa học hoàn chỉnh 100%. Máy ảnh chính của kính thiên văn là một máy ảnh hồng ngoại gần, từ ánh sáng màu cam có thể nhìn thấy đến hồng ngoại sâu. Nó sẽ cung cấp những hình ảnh chưa từng có về những ngôi sao sớm nhất, những thiên hà trẻ nhất vẫn đang trong quá trình hình thành, những ngôi sao trẻ của Dải Ngân hà và các thiên hà lân cận, hàng trăm vật thể mới trong vành đai Kuiper. Cô ấy làđược tối ưu hóa để chụp ảnh trực tiếp các hành tinh xung quanh các ngôi sao khác. Đây sẽ là camera chính được hầu hết các nhà quan sát sử dụng.
Máy quang phổ hồng ngoại gần
Công cụ này không chỉ phân tách ánh sáng thành các bước sóng riêng biệt, mà còn có khả năng thực hiện điều này cho hơn 100 đối tượng riêng biệt cùng một lúc! Dụng cụ này sẽ là một máy quang phổ Webba có khả năng hoạt động ở 3 chế độ quang phổ khác nhau. Nó được chế tạo bởi Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, nhưng nhiều thành phần, bao gồm máy dò và một pin nhiều cổng, được cung cấp bởi Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ. Goddard (NASA). Thiết bị này đã được kiểm tra và sẵn sàng cài đặt.
Dụng cụ trung hồng ngoại
Thiết bị sẽ được sử dụng để chụp ảnh băng thông rộng, tức là nó sẽ tạo ra những hình ảnh ấn tượng nhất từ tất cả các thiết bị Webb. Từ quan điểm khoa học, nó sẽ hữu ích nhất trong việc đo các đĩa tiền hành tinh xung quanh các ngôi sao trẻ, đo lường và chụp ảnh các vật thể vành đai Kuiper và bụi được đốt nóng bằng ánh sáng sao với độ chính xác chưa từng có. Nó sẽ là thiết bị duy nhất được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh đến 7 K. So với kính viễn vọng không gian Spitzer, điều này sẽ cải thiện kết quả lên hệ số 100.
Máy quang phổ hồng ngoại gần không khe (NIRISS)
Thiết bị sẽ cho phép bạn sản xuất:
- quang phổ góc rộng ở bước sóng hồng ngoại gần (1,0 - 2,5 µm);
- quang phổ lăng kính của một đối tượng trongphạm vi nhìn thấy và hồng ngoại (0,6 - 3,0 micrômet);
- giao thoa kế che khẩu độ ở bước sóng 3,8 - 4,8 µm (nơi dự kiến có các ngôi sao và thiên hà đầu tiên);
- chụp phạm vi rộng toàn bộ trường xem.
Công cụ này được tạo ra bởi Cơ quan Vũ trụ Canada. Sau khi vượt qua thử nghiệm đông lạnh, nó cũng sẽ sẵn sàng để tích hợp vào khoang dụng cụ của kính thiên văn.
Tấm chắn nắng
Kính viễn vọng không gian vẫn chưa được trang bị cho chúng. Một trong những khía cạnh đáng sợ nhất của mỗi lần ra mắt là việc sử dụng vật liệu hoàn toàn mới. Thay vì chủ động làm mát toàn bộ phi thuyền bằng chất làm mát tiêu hao một lần, Kính viễn vọng James Webb sử dụng một công nghệ hoàn toàn mới, một tấm kính che nắng 5 lớp sẽ được triển khai để phản xạ bức xạ mặt trời từ kính thiên văn. Năm tấm dài 25 mét sẽ được kết nối với các thanh titan và được lắp đặt sau khi kính thiên văn được triển khai. Bảo vệ đã được thử nghiệm vào năm 2008 và 2009. Các mô hình quy mô đầy đủ đã tham gia vào các cuộc thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã làm mọi thứ mà chúng được cho là phải làm ở đây trên Trái đất. Đây là một sự đổi mới tuyệt vời.
Đó cũng là một khái niệm đáng kinh ngạc: không chỉ để chặn ánh sáng từ Mặt trời và đặt kính thiên văn trong bóng tối, mà còn làm theo cách sao cho tất cả nhiệt được tỏa ra theo hướng ngược lại với hướng của kính thiên văn. Mỗi lớp trong số năm lớp trong chân không không gian sẽ trở nên lạnh hơn khi nó di chuyển ra khỏi bên ngoài, sẽ ấm hơn một chút so với nhiệt độ.bề mặt Trái đất - khoảng 350-360 K. Nhiệt độ của lớp cuối cùng sẽ giảm xuống 37-40 K, lạnh hơn so với ban đêm trên bề mặt Sao Diêm Vương.
Ngoài ra, các biện pháp phòng ngừa đáng kể đã được thực hiện để bảo vệ khỏi môi trường khắc nghiệt của không gian sâu. Một trong những điều đáng lo ngại ở đây là những viên sỏi nhỏ bằng hạt cuội, hạt cát, hạt bụi và thậm chí những viên nhỏ hơn bay qua không gian liên hành tinh với tốc độ hàng chục, thậm chí hàng trăm nghìn km / h. Những vật thể siêu nhỏ này có khả năng tạo ra những lỗ cực nhỏ trên mọi thứ mà chúng gặp phải: tàu vũ trụ, bộ quần áo phi hành gia, gương kính viễn vọng và hơn thế nữa. Nếu gương chỉ bị lõm hoặc lỗ, làm giảm một chút lượng "ánh sáng tốt" có sẵn, thì tấm chắn mặt trời có thể bị rách từ mép này sang mép khác, khiến toàn bộ lớp trở nên vô dụng. Một ý tưởng tuyệt vời đã được sử dụng để chống lại hiện tượng này.
Toàn bộ tấm chắn mặt trời đã được chia thành nhiều phần theo cách mà nếu có một khe hở nhỏ ở một, hai hoặc thậm chí ba trong số chúng, lớp sẽ không bị rách thêm, giống như vết nứt trên kính chắn gió của xe ô tô. Phân vùng sẽ giữ cho toàn bộ cấu trúc nguyên vẹn, điều quan trọng là ngăn chặn sự xuống cấp.
Tàu vũ trụ: hệ thống lắp ráp và điều khiển
Đây là thành phần phổ biến nhất, như tất cả các kính viễn vọng không gian và sứ mệnh khoa học đều có. Tại JWST, nó là duy nhất, nhưng cũng hoàn toàn sẵn sàng. Tất cả những gì còn lại cho tổng thầu của dự án, Northrop Grumman, là hoàn thiện tấm chắn, lắp ráp kính thiên văn và thử nghiệm nó. Máy sẽ sẵn sàng chora mắt sau 2 năm.
10 năm khám phá
Nếu mọi thứ đi đúng hướng, nhân loại sẽ đứng trước ngưỡng cửa của những khám phá khoa học vĩ đại. Màn che của khí trung tính cho đến nay đã che khuất tầm nhìn của các ngôi sao và thiên hà sớm nhất sẽ bị loại bỏ bởi khả năng hồng ngoại của Webb và độ sáng khổng lồ của nó. Nó sẽ là kính thiên văn lớn nhất, nhạy nhất từng được chế tạo, với dải bước sóng khổng lồ từ 0,6 đến 28 micron (mắt người nhìn thấy từ 0,4 đến 0,7 micron). Nó dự kiến sẽ cung cấp một thập kỷ quan sát.
Theo NASA, vòng đời của sứ mệnh Webb sẽ từ 5,5 đến 10 năm. Nó bị giới hạn bởi lượng thuốc phóng cần thiết để duy trì quỹ đạo và tuổi thọ của thiết bị điện tử trong môi trường khắc nghiệt của không gian. Kính viễn vọng quỹ đạo James Webb sẽ mang nhiên liệu trong toàn bộ thời gian 10 năm và 6 tháng sau khi phóng, thử nghiệm hỗ trợ bay sẽ được thực hiện, đảm bảo 5 năm hoạt động khoa học.
Điều gì có thể xảy ra?
Yếu tố hạn chế chính là lượng nhiên liệu trên tàu. Khi nó kết thúc, vệ tinh sẽ trôi khỏi điểm Lagrange L2, đi vào quỹ đạo hỗn loạn ở vùng lân cận của Trái đất.
Đi kèm với điều này, những rắc rối khác có thể xảy ra:
- sự xuống cấp của gương, sẽ ảnh hưởng đến lượng ánh sáng được thu thập và tạo ra các hiện vật hình ảnh, nhưng sẽ không làm hỏng hoạt động tiếp theo của kính thiên văn;
- hỏng một phần hoặc toàn bộ màn hình năng lượng mặt trời, điều này sẽ dẫn đến tăngnhiệt độ tàu vũ trụ và thu hẹp phạm vi bước sóng có thể sử dụng thành tia hồng ngoại rất gần (2-3 µm);
- Lỗi hệ thống làm mát thiết bị Mid-IR, khiến nó không thể sử dụng được nhưng không ảnh hưởng đến các thiết bị khác (0,6 đến 6 µm).
Thử nghiệm khó khăn nhất đang chờ kính thiên văn James Webb là phóng và đưa vào quỹ đạo nhất định. Những tình huống này đã được thử nghiệm và hoàn thành thành công.
Cuộc cách mạng trong khoa học
Nếu Kính viễn vọng James Webb hoạt động, sẽ có đủ nhiên liệu để cung cấp năng lượng cho nó từ năm 2018 đến năm 2028. Ngoài ra, có tiềm năng tiếp nhiên liệu, có thể kéo dài tuổi thọ của kính thiên văn thêm một thập kỷ nữa. Cũng như Hubble đã hoạt động được 25 năm, JWST có thể cung cấp một thế hệ khoa học mang tính cách mạng. Vào tháng 10 năm 2018, phương tiện phóng Ariane 5 sẽ phóng lên quỹ đạo tương lai của ngành thiên văn học, sau hơn 10 năm làm việc chăm chỉ, nó đã sẵn sàng để bắt đầu đơm hoa kết trái. Tương lai của kính viễn vọng không gian gần như ở đây.
