Wann wird das Webb-Teleskop starten? Die ersten Ziele des James Webb-Teleskops wurden bekannt gegeben

Abbildungs-Copyright NASA Bildbeschreibung Seit Oktober letzten Jahres werden die wissenschaftlichen Instrumente des Teleskops in der Vakuumkammer des Goddard Centers getestet.

Die Vorbereitungen für den Start des Nachfolgers des Hubble-Orbitalteleskops, des James Webb Space Observatory, sind in eine entscheidende Phase eingetreten.

NASA-Ingenieure schließen gerade die Montage des Hauptspiegels des neuen Teleskops ab. Der Start des neuen Teleskops ist nun für Oktober 2018 geplant.

Kryotests und die Kalibrierung der vier Hauptblöcke der wissenschaftlichen Ausrüstung des Teleskops werden ebenfalls abgeschlossen.

Das NASA-Projekt zum Start eines neuen Orbitalobservatoriums ist damit in die Endphase eingetreten, und es ist zu erwarten, dass die verbleibenden Vorstartphasen in den kommenden Monaten rasch abgeschlossen werden.

Der Start des Teleskops ist mit der europäischen Trägerrakete Ariane 5 geplant, die viele Konstruktionsmerkmale des Teleskops bestimmt, insbesondere die Tatsache, dass sein Hauptspiegel aus Segmenten besteht.

Das James Webb Orbital Telescope, benannt nach dem zweiten Chef der NASA, wird von der US Aerospace Agency, der European Space Agency und der Canadian Space Agency finanziert.

Abbildungs-Copyright NASA Bildbeschreibung Jedes Beryllium-Spiegelsegment ist festgeklebt

Die Hauptziele des neuen Teleskops bestehen darin, das Licht der ersten Sterne und Galaxien zu erfassen, die nach dem Urknall entstanden sind, sowie die Entstehung und Entwicklung von Galaxien, Sternen, Planetensystemen und den Ursprung des Lebens zu untersuchen. Webb wird auch darüber sprechen können, wann und wo die Reionisierung des Universums begann und was sie verursachte.

Das Teleskop wird es ermöglichen, relativ kalte Exoplaneten mit Oberflächentemperaturen von bis zu 300 K (was fast der Oberflächentemperatur der Erde entspricht) zu entdecken, die sich weiter als 12 Astronomische Einheiten (AE) von ihren Sternen entfernt und in einer Entfernung von 300 km befinden bis zu 15 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Zur Zone detaillierte Beobachtung Mehr als zwei Dutzend Sterne, die der Sonne am nächsten sind, werden einschlagen. Dank des neuen Teleskops wird ein echter Durchbruch in der Exoplanetologie erwartet – die Fähigkeiten des Teleskops werden nicht nur ausreichen, um nicht nur die Exoplaneten selbst, sondern sogar die Satelliten und Spektrallinien dieser Planeten zu erkennen, die für jede Erde ein unerreichbarer Indikator sein werden -basiertes und orbitales Teleskop bis Anfang der 2020er Jahre, als das European Extremely Large Telescope mit einem Spiegeldurchmesser von 39,3 m in Betrieb genommen wird.

Abbildungs-Copyright NASA Bildbeschreibung Die letzten beiden Segmente des Hauptspiegels warten auf den Einbau

Das Teleskop wird mindestens fünf Jahre lang in Betrieb sein.

In den letzten Wochen waren NASA-Ingenieure damit beschäftigt, Primärspiegelsegmente aus Beryllium auf die Tragstruktur des Spiegels zu kleben.

In den nächsten Tagen werden die letzten beiden Achtecksegmente an der gewünschten Befestigungsposition montiert.

Unterdessen werden im angrenzenden Raum des Goddard Center in Maryland, neben der Montagehalle, Kryo-Vakuum-Tests der wissenschaftlichen Ausrüstung des zukünftigen Teleskops abgeschlossen.

James Webb wird über die folgenden wissenschaftlichen Instrumente für die Weltraumforschung verfügen:

Nahinfrarotkamera;
Gerät zum Arbeiten im mittleren Bereich der Infrarotstrahlung (Mid-Infrared Instrument);
Nahinfrarot-Spektrograph;
Feinführungssensor/Nahinfrarot-Imager und spaltloser Spektrograph.

Seit Oktober letzten Jahres befinden sich diese Geräte in einer Vakuumkammer, deren Temperatur auf minus 233 Grad Celsius gesenkt wurde.

Abbildungs-Copyright NASA Bildbeschreibung Im Johnson Center laufen bereits Breadboard-Tests.

Es liegen bereits Daten zur Instrumentenkalibrierung vor, die für die Steuerung des Teleskops im Weltraum von großer Bedeutung sein werden.

Diese Tests halfen dabei, eine Reihe von Mängeln zu identifizieren und unzuverlässige Geräte und Teile zu ersetzen. Das Teleskop verfügt über 250.000 Abdeckungen und Verschlüsse, von denen einige den unangenehmen Nachteil haben, dass sie beim Start von der Erde unter dem Einfluss von Vibrationen im Vakuum „kleben bleiben“.

Bei den aktuellen Tests wurden die Vibrationen der Trägerrakete simuliert und die ausgetauschten Teile erwiesen sich als erhöhter Zuverlässigkeit.

Es müssen noch allgemeinere optische, Vibrations- und akustische Tests aller Teleskopsysteme durchgeführt werden.

Der Spiegel und die wissenschaftlichen Instrumente werden dann zum Johnson Center transportiert, wo sie in einer Kammer, die in den 1960er Jahren zu Testzwecken gebaut wurde, im kryogenen Vakuum getestet werden Raketentechnologie Projekt „Apollo“. Diese Tests werden in etwa einem Jahr beginnen.

Nach ihrer Fertigstellung wird am Teleskop ein Steuerungsmodul angebracht, in dem Bordcomputer und Kommunikationssysteme installiert werden.

Im letzten Schritt wird am Teleskop ein riesiger Sonnenschutz in der Größe eines Tennisplatzes installiert, der die optischen Systeme vor Sonneneinstrahlung schützt.

Bis Oktober 2018 wird es nicht mehr lange dauern.

Die NASA bestätigte heute Pläne für das James-Webb-Teleskopprojekt. Das Management sagte, dass sowohl das aktuelle Budget als auch die Startpläne des Weltraumteleskops für 2018 aktuell seien. Es ist erwähnenswert, dass die Agentur selbst dieses Teleskop als das nächste Hubble-Modell und nicht als dessen Ersatz betrachtet.

Die Fähigkeiten des Teleskops übertreffen die von Hubble deutlich. Der James Webb wird über einen Verbundspiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern (der Durchmesser des Hubble-Spiegels beträgt 2,4 Meter) mit einer Sammelfläche von 25 m² und einem Sonnenschutz von der Größe eines Tennisplatzes verfügen. Das Teleskop wird am Lagrange-Punkt L2 des Sonne-Erde-Systems platziert.

James Webb wird in die ferne Vergangenheit des Universums reisen können – für einen Zeitraum von 100 bis 250 Millionen Jahren nach dem Urknall. Mit anderen Worten: Das neue Teleskop wird viel weiter in die Tiefen des Weltraums blicken können als Hubble, das nicht weiter als 800 Millionen bis 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall „reisen“ kann. Darüber hinaus ist Webb nicht für sichtbares Licht „geschärft“; seine Spezialisierung ist das Infrarotspektrum. Allerdings kann James Webb auch Strahlung erkennen für das Auge sichtbar Person.

Simulation dessen, was das James-Webb-Teleskop „sieht“ und was Hubble am selben Punkt im Weltraum sieht

Schwierigkeiten bei der Projektumsetzung

Das Hauptproblem bei so großen Projekten wie James Webb und Hubble ist das Budget. Sowohl das erste als auch das zweite Projekt sprengten das Budget. Da jedoch ein erheblicher Teil des Budgets bereits ausgegeben ist, bleibt nichts anderes übrig, als die Pläne weiter umzusetzen.

Im Fall von Hubble wurde die Situation noch dadurch erschwert, dass der Spiegel zunächst falsch installiert wurde. Dies beeinträchtigte die Leistungsfähigkeit des Teleskops und es dauerte lange, bis der Fehler mithilfe einer externen Expedition, bei der Korrekturlinsen installiert wurden, behoben werden konnte.

Was James Webb betrifft, ist der Fehler hier unverzeihlich. Wie oben erwähnt, ist die Installation des neuen Teleskops am Lagrange-Punkt L2 geplant. Wenn etwas schief geht, müssen Sie das Projekt vergessen. Die Chancen auf eine erfolgreiche Umsetzung des Projekts sind jedoch durchaus groß.

Webb wird in das nahe und mittlere Infrarotspektrum blicken, unterstützt durch seine Position am L2-Punkt hinter dem Mond und Sonnenschilde, die das eindringende Licht von Sonne, Erde und Mond blockieren und sich positiv auf die Kühlung des Geräts auswirken. Wissenschaftler hoffen, die allerersten Sterne des Universums, die Entstehung und Kollision junger Galaxien und die Geburt von Sternen in protoplanetaren Systemen zu sehen, die möglicherweise die chemischen Bestandteile des Lebens enthalten.

Diese ersten Sterne könnten der Schlüssel zum Verständnis der Struktur des Universums sein. Theoretisch hängt der Ort und die Art und Weise ihrer Entstehung direkt mit den ersten Modellen der Dunklen Materie – einer unsichtbaren, mysteriösen Substanz, die durch ihren Gravitationseinfluss erkannt wird – und ihren Lebens- und Todeszyklen zusammen Rückmeldung, was die Entstehung der ersten Galaxien beeinflusste. Und da supermassereiche Sterne Mit kurzer Zeitraum Mit Leben, das etwa 30 bis 300 Mal so groß ist wie die Masse unserer Sonne (und Millionen Mal heller), wären diese ersten Sterne als Supernovae explodiert und dann kollabiert, um die Schwarzen Löcher zu bilden, die schließlich die Zentren der massereichsten Galaxien besetzten.

Dies alles zu sehen, ist sicherlich eine Meisterleistung für die Werkzeuge, die wir bisher hergestellt haben. Dank neuer Instrumente und Raumfahrzeuge werden wir noch mehr sehen können.

Besichtigung des James Webb-Weltraumteleskops

Webb sieht aus wie ein rautenförmiges Floß, ausgestattet mit einem dicken, gebogenen Mast und Segel – wenn es von riesigen, Beryllium fressenden Bienen gebaut worden wäre. Mit seinem unteren Teil zur Sonne gerichtet, besteht das „Floß“ von unten aus einem Schild – Schichten aus Kapton, die durch Schlitze getrennt sind. Jede Schicht ist zur effizienten Kühlung durch einen Vakuumspalt getrennt und schützt gemeinsam den Hauptreflektor und die Instrumente.

Kapton ist ein sehr dünner Polymerfilm (denken Sie an ein menschliches Haar) von DuPont, der in der Lage ist, unter Bedingungen extremer Hitze und Vibration stabile mechanische Eigenschaften beizubehalten. Wenn Sie möchten, können Sie auf einer Seite des Schildes Wasser kochen und auf der anderen Seite den Stickstoff in flüssiger Form halten. Außerdem lässt es sich recht gut zusammenklappen, was für den Start wichtig ist.

Der „Kiel“ des Schiffes besteht aus einer Struktur, die den Sonnenschutz während des Starts speichert, und aus Sonnenkollektoren, die das Fahrzeug mit Strom versorgen. In der Mitte befindet sich eine Box, die alle wichtigen Unterstützungsfunktionen enthält, die Webb antreiben, einschließlich Stromversorgung, Lagekontrolle, Kommunikation, Befehl, Datenverarbeitung und Temperaturkontrolle. Antenne schmückt Aussehen Box und sorgt dafür, dass alles in die richtige Richtung ausgerichtet ist. An einem Ende des Hitzeschildes, senkrecht dazu, befindet sich ein Drehmomenttrimmer, der den von Photonen auf das Gerät ausgeübten Druck ausgleicht.

Auf der Weltraumseite des Schildes befinden sich ein „Segel“, ein riesiger Webb-Spiegel, ein Teil der optischen Ausrüstung und eine Box mit Ausrüstung. Die 18 sechseckigen Berylliumabschnitte werden sich nach dem Start zu einem großen Primärspiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern entfalten.

Gegenüber diesem Spiegel, der von drei Stützen gehalten wird, befindet sich ein Sekundärspiegel, der das Licht vom Primärspiegel in das hintere optische Subsystem bündelt, einen keilförmigen Kasten, der aus der Mitte des Primärspiegels herausragt. Diese Struktur lenkt Streulicht ab und leitet das Licht vom Sekundärspiegel zu Instrumenten, die sich an der Rückseite des „Masts“ befinden, der auch die segmentierte Struktur des Primärspiegels unterstützt.

Sobald das Fahrzeug seine sechsmonatige Inbetriebnahmezeit abschließt, wird es fünf bis zehn Jahre, je nach Kraftstoffverbrauch vielleicht auch länger, in Betrieb sein, wird aber zu weit entfernt sein, um repariert zu werden. Tatsächlich ist Hubble in dieser Hinsicht eine Ausnahme. Aber wie Hubble und andere gemeinsame Observatorien wird Webbs Mission darin bestehen, mit im Wettbewerb ausgewählten Projekten von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt zusammenzuarbeiten. Die Ergebnisse fließen dann in die online verfügbare Forschung und Daten ein.

Werfen wir einen genaueren Blick auf die Tools, die all diese Forschung ermöglichen.

Instrumente: außer Sichtweite

Obwohl Webb etwas im visuellen Spektrum (rotes und goldenes Licht) sieht, ist es im Grunde ein großes Infrarotteleskop.

Seine wichtigste Wärmebildkamera ist eine Nahinfrarotkamera NIRCam, sieht im Bereich von 0,6–5,0 Mikrometer (nahes Infrarot). Es wird in der Lage sein, das Infrarotlicht seit der Geburt der allerersten Sterne und Galaxien zu erfassen und Untersuchungen von nahegelegenen Galaxien und lokalen Objekten durchzuführen, die durch den Kuipergürtel huschen – ausgedehnte Eiskörper, die sich jenseits der Umlaufbahn von Neptun drehen und in denen sich auch Pluto und andere befinden Andere Zwergenplaneten.

NIRCam ist außerdem mit einem Koronographen ausgestattet, der es der Kamera ermöglicht, den dünnen Halo um helle Sterne zu beobachten und ihr blendendes Licht zu blockieren – notwendiges Werkzeug Exoplaneten zu identifizieren.

Der Nahinfrarotspektrograph arbeitet im gleichen Wellenlängenbereich wie NIRCam. Wie andere Spektrographen analysiert es physikalische Eigenschaften Objekte wie Sterne teilen das von ihnen emittierte Licht in Spektren auf, deren Struktur je nach Temperatur, Masse und variiert chemische Zusammensetzung Objekt.

NIRSpec wird Tausende alter Galaxien untersuchen, deren Emissionen so schwach sind, dass ein einzelner Spektrograph dafür Hunderte von Stunden benötigen wird. Um diese gewaltige Aufgabe zu vereinfachen, ist der Spektrograph mit einer bemerkenswerten Vorrichtung ausgestattet: einem Gitter aus 62.000 einzelnen Jalousien, jede etwa 100 x 200 Mikrometer groß (die Breite einiger menschlicher Haare) und jede einzelne Jalousie blockierend geöffnet und geschlossen werden kann Licht mehr als helle Sterne. Mit diesem Array wird NIRSpec der erste Weltraumspektrograph sein, der Hunderte verschiedener Objekte gleichzeitig beobachten kann.

Feinführungssensor und ein spaltloser Spektrograph (FGS-NIRISS) sind im Wesentlichen zwei zusammengepackte Sensoren. NIRISS umfasst vier Modi, die jeweils einer anderen Wellenlänge zugeordnet sind. Diese reichen von der spaltlosen Spektroskopie, bei der mithilfe eines Prismas und eines Gitters namens Grism ein Spektrum erzeugt wird, die zusammen Interferenzmuster erzeugen, die exoplanetares Licht vor dem Hintergrundlicht des Sterns sichtbar machen können.

FGS ist eine empfindliche und blinzelfreie Kamera, die Navigationsbilder aufnimmt und diese an Lagekontrollsysteme überträgt, die das Teleskop in die richtige Richtung richten.

Webbs neuestes Instrument erweitert seinen Bereich vom nahen Infrarot- auf das mittlere Infrarotspektrum, was für die Beobachtung rotverschobener Objekte sowie von Planeten, Kometen, Asteroiden, sonnenerhitztem Staub und protoplanetaren Scheiben nützlich ist. Dieses Instrument ist sowohl eine Kamera als auch ein Spektrograph MIRI deckt den größten Wellenlängenbereich ab, 5–28 Mikrometer. Seine Breitbandkamera wird dazu in der Lage sein mehr Typen Bilder, für die wir Hubble lieben.

Darüber hinaus haben Infrarotbeobachtungen wichtige Auswirkungen auf das Verständnis des Universums. Staub und Gas können sichtbares Licht von Sternen in einer Sternentstehungsstätte blockieren, Infrarotlicht jedoch nicht. Wenn sich das Universum außerdem ausdehnt und Galaxien auseinanderdriften, wird ihr Licht „gedehnt“ und rotverschoben und bewegt sich in das langwellige Spektrum elektromagnetischer Wellen wie Infrarot. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich und desto wichtiger wird ihre Rotverschiebung – das ist der Wert des Webb-Teleskops.

Das Infrarotspektrum kann auch eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre von Exoplaneten liefern und darüber, ob diese molekulare Komponenten enthalten, die mit Leben in Verbindung stehen. Auf der Erde bezeichnen wir Wasserdampf, Methan und Kohlendioxid als „Treibhausgase“, weil sie Wärme absorbieren. Da dieser Trend überall zutrifft, können Wissenschaftler Webb nutzen, um bekannte Substanzen in der Atmosphäre ferner Welten aufzuspüren, indem sie deren Absorptionsmuster mithilfe von Spektrographen beobachten.

Hauptauftragnehmer Northrop Grumman
Ball Luft- und Raumfahrt Wellenbereich 0,6–28 µm (sichtbare und infrarote Teile) Standort Lagrange-Punkt L 2 des Sonnen-Erde-Systems (1,5 Millionen km von der Erde entfernt in entgegengesetzter Richtung zur Sonne) Orbit-Typ Halo-Umlaufbahn Erscheinungsdatum 30. März 2021 Startort Kuru Orbit-Trägerrakete Ariane-5 oder Ariane-6 Dauer 5-10 Jahre Deorbit-Datum um 2024 Gewicht 6,2 Tonnen Teleskoptyp Spiegelteleskop des Korsch-Systems Durchmesser ca. 6,5 m Sammelbereich
Oberflächen ca. 25 m² Brennweite 131,4 m Wissenschaftliche Instrumente

MIRI

Mittelinfrarotgerät

NIRCam

Nahinfrarotkamera

NIRSpec

Nahinfrarot-Spektrograph

FGS/NIRISS

Präzisionszielsensor mit Nahinfrarot-Imager und spaltlosem Spektrographen Webseite www.jwst.nasa.gov Mediendateien auf Wikimedia Commons

Ursprünglich als Next Generation Space Telescope bezeichnet. Weltraumteleskop der nächsten Generation, NGST). Im Jahr 2002 wurde es zu Ehren des zweiten Direktors der NASA, James Webb (1906-1992), umbenannt, der die Agentur von 1961 bis 1968 während des Apollo-Programms leitete.

Der James Webb wird über einen Verbundspiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern und einer Sammelfläche von 25 m² verfügen, der durch einen Hitzeschild vor der Infrarotstrahlung von Sonne und Erde geschützt ist. Das Teleskop wird in einer Halo-Umlaufbahn am Lagrange-Punkt L 2 des Sonne-Erde-Systems platziert.

Das Projekt ist das Ergebnis internationale Kooperation 17 Länder, angeführt von der NASA, mit erheblichen Beiträgen der europäischen und kanadischen Raumfahrtagenturen.

Aktuelle Pläne sehen einen Start des Teleskops mit einer Ariane-5-Rakete im März 2021 vor. In diesem Fall das erste Wissenschaftliche Forschung beginnt im Herbst 2021. Das Teleskop wird mindestens fünf Jahre lang in Betrieb sein.

Aufgaben

Astrophysik

Die Hauptziele des JWST sind: die Entdeckung des Lichts der ersten Sterne und Galaxien, die nach dem Urknall entstanden sind, die Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien, Sternen, Planetensystemen und der Entstehung des Lebens. Webb wird auch darüber sprechen können, wann und wo die Reionisierung des Universums begann und was sie verursachte.

Exoplanetologie

Das Teleskop wird es ermöglichen, relativ kalte Exoplaneten mit einer Oberflächentemperatur von bis zu 300 K (was fast der Temperatur der Erdoberfläche entspricht) zu entdecken, die sich weiter als 12 AE befinden. das heißt, von ihren Sternen entfernt und bis zu 15 Lichtjahre von der Erde entfernt. Mehr als zwei Dutzend sonnennächste Sterne werden in die detaillierte Beobachtungszone fallen. Dank JWST wird ein echter Durchbruch in der Exoplanetologie erwartet – die Fähigkeiten des Teleskops werden nicht nur ausreichen, um nicht nur die Exoplaneten selbst, sondern sogar die Satelliten und Spektrallinien dieser Planeten zu erkennen (was für jeden bodengestützten Indikator ein unerreichbarer Indikator sein wird). oder Weltraumteleskop bis 2025, wenn das European Extremely Large Telescope mit einem Spiegeldurchmesser von 39,3 m vorgestellt wird. Für die Suche nach Exoplaneten werden auch Daten genutzt, die das Kepler-Teleskop seit 2009 gewonnen hat. Allerdings werden die Fähigkeiten des Teleskops nicht ausreichen, um Bilder der gefundenen Exoplaneten zu erhalten. Diese Gelegenheit wird sich erst Mitte der 2030er Jahre bieten, wenn das Nachfolgeteleskop des James Webb, ATLAST, auf den Markt kommt.

Wasserwelten des Sonnensystems

Für die Untersuchung werden die Infrarotinstrumente des Teleskops verwendet Wasserwelten Sonnensystem- Jupitermond Europa und Saturnmond Enceladus. Mit dem NIRSpec-Instrument wird in den Geysiren beider Satelliten nach Biosignaturen (Methan, Methanol, Ethan) gesucht.

Das NIRCam-Instrument wird in der Lage sein, Bilder von Europa zu erhalten hohe Auflösung, mit dem seine Oberfläche untersucht und nach Regionen mit Geysiren und hoher geologischer Aktivität gesucht werden soll. Die Zusammensetzung der entdeckten Geysire wird mit NIRSpec- und MIRI-Instrumenten analysiert. Die aus diesen Studien gewonnenen Daten werden auch bei der Erkundung Europas durch die Sonde Europa Clipper verwendet.

Für Enceladus wird es aufgrund seiner Abgelegenheit und geringen Größe nicht möglich sein, hochauflösende Bilder zu erhalten, aber die Fähigkeiten des Teleskops werden es uns ermöglichen, die molekulare Zusammensetzung seiner Geysire zu analysieren.

Geschichte

Änderung des geplanten Startdatums und Budgets

Jahr	Geplant Erscheinungsdatum	Geplant Budget (Milliarde Dollar)
1997	2007	0,5
1998	2007	1
1999	2007-2008	1
2000	2009	1,8
2002	2010	2,5
2003	2011	2,5
2005	2013	3
2006	2014	4,5
2008	2014	5,1
2010	frühestens im September 2015	≥6,5
2011	2018	8,7
2013	2018	8,8
2017	Frühjahr 2019	8,8
2018	frühestens im März 2020	≥8,8
2018	30. März 2021	9,66

Ursprünglich war der Start für 2007 geplant, wurde jedoch später mehrfach verschoben (siehe Tabelle). Das erste Spiegelsegment wurde erst Ende 2015 am Teleskop installiert, und der gesamte zusammengesetzte Hauptspiegel wurde erst im Februar 2016 zusammengebaut. Ab Frühjahr 2018 wurde der geplante Starttermin auf den 30. März 2021 verschoben.

Finanzierung

Auch die Kosten des Projekts sind mehrfach gestiegen. Im Juni 2011 wurde bekannt, dass die Kosten für das Teleskop mindestens viermal höher waren als ursprünglich geschätzt. Der im Juli 2011 vom Kongress vorgeschlagene Haushalt der NASA sah aufgrund von Missmanagement und Programmüberschreitungen ein Ende der Finanzierung des Teleskops vor, doch der Haushalt wurde im September desselben Jahres überarbeitet und das Projekt blieb finanziert. Die endgültige Entscheidung über die Fortsetzung der Förderung fiel am 1. November 2011 durch den Senat.

Im Jahr 2013 wurden 626,7 Millionen US-Dollar für den Bau des Teleskops bereitgestellt.

Bis zum Frühjahr 2018 waren die Kosten des Projekts auf 9,66 Milliarden US-Dollar gestiegen.

Herstellung des optischen Systems

Probleme

Die Empfindlichkeit eines Teleskops und sein Auflösungsvermögen stehen in direktem Zusammenhang mit der Größe der Spiegelfläche, die das Licht von Objekten sammelt. Wissenschaftler und Ingenieure haben ermittelt, dass der Mindestdurchmesser des Primärspiegels 6,5 Meter betragen muss, um das Licht der am weitesten entfernten Galaxien messen zu können. Einfache Herstellung eines Spiegels ähnlich dem Hubble-Teleskopspiegel, jedoch größere Größe war inakzeptabel, da seine Masse zu groß wäre, um ein Teleskop ins All zu schicken. Das Team aus Wissenschaftlern und Ingenieuren musste eine Lösung finden, damit der neue Spiegel pro Flächeneinheit ein Zehntel der Masse des Hubble-Teleskopspiegels haben würde.

Entwicklung und Tests

Produktion

Für den Webb-Spiegel wird eine spezielle Berylliumsorte verwendet. Es ist ein feines Pulver. Das Pulver wird in einen Edelstahlbehälter gegeben und in eine flache Form gepresst. Sobald der Stahlbehälter entfernt ist, wird das Berylliumstück in zwei Hälften geschnitten, um zwei Spiegelrohlinge mit einem Durchmesser von etwa 1,3 Metern herzustellen. Aus jedem Spiegelrohling wird ein Segment erstellt.

Der Prozess der Spiegelbildung beginnt damit, dass überschüssiges Material von der Rückseite des Berylliumrohlings abgeschnitten wird, so dass eine feine Gratstruktur zurückbleibt. Die Vorderseite jedes Werkstücks wird unter Berücksichtigung der Lage des Segments in einem großen Spiegel geglättet.

Anschließend wird die Oberfläche jedes Spiegels abgeschliffen, um ihm eine der berechneten Form nahe kommende Form zu verleihen. Anschließend wird der Spiegel sorgfältig geglättet und poliert. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Form des Spiegelsegments nahezu ideal ist. Anschließend wird das Segment auf eine Temperatur von −240 °C abgekühlt und die Abmessungen des Segments mit einem Laserinterferometer gemessen. Anschließend wird der Spiegel unter Berücksichtigung der erhaltenen Informationen abschließend poliert.

Sobald das Segment bearbeitet ist, wird die Vorderseite des Spiegels mit einer dünnen Goldschicht beschichtet, um Infrarotstrahlung im Bereich von 0,6 bis 29 Mikrometer besser zu reflektieren, und das fertige Segment wird erneut bei kryogenen Temperaturen getestet.

Testen

10. Juli 2017 – Der letzte kryogene Test des Teleskops beginnt bei einer Temperatur von 37 °C im Johnson Space Center in Houston, der 100 Tage dauerte.

Zusätzlich zu den Tests in Houston wurde das Fahrzeug einer Reihe mechanischer Tests im Goddard Space Flight Center unterzogen, die zeigten, dass es dem Start einer schweren Trägerrakete standhalten konnte.

Anfang Februar 2018 trafen die riesigen Spiegel und verschiedene Instrumente zur letzten Phase der Teleskopmontage in Northrop Grummans Anlage in Redondo Beach ein. Dort ist bereits der Bau des Antriebsmoduls und des Sonnenschutzes des Teleskops im Gange. Sobald die gesamte Struktur zusammengebaut ist, wird sie auf einem Seeschiff von Kalifornien nach Französisch-Guayana verschifft.

Ausrüstung

JWST wird über die folgenden wissenschaftlichen Instrumente zur Durchführung der Weltraumforschung verfügen:

Nahinfrarotkamera;
Gerät zum Arbeiten im mittleren Bereich der Infrarotstrahlung (englisch: Mid-Infrared Instrument, MIRI);
Nahinfrarot-Spektrograph Nahinfrarot-Spektrograph, NIRSpec);
Fine Guidance Sensor (FGS) und Nahinfrarot-Imager sowie spaltloser Spektrograph. Nahinfrarot-Imager und spaltloser Spektrograph, NIRISS).

Nahinfrarotkamera

Die Nahinfrarotkamera ist die Hauptbildeinheit des Webb und wird aus einem Array bestehen Quecksilber-Cadmium-Tellur Detektoren Der Arbeitsbereich des Geräts liegt zwischen 0,6 und 5 µm. Die Entwicklung wird der University of Arizona und dem Lockheed Martin Advanced Technology Center anvertraut.

Zu den Aufgaben des Gerätes gehören:

Erkennung des Lichts der frühesten Sterne und Galaxien im Stadium ihrer Entstehung;
Untersuchung von Sternpopulationen in nahegelegenen Galaxien;
Untersuchung junger Sterne der Milchstraße und von Objekten des Kuipergürtels;
Bestimmung der Morphologie und Farbe von Galaxien bei hoher Rotverschiebung;
Bestimmung der Lichtkurven entfernter Supernovae;
Erstellen einer Karte der Dunklen Materie mithilfe von Gravitationslinsen.

Viele der Objekte, die Webb untersuchen wird, strahlen so wenig Licht aus, dass das Teleskop Hunderte von Stunden lang Licht von ihnen sammeln muss, um das Spektrum zu analysieren. Um im Laufe der fünf Betriebsjahre des Teleskops Tausende von Galaxien zu untersuchen, wurde der Spektrograph so konzipiert, dass er gleichzeitig 100 Objekte über einem 3×3 Bogenminuten großen Bereich des Himmels beobachten kann. Um dies zu erreichen, entwickelten Goddard-Wissenschaftler und Ingenieure neue Technologie Mikroverschlüsse zur Steuerung des in den Spektrographen eintretenden Lichts.

Die Essenz der Technologie, die es ermöglicht, zu erhalten 100 gleichzeitig Spectra besteht aus einem mikroelektromechanischen System, das als „Microshutter Array“ bezeichnet wird. Die Mikroverschlusszellen des NIRSpec-Spektrographen verfügen über Abdeckungen, die sich bei Belichtung öffnen und schließen Magnetfeld. Jede 100 x 200 µm große Zelle wird individuell gesteuert und kann offen oder geschlossen sein, wodurch dem Spektrographen ein Teil des Himmels zugänglich gemacht oder blockiert wird.

Es ist diese Einstellbarkeit, die es dem Gerät ermöglicht, Spektroskopie an so vielen Objekten gleichzeitig durchzuführen. Da die Objekte, die NIRSpec untersuchen wird, weit entfernt und dunkel sind, muss das Instrument die Strahlung von näher gelegenen hellen Quellen unterdrücken. Mikro-Verschlüsse funktionieren ähnlich wie Menschen, die zusammenkneifen, um auf ein Objekt zu fokussieren, indem sie eine unerwünschte Lichtquelle ausblenden.

Das Gerät wurde bereits entwickelt und dieser Moment wird in Europa getestet.

Gerät zum Arbeiten im mittleren Infrarotbereich

Gerät zum Arbeiten im mittleren Bereich der Infrarotstrahlung (5 - 28 µm) besteht aus einer Kamera mit einem Sensor mit einer Auflösung von 1024 x 1024 Pixeln und einem Spektrographen.

MIRI besteht aus drei Arsen-Silizium-Detektorarrays. Die empfindlichen Detektoren des Instruments werden es uns ermöglichen, die Rotverschiebung entfernter Galaxien, die Entstehung neuer Sterne und schwach sichtbarer Kometen sowie Objekte im Kuipergürtel zu beobachten. Das Kameramodul bietet die Möglichkeit, Objekte in einem breiten Frequenzbereich mit einem großen Sichtfeld abzubilden, und das Spektrographenmodul bietet Spektroskopie mittlerer Auflösung mit einem kleineren Sichtfeld, wodurch detaillierte physikalische Daten über entfernte Objekte gewonnen werden können.

Nennbetriebstemperatur für MIRI-7. Diese Temperatur kann nicht nur mit einem passiven Kühlsystem erreicht werden. Stattdessen erfolgt die Kühlung in zwei Stufen: Ein Pulsrohr-Vorkühler kühlt das Gerät auf 18 K ab, anschließend senkt ein adiabatischer Drosselwärmetauscher (Joule-Thomson-Effekt) die Temperatur auf 7 K.

MIRI wird von einer Gruppe namens MIRI Consortium entwickelt, die aus Wissenschaftlern und Ingenieuren aus Europa, einem Team des Jet Propulsion Laboratory in Kalifornien und Wissenschaftlern verschiedener US-Institutionen besteht.

FGS/NIRISS

Der Fine Guidance Sensor (FGS) und der Near-Infrared Imaging and Slitless Spectrograph (NIRISS) werden in Webb zusammengefasst, es handelt sich jedoch im Wesentlichen um zwei verschiedene Geräte. Beide Geräte werden von der Canadian Space Agency entwickelt und tragen in Analogie zur „kanadischen Hand“ bereits den Spitznamen „Canadian Eyes“. Dieses Tool ist bereits in die Struktur integriert ISIM im Februar 2013.

Präziser Führungssensor

Präzisionsführungssensor ( FGS) wird es Webb ermöglichen, ein präzises Targeting durchzuführen, um qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten.

Kamera FGS kann ein Bild von zwei benachbarten Himmelsbereichen mit einer Größe von jeweils 2,4 × 2,4 Bogenminuten erstellen und außerdem 16 Mal pro Sekunde Informationen aus kleinen Gruppen von 8 × 8 Pixeln lesen, was ausreicht, um den entsprechenden Referenzstern mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit an jedem Punkt zu finden am Himmel, auch in hohen Breiten.

Hauptfunktionen FGS enthalten:

Erhalten eines Bildes, um die Position des Teleskops im Raum zu bestimmen;
Erhalten vorab ausgewählter Leitsterne;
Bereitstellung eines Positionskontrollsystems engl. Das Attitude Control System misst den Schwerpunkt der Leitsterne 16 Mal pro Sekunde.

Beim Start des Teleskops in die Umlaufbahn FGS wird auch Abweichungen beim Einsatz des Hauptspiegels melden.

Nahinfrarotbildgeber und spaltloser Spektrograph

Der Nahinfrarot-Bildgebungs- und spaltlose Spektrograph (NIRISS) arbeitet im Bereich 0,8 - 5,0 µm und ist ein Spezialwerkzeug mit drei Hauptmodi, die jeweils mit einem separaten Bereich arbeiten.

Mit NIRISS werden folgende wissenschaftliche Aufgaben erfüllt:

das „erste Licht“ empfangen;
Exoplanetenerkennung;
Erhalt ihrer Eigenschaften;
Transitspektroskopie.

siehe auch

Anmerkungen

Fußnoten

Jim Bridenstine auf Twitter: „Das James Webb-Weltraumteleskop wird das erste seiner Art und Weltklasse-Wissenschaft hervorbringen. Basierend auf Empfehlungen eines unabhängigen Prüfgremiums wird das neue Weltraumteleskop ...
Bei weiteren Verzögerungen besteht die Gefahr, dass die Rakete des Webb-Teleskops außer Dienst gestellt wird | Ars Technica
https://www.ama-science.org/proceedings/details/368
Die NASA schließt die Überprüfung des Webb-Teleskops ab und verpflichtet sich zum Start Anfang 2021(Englisch) . NASA (27. Juni 2018). Abgerufen am 28. Juni 2018.
Eismonde, Galaxienhaufen und ferne Welten gehören zu den ausgewählten Zielen für das James Webb-Weltraumteleskop (nicht definiert) (15. Juni 2017).
https://nplus1.ru/news/2017/06/16/webb-telescope (nicht definiert) (16. Juni 2017).
Webb Science: Das Ende des dunklen Zeitalters: Erstes Licht und Reionisierung (nicht definiert) . NASA. Abgerufen am 18. März 2013. Archiviert am 21. März 2013.
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Kepler findet zehn neue mögliche Erdzwillinge (nicht definiert) (19. Juni 2017).
Das Webb-Teleskop der NASA wird die „Ozeanwelten“ unseres Sonnensystems untersuchen (nicht definiert) (24. August 2017).
Berardelli, Phil. Das Weltraumteleskop der nächsten Generation wird einen Blick zurück zum Anfang von Zeit und Raum werfen, CBS (27. Oktober 1997).
Das Weltraumteleskop der nächsten Generation (NGST) (nicht definiert) . Universität Toronto (27. November 1998).
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Die NASA ändert den Vertrag mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (nicht definiert) (12. November 2003).

Kosmonautik,

Astronomie

Fast unmittelbar nach dem Start des Hubble-Teleskops in die Umlaufbahn begannen Wissenschaftler mit der Vorbereitung eines fortschrittlicheren Geräts, das mit mehr Funktionen und Fähigkeiten ausgestattet werden sollte. Nun, fast zwanzig Jahre später, ist dieses Projekt bereits umgesetzt, das System getestet und einsatzbereit. Die Rede ist vom James Webb Orbitalteleskop, das mit einem 6,5-Meter-Spiegel ausgestattet ist. Das ist doppelt so viel wie Hubble.

Ende letzten Jahres gab der wissenschaftliche Leiter des Projekts, John Mather, bekannt, dass das Teleskop bereit sei und durchaus in der Lage sei, die Arbeit im Orbit aufzunehmen. Nach Ansicht der an dem Projekt beteiligten Experten wird das neue Teleskop dazu beitragen, mit der Erforschung von Galaxien zu beginnen, die Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Wir sprechen über die Möglichkeit, mit einer Art Zeitmaschine Galaxien zu beobachten, die fast unmittelbar nach dem Urknall entstanden. Dies wird Wissenschaftlern helfen, den Ursprung des Universums zu klären.

Aktuelle Probleme und ihre Lösungen

Die Montage der Hauptspiegel des Teleskops wurde im Februar letzten Jahres abgeschlossen. Dann gab die NASA die erfolgreiche Installation des letzten Fragments bekannt. Jedes der sechseckigen Fragmente mit einer Masse von 40 kg hat einen Durchmesser von etwa 1,3 m. Aus den Fragmenten ist der Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern gefertigt. Es besteht aus Beryllium, das mit einer Goldschicht überzogen ist.

Die Montage der Spiegel erfolgte nicht durch Menschen, sondern durch einen Roboter – hierfür wurde ein spezieller Manipulator entwickelt. Auf dem Spiegel installierten Wissenschaftler zusätzlich zu den Spiegeln selbst Servos und Abstandshalter, die die Krümmung der Oberfläche korrigieren. Laut Experten darf sich das Befestigungselement für eine genaue Fokussierung nicht mehr als 38 Nanometer bewegen.

Im November letzten Jahres begannen Wissenschaftler mit dem Testen der Spiegel – ein äußerst wichtiger Schritt, der es ermöglichte, die Leistung des Geräts zu beurteilen. Bei der Durchführung von Tests simulierten Experten äußere Faktoren, die die Struktur beschädigen könnten. Zunächst geht es um die Geräusche und Vibrationen, die beim Start des Schiffes entstehen – diese Faktoren können, wenn sie nicht richtig beachtet werden, das Teleskop durchaus beschädigen. Im Allgemeinen ist es ein schwieriger Schritt, den James Webb in die Umlaufbahn zu schicken, und es kann zu großen Problemen kommen, wenn nicht alle Komponenten des Sendevorgangs sorgfältig kontrolliert werden.

„Der Test wird zeigen, ob nach dem Test Schäden am optischen System vorliegen“, sagte Ritva Keski-Kuha, Leiterin der Teleskoptests am Goddard Space Flight Center (GSFC).

Zum Testen wurde ein Interferometer verwendet, ein Gerät, mit dem sich die Eigenschaften eines Teleskopspiegels mit äußerst hoher Genauigkeit bestimmen lassen. Das Problem besteht darin, dass Sie zur Überprüfung nicht direkt Kontakt mit dem Spiegel aufnehmen können; alle Tests müssen aus der Ferne durchgeführt werden. Andernfalls können Mikrokratzer auf dem Spiegel entstehen, die zu einer Verschlechterung der Effizienz des Gesamtsystems führen.

„Deshalb machen wir die Überprüfung – um zu wissen, wie die Dinge tatsächlich sind, anstatt zu raten“, sagte der stellvertretende Projektleiter Paul Geithner.

Ein Interferometer löst dieses Problem. Damit können Sie kleinste Veränderungen in der Anordnung von Elementen eines komplexen Teleskopspiegels und die Oberflächeneigenschaften einzelner Fragmente aufzeichnen. Das Interferometer erzeugt Lichtwellen unterschiedlicher Länge, deren Eigenschaften nach Reflexion durch den Spiegel von Experten untersucht werden.

„Die vergangenen vier Jahre könnten als Vorbereitung für den aktuellen Test betrachtet werden“, sagte David Cheney, Chefspiegelmetrologe am Goddard Space Flight Center, letzten November. „Wir messen die Größe des Hauptspiegels, seinen Krümmungsradius und das Hintergrundrauschen. Unser Test ist so empfindlich, dass wir Veränderungen in den Eigenschaften des Spiegels sogar dann erkennen, wenn sich Personen im Raum unterhalten.“

Im November verliefen die Tests reibungslos und es wurden keine Probleme festgestellt. Doch Anfang Dezember stellten die mit dem Teleskop verbundenen Beschleunigungsmesser einige Anomalien fest, während das Gerät Vibrationstests unterzogen wurde. Wissenschaftler führten Vibrationstests auf niedrigem Niveau durch und verglichen die erhaltenen Daten mit denen, die von Sensoren übermittelt wurden, bevor die Anomalie auftrat. Sobald das Problem erkannt wurde, wurde der Test automatisch gestoppt, um die Gerätehardware zu schützen. Wissenschaftler untersuchten das Teleskop noch einmal, fanden jedoch keine Auffälligkeiten.

Ende Dezember gaben Vertreter der NASA bekannt, dass bei den Instrumenten und anderen Komponenten des Systems keine Probleme festgestellt worden seien. Es wurden sowohl eine visuelle Inspektion als auch eine Analyse der Bilder des Geräts unter ultravioletter Strahlung durchgeführt. Darüber hinaus wurden zwei zusätzliche Low-Level-Vibrationstests durchgeführt, die ebenfalls keine Probleme mit dem James-Webb-Teleskop ergaben. Weitere Informationen zu Tests finden Sie in dem von NASA-Spezialisten erstellten Dokument.

Im Dezember gab John Mather bekannt, dass die Projektteilnehmer erwarteten, dass das Teleskop alle erforderlichen Tests erfolgreich bestehen werde. Gleichzeitig plant die Agentur, alle verfügbaren Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen, um den erfolgreichen Start des Teleskops in die Umlaufbahn sicherzustellen. Bisher ist leider nicht ganz klar, was diese Anomalien waren und wie sie sich auf das System auswirken könnten, wenn es in den Weltraum geschickt wird. Die Agentur wird noch in diesem Monat endgültige Schlussfolgerungen formulieren.

Der James Webb wird Mitte des Jahres zur Endmontage und zum Anschluss an den Sonnenschild und das Manövriersystem im Orbit an eine Northrop-Grumman-Anlage verschifft. Zuvor werden das optische System und die wissenschaftlichen Instrumente des Teleskops in der thermischen Vakuumkammer des Johnson Space Center getestet.

Bisher zeigen sich die Programmteilnehmer optimistisch. „Wir glauben nicht, dass wir auf etwas stoßen werden, das schwer zu reparieren ist“, sagt Paul Hertz.

Astronomen können ihre Vorschläge für die Arbeit mit dem Teleskop vorbereiten

Auf der 229. Tagung der American Astronomical Society gaben Projektvertreter bekannt, dass Wissenschaftler damit beginnen könnten, Vorschläge für vorgeschlagene Methoden zum Betrieb des Teleskops einzureichen. Der direkte Betrieb des Teleskops wird im April 2019 beginnen, sechs Monate nach dem geplanten Start dieses Systems. Über einen Zeitraum von sechs Monaten werden verschiedene Testverfahren und Kontrollen durchgeführt; wenn alles wie geplant verläuft, können die Wissenschaftler ihre Ideen umsetzen.

„Das beeindruckt mich“, sagt Eric Smith, der Leiter des Programms. Tatsache ist, dass das Team in den letzten Jahren ausschließlich damit beschäftigt war technische Seite Wirtschaft, nicht Wissenschaft. Jetzt können Sie mit der letzten Phase fortfahren und üben wissenschaftliche Arbeit. „Dieses Jahr bietet der wissenschaftlichen Gemeinschaft die Gelegenheit, sich wieder an die Arbeit am Programm zu machen.“

Bei dem oben besprochenen Treffen erklärte die Programmleitung, dass die Wissenschaftler, die an der Entwicklung der Instrumente beteiligt waren Software oder verschiedene Funktionen des James-Webb-Teleskops, eine garantierte Betriebszeit mit dem Teleskop erreichen können. Darüber hinaus wird denjenigen Wissenschaftlern, die überzeugende Anträge einreichen, die es ermöglichen, der wissenschaftlichen Gemeinschaft die volle Funktionalität des Teleskops zu demonstrieren, ein früher Zugang zu den Fähigkeiten des Systems gewährt. Dadurch können andere Wissenschaftler verstehen, wie sie die Funktionalität von James Webb zur Beobachtung des Universums am besten nutzen und ihre eigenen Vorschläge einreichen können. Zumindest ist das die Idee. Wissenschaftler können ab Ende 2017 „reguläre“ Anträge einreichen.

Jetzt testen die Spezialisten, die an der Entwicklung des Systems beteiligt sind, das Teleskop einschließlich des optischen Teils und der wissenschaftlichen Instrumente weiter. Kontrollen werden im Goddard Space Flight Center durchgeführt.

Teleskopkomponenten und ihre Fähigkeiten

James Webb ist ein sehr komplexes System, das aus Tausenden einzelner Elemente besteht. Sie bilden den Spiegel des Teleskops und seine wissenschaftlichen Instrumente. Bei letzterem handelt es sich um folgende Geräte:

Nahinfrarotkamera;
Gerät zum Arbeiten im mittleren Bereich der Infrarotstrahlung (Mid-Infrared Instrument);
Nahinfrarot-Spektrograph;
Feinführungssensor/Nahinfrarot-Imager und spaltloser Spektrograph.

Diese Instrumente werden wissenschaftliche Aufgaben erfüllen wie:

Erkennung des Lichts der frühesten Sterne und Galaxien im Stadium ihrer Entstehung;
Untersuchung von Sternpopulationen in nahegelegenen Galaxien;
Untersuchung junger Sterne der Milchstraße und von Objekten des Kuipergürtels;
Bestimmung der Morphologie und Farbe von Galaxien bei hoher Rotverschiebung;
Bestimmung der Lichtkurven entfernter Supernovae;
Erstellen einer Karte Dunkle Materie Verwendung von Gravitationslinsen;
Erkennung des „ersten Lichts“;
Exoplanetenerkennung;
Erhalt ihrer Eigenschaften;
Transitspektroskopie.

Was weiter?

Das Projekt bleibe im Budget, sagte Eric Smith. Bisher läuft alles nach Plan und es gibt keine Hindernisse, die den Start des Teleskops im Oktober 2018 verhindern könnten. Das einzige erkannte Problem – Vibrationsanomalien – steht bereits kurz vor der Lösung, Spezialisten arbeiten aktiv daran, das Problem zu beheben und zu beseitigen. Aber natürlich kann es dennoch zu Schwierigkeiten kommen. „Wir sind jetzt an einem Punkt im Programm angelangt, an dem wir vor neuen Herausforderungen stehen, die sich von den Herausforderungen unterscheiden, denen wir bisher gegenüberstanden“, sagt Smith. Gleichzeitig ist er jedoch von den Stärken des Teams überzeugt: „Wenn Probleme auftauchen, bin ich zuversichtlich, dass das Team sie lösen kann.“

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