Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 41 – vyšlo 22. prosince, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

41/2017

Dalekohled Jamese Webba konečně na obzoru

Rudolf Mentzl

Když poprvé přinesl Aldebaran bulletin zprávu o chystaném Webbově vesmírném dalekohledu (viz AB 19/2003), mluvil o blízké budoucnosti. To bylo naprosto korektní, start dalekohledu byl plánován na přelom roku 2010/2011. Od té doby uplynulo bezmála patnáct let a zdá se, že si budeme muset ještě chvilku počkat. Snad už ale opravdu jenom chvilku. O dalekohledu Jamese Webba (dále JWST – James Webb Space Telescope) se mluví jako o nástupci Hubblova dalekohledu (dále HST – Hubble Space Telescope). Záleží na úhlu pohledu, zda s výrokem budeme souhlasit. V obou případech se jedná o zrcadlové dalekohledy se stejným základním principem získávání obrazu, ale zatímco HST zkoumá vesmír ve viditelném oboru spektra, JWST se bude věnovat blízkému infračervenému pásmu.

Logo projektu JWST. Zdroj: NASA/ESA/CSA.

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 přesnému určení Hubbleovy 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) – 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. Aktivní optika – způsob korekce nízkofrekvenčních (0,03 Hz a nižších) deformací primárního zrcadla. Poprvé byl systém aktivní optiky vyvinut a použit pro dalekohled NTT (New Technology Telescope) o průměru 3,5 metru, který patří ESO a je umístěn na hoře La Silla. Aktivní optika by měla eliminovat především tyto jevy: stálé výrobní vady, tepelné deformace způsobené teplotním gradientem, kompenzace vlastního průhybu zrcadla způsobeného gravitací, kompenzace nízkofrekvenční složky deformace zrcadla způsobené větrem a změny způsobené přechodem mezi Nasmythovým a Cassegrainovým ohniskem. Adaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí. Kapton – 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.

Co je JWST?

Při schvalování rozpočtu na vývoj JWSTJWST (James Webb Space Telescope) – 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. začínalo být jasné, že vesmírný dalekohled pracující ve viditelném oboru je přepych. V době příprav HSTHST (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 přesnému určení Hubbleovy 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. teprve začínaly první pokusy s aktivní optikouAktivní optika – způsob korekce nízkofrekvenčních (0,03 Hz a nižších) deformací primárního zrcadla. Poprvé byl systém aktivní optiky vyvinut a použit pro dalekohled NTT (New Technology Telescope) o průměru 3,5 metru, který patří ESO a je umístěn na hoře La Silla. Aktivní optika by měla eliminovat především tyto jevy: stálé výrobní vady, tepelné deformace způsobené teplotním gradientem, kompenzace vlastního průhybu zrcadla způsobeného gravitací, kompenzace nízkofrekvenční složky deformace zrcadla způsobené větrem a změny způsobené přechodem mezi Nasmythovým a Cassegrainovým ohniskem. a nikdo nemohl tušit, jak dokonalý obraz vesmíru nám přinese dnešní adaptivní optikaAdaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí. obřích pozemních dalekohledů. Naproti tomu, s neprůhledností atmosféry v infračerveném pásmu žádná optika nic nenadělá, a tak musíme s dalekohledy do vesmíru. Pak jsou tu ještě kvantitativní rozdíly. Průměr primárního zrcadla HST je „pouhých“ 2,4 m, JWST má zrcadlo segmentové s ekvivalentním průměrem 6,5 m. HST obíhá naši Zemi ve vzdálenosti 640 km, s JWST budeme muset letět dále, až do Lagrangeova bodu L2Lagrangeovy 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. soustavy Země-Slunce, tedy do vzdálenosti 1,5 milionu kilometrů. Umístění JWST v Lagrangeově bodě má své výhody i nevýhody. Odpadá většina rušení od Země a není třeba řešit pnutí materiálu a následné vibrace při vstupu do zemského stínu. Na druhou stranu jsou vyloučené jakékoli servisní mise. Hubblův dalekohled může na oběžné dráze pracovat již více než čtvrt století právě jen díky servisním misím. I ty začínají být ve vzdálenosti pouhých 640 km neúnosně drahé. Počítat s aktivní účastí servisního týmu ve vzdálenosti čtyřikrát větší než se nachází Měsíc, by bylo pošetilé. JWST, jakožto dalekohled pro infračervený obor, by měl mít ohnisko chlazené kapalným héliem a bez servisních misí je zásobou hélia limitována životnost dalekohledu se všemi jeho schopnostmi.

Odkládání startu, o kterém jsme psali na začátku článku, bylo převážně administrativní. U projektu překlenujícího více než jedno volební období se musí počítat s různými odklady, dokonce i s finanční smrtí a v lepším případě, jako je naštěstí tento, se vzkříšením a pomalým rozmrazováním. Dnes však chceme psát o odkladech v posledním roce, které jsou technického rázu. Zde se není čemu divit, nic se nesmí ponechat náhodě, přezkoušeno musí být i to nemyslitelné. Nemůžeme si dovolit špatně vybrousit primární zrcadlo, jako tomu bylo u HST. Vše musí jít na první dobrou, jiná možnost není. I tak, pokud vše dobře dopadne, plánuje se životnost přístroje jen na 5 až 10 let.

Umělecká představa plně rozloženého dalekohledu. Zdroj: NASA/ESA/CSA.

Co se odehrálo v posledním roce

Vibrační a akustické testy

Příprava dalekohledu jde do finále, všechny součásti jsou již prakticky hotovy, nyní nastal čas zkoušek. Start rakety je pro zrcadlo i další součásti kritický. Vše se chvěje, motory burácí, přístroje pro pozemní využití by takové podmínky většinou nevydržely; může se stát cokoli, od uvolnění součástky až po puknutí zrcadla. To vše je tedy třeba vyzkoušet ještě před startem. Při jedné ze zkoušek bylo zrcadlo umístěno do speciální komory, obloženo desítkami akcelerometrů a byly spuštěny vibrace všech možných módů. Při testování hlubokých frekvencí, téměř na hranici slyšitelnosti, vyhlašuje několik senzorů poplach, během zlomku sekundy je test přerušen. Tentokrát se ukázalo, že jde naštěstí o falešný poplach. Nicméně jev je třeba vysvětlit, to potrvá dva měsíce. První zdržení je na světě. Následují akustické zkoušky, i hluk by mohl něco poškodit.

Vakuové a kryogenní zkoušky

Jak již bylo předesláno, JWST bude zkoumat vesmír v infračerveném oboru, česky v pásmu tepelných paprsků. Je zřejmé, že taková aparatura bude citlivá na tepelný šum, dalekohled bude třeba dobře odstínit od slunečního záření a některé části intenzivně chladit. Dost příležitostí je proto pro tepelné šoky. Neublíží pnutí materiálu? Zrcadlo navíc není jednolité, je složeno z šestatřiceti segmentů, které je třeba sesadit a udržovat v přesné vzájemné poloze. To vše je třeba před startem otestovat. Jsou tu vakuové kryogenní zkoušky, tentokrát na devadesát dnů. První týden je věnován postupnému odčerpání vzduchu, následuje třicetidenní snižování teploty a dalších třicet dnů dalekohled musí v těchto podmínkách setrvat. Zbytek času padne na opětovné zahřátí a dehermetizaci.

Můžeme mluvit o štěstí, že se tyto zkoušky neprotáhly, protože v těchto dnech zuřil nad Texasem hurikán Harvey, kdy získávaly vrch mnohem prozaičtější starosti. Přesto se vše podařilo dle plánu. Především bylo prokázáno, že lze jednotlivé segmenty zrcadla sestavit tak, aby se chovaly jako monolitické zrcadlo.

Kryogenní komora budí úctu už svou velikostí. Zdroj: NASA/ESA/CSA.

Zkoušky slunečního štítu

Odstínění dalekohledu od slunečního záření je sám o sobě malý technický zázrak. Mluvíme tu o kaptonovéKapton – 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. fólii o ploše 74 m², která bude na palubě kosmické lodi 12x složená a ve vesmíru se musí rozvinout do rozměrů 4,57x16,19 m. Stínění dalekohledu zabezpečí pět vrstev fólie. Nejvrchnější je silná 0,05 mm, čtyři zbývající mají tloušťku poloviční. Každá vrstva je oboustranně pokryta odrazivou hliníkovou vrstvou o tloušťce sto nanometrů, ta nejvrchnější navíc povlakem hliníku dotovaného křemíkem. Bezchybné rozložení takového monstra ve vesmíru, bez doteku lidské ruky samozřejmě vyžaduje další časově náročné zkoušky.

Pět vrstev sluneční clony. Zdroj: NASA/ESA/CSA.

Co nás ještě čeká

Zdálo by se, že už máme všechny zkoušky za sebou. To bohužel není pravda. Ještě nás čeká tzv. „Observatory-Level Testing“. Je třeba vyzkoušet, jak se zařízení chová jako celek a jak všechny součásti integrovat do kosmické lodi. Zdá se, že je tu další zádrhel, tato operace trvá déle, než se očekávalo, systém je příliš složitý. Je jen rozumné, že nikdo nechce u tak drahého přístroje riskovat jednodušší a méně spolehlivá řešení. Start JWST se odkládá na jaro až léto roku 2019. Do té doby se zatím NASA snaží zabavit netrpělivé fanoušky různými prezentacemi. Na stránkách NASA například najdete úvodní informace k projektu přeložené do dvaadvaceti jazyků. Nechybí ani čeština (přeložil Petr Kubala). A co je ten poslední jazyk, dothračtina? To je umělý jazyk vyvinutý na zakázku společnosti HBO pro fantasy seriál Hra o trůny…

Vizualizace startu rakety, putování do L2 a složení dalekohledu. Video je sice nezvykle
 dlouhé, ale rozhodně stojí za shlédnutí. Zdroj: Jonathan Arenberg. (mp4, 75 MB)

Odkazy