Pirmās gaismas meklējumos: Veba kosmiskais teleskops

Pirmās gaismas meklējumos: Veba kosmiskais teleskops

Protams, ar cilvēka īsā mūža mērauklu mērot, gadu miljoni, kas ir nepieciešami šīm pārmaiņām, šķiet neaptverami liels laika posms, bet, rēķinoties ar ierobežoto gaismas izplatīšanās ātrumu, skatīties tālumā nozīmē skatīties arī pagātnē. Viena no svarīgākajām lielo teleskopu sniegtajām iespējām ir redzēt kosmosa attīstību gadu miljardu gaitā. Tādējādi, salīdzinot norises tepat, netālu, savā pagalmā, un tālumā, var atklāt un izprast kopējās kosmosa attīstības likumsakarības. Astronomiem arvien neliek miera jautājums par to, kā viss ir sācies.

Ieraudzīt pagātni

Ar neapbruņotu aci rudens debesīs raugoties, ikkatrs no mums var ieskatīties 2,5 miljonu gadu tālā pagātnē, skatoties uz miglainu plankumiņu – Andromedas miglāju, kas izmēros ir par mūsu Piena Ceļa galaktiku lielāka zvaigžņu sistēma ar triljonu zvaigžņu. Astronomi, vēlēdamies ieskatīties pēc iespējas tālākā pagātnē, vairākkārt ir likuši Habla teleskopam dienām ilgi skatīties nosacīti tukšā debess apgabalā, un senākie notikumi, kurus tas ir spējis aizsniegt, ir 13,2 miljardi gadu – laiks, kad Visums bija nieka 0,5 miljardus gadu vecs. Lai spētu savākt gaismu no tik tāliem un vājiem avotiem, bija nepieciešama 2 miljonu sekunžu (~23 dienas) ilga ekspozīcija. Rezultātā nieka 2,3’ × 2’ debess apgabalā (tik lielu apgabalu redzam, skatoties debesīs caur kokteiļa salmiņu) tika savākts 5,5 tūkstošu tālu galaktiku attēlu. Tālākās no galaktikām Hubble eXtreme Deep Field (angļu val. ‘Habla ekstremāli dziļais lauks’) attēlā ir redzamas kā mazi, sarkani punktiņi, un tā tad arī ir šā in strumenta redzības galējā robeža. 

Lai redzētu vēl tālāk un ieraudzītu pirmo gaismu, kura parādījās Visumā aptuveni 200 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena, ir nepieciešams ne vien instruments, kurš spēj savākt vairāk gaismas, 

Rēķinoties ar ierobežoto gaismas izplatīšanās ātrumu, skatīties tālumā nozīmē skatīties arī pagātnē

bet arī instruments, kurš redz sarkanāku gaismu – viens no Visuma izplešanās efektiem ir tas, ka no tālajiem objektiem nākoša gaisma izstiepjas, resp., jo objekts atrodas tālāk, jo sarkanāks tas izskatās. Šo efektu sauc par sarkano nobīdi, un tas ir viens no attāluma noteikšanas veidiem tālajā kosmosā: tāla objekta izstaroto gaismu sadala sastāvdaļās – spektrā, zināmu elementu pirkstu nospiedumu (absorbcijas līniju) atrašanās vietu salīdzina ar to normālo atrašanās vietu un uzzina, ar kādu ātrumu novērotais objekts no mums attālinās, resp., cik tālu tas atrodas. Tātad – vissenāko norišu pētīšanai vajag liela izmēra teleskopu, kurš darbojas infrasarkanajā gaismas diapazonā. 

Galvenais Džeimsa Veba teleskopa spogulis sastāv no 18 sešstūrainiem, no berilija veidotiem un ar zeltu pārklātiem spo guļiem

Infrasarkano staru astronomija interesē ne tikai pirmās gaismas medniekus – tas ir piemērotākais gaismas viļņu garums arī zvaigžņu un planētu rašanās pētniekiem: pirmkārt, kosmiskie miglāji, kuros dzimst zvaigznes, raugoties garāka viļņa garuma gaismā, kļūst caurspīdīgi; otrkārt, tāpēc, ka planētām ir krietni zemāka virsmas temperatūra – tur, kur, redzamās gaismas diapazonā raugoties, redz tikai putekļu mākoni, infrasarkanajā gaismā ir iespējams saskatīt jaunas zvaigznes aizmetņus, bet ap kādu zvaigzni rotējošā putekļu mākonī – veidojošās planētas. Tādējādi arī zvaigžņu un planētu rašanās pētniekus ļoti interesē novērojumi ar infrasarkano staru teleskopu. 

Vēl viens pētījumu lauks ir ekso planētu pētījumi: ar pietiekami augstas izšķirtspējas instrumentu ir iespējams noteikt tālo planētu atmosfēras ķīmisko sastāvu, kurš, savukārt, var liecināt par dzīvības eksistenci. Vēl nesen zinātnieku prātus nodarbināja jautājums par to, vai arī ap citām zvaigznēm eksistē planētu sistēmas, bet, šodienas acīm raugoties, galvenais viedoklis ir tāds, ka zvaigzne bez planētu sistēmas drīzāk būtu uzskatāma par retu izņēmumu. Daļa no Veba teleskopa novērojumu objektiem būs ar Keplera teleskopu atklātās planētu sistēmas. 

Līdzīgi ir mainījušies uzskati par vairāku zvaigžņu sistēmu sastopamības biežumu: izrādās, ka dubultas un vairākkārtīgas zvaigžņu sistēmas ir sastopamas daudz biežāk, nekā tika uzskatīts pavisam netālā pagātnē. 

Lielu devumu no infrasarkanā kosmiskā teleskopa gaida arī Saules sistēmas pētnieki – šāds instruments ļaus pētīt tālos un mazos Saules sistēmas objektus, kuri ir vislabāk saglabājuši liecības no tās izveidošanās laikiem. 

Tātad instrumenta zinātniskie uzdevumi ir šādi: pirmās gaismas un pirmo galaktiku veidošanās, zvaigžņu un planētu sistēmu veidošanās, eksoplanētu atmosfēras sastāva un līdz šim neaizsniedzamo Saules sistēmas objektu un norišu izpēte. Kā gan to visu īstenot?

Nē, tas nav viegli: dizaina izaicinājumi

Vispirms – izmērs: izgatavot pietiekami liela izmēra viengabala spoguli un nogādāt to kosmosā ir gandrīz neiespējami šāda spoguļa masas un ierobežoto nesējraķetes kravas telpas izmēru dēļ. Lielāks diametrs ir nepieciešams arī novērojumu veikšanai gaismas infrasarkanajā diapazonā: lai sasniegtu to pašu attēla izšķirtspēju, pastāvot lielākam novērojumu viļņa garumam, difrakcijas dēļ ir nepieciešams lielāka izmēra spogulis. Risinājums: galvenais Džeimsa Veba (James Webb) teleskopa spogulis sastāv no 18 sešstūrainiem, no berilija veidotiem un ar zeltu pārklātiem spoguļiem, kuri kopā veido vienotu optisko sistēmu 6,5 metru diametrā. Spoguļi ir pārklāti ar zeltu nevis skaistumam, bet gan tāpēc, ka interesējošajā viļņu garumā zeltam ir vislabākās atstarojošās īpašības. Savukārt berilijs ir izvēlēts tā fizikālo īpašību dēļ – viegls, izturīgs un temperatūras ietekmē ļoti maz maina formu.

Lai teleskopu varētu ievietot nesējraķetes Ariane 5 kravas nodalījumā, spoguļa malējie sektori ir nolokāmi un darba konfigurācijā tiek salikti jau pēc ierīces nogādāšanas kosmosā. Līdzīgi arī citi ierīces komponenti – sekundārais spogulis, saules sargi un baterijas – ir projektēti tā, lai būtu saliekami pēc iespējas mazākā telpā un izvēršami jau pēc ierīces nogādāšanas kosmosā.

Otrkārt, novietojums: teleskops un tā instrumenti ir projektēti novērojumu veikšanai 0,6 μm (mikrometrs) līdz 28,5 μm viļņu garumā, kas ir no redzamās oranžas gaismas līdz vidēji infrasarkanai, ko mēs sajūtam kā siltumu. Lai ierīces sensori spētu reģistrēt šādu starojumu, tiem ir jādarbojas ļoti zemā temperatūrā – teleskopu ir nepieciešams paslēpt gan no Saules, gan no pašas Zemes infrasarkanā starojuma, tāpēc to nav iespējams novietot orbītā ap Zemi kā Habla teleskopu. Veba teleskops tiks novietots orbītā ap vienu no Zemes un Saules sistēmas gravitācijas līdzsvara (t. s. Lagranža) punktiem – L2, kas ir 1,5 miljonu kilometru no Zemes Saulei pretējā virzienā. Tādējādi novērojumus traucējošie siltuma starojuma avoti Saule un Zeme vienmēr atradīsies teleskopa vienā pusē un tiks aizslēpti aiz piecām siltumu atstarojošas folijas saulessarga kārtām: ierīces siltajā pusē, kur ir izvietotas saules baterijas, sakaru antenas un datori, temperatūra būs ap 85 Celsija grādiem, turpretim milzu saulessargu ēnā – stindzinoši −233 Celsija grādi, kas ir nepieciešami sensoru darbībai. Viens no instrumentiem – MIRI (MidInfrared Instrument ‘vidēji infrasarkanais instruments’) – tiks vēl papildus dzesēts līdz nieka 7 grādiem virs absolūtās nulles. 

Punkts L2 reizē ar Zemi orbitē ap Sauli, un šāda orbīta nav stabila – teleskopam tās uzturēšanai būs regulāri jāveic korekcijas ar dzinējiem, kas, savukārt, ierobežo instrumenta darbības laiku: kad beidzas degviela, zūd kontrole pār instrumentu un misija ir galā. Plānotais misijas ilgums – pieci gadi, projektētās degvielas rezerves, tātad maksimālais misijas ilgums – 10 gadu.

Lielais attālums un pati teleskopa konstrukcija izslēdz iespēju nosūtīt apkalpojošās misijas (kā tas vairākkārt ir darīts ar Habla teleskopu). Šā iemesla dēļ ierīču testi laboratorijās uz Zemes tiek veikti ar īpašu rūpību un aizņem tik daudz laika – ja tiks pieļauta kāda kļūda vai ierīce neizturēs slodzi, raķetei startējot, labot to vairs nebūs iespējams.

Šobrīd, pateicoties ASV, Kanādas un Eiropas kosmosa aģentūru ilgu gadu kopdarbam, Veba teleskops un tā zinātniskie instrumenti jau ir gatavi, turpinās ierīču optiskie un izturības testi. Kosmosā teleskops tiks nosūtīts 2018. gada oktobrī ar Eiropas nesējraķeti Ariane 5. Tad sekos divu nedēļu ilgs ceļš līdz paredzētajai darba vietai, tā laikā tiks veikta 20 × 14 metru lielā saulessarga izplešana un ierīču izvietošana darba konfigurācijā.

Pirmie zinātniskie pētījumi tiks uzsākti sešus mēnešus pēc starta, kad ierīce būs atdzisusi līdz darba temperatūrai un pabeigta optikas un instrumentu kalibrēšana. Tātad jau pēc pusotra gada mēs ieraudzīsim vissenāko gaismu Visumā!

Saistītie raksti


Kontakti

Saziņai:
23300113
Adrese:
Daugavas iela 38-3, Mārupe, LV-2167
Ikmēneša labāko ziņu apkopojums e-pastā:
Seko!