تكلفته 10 مليارات دولار.. تلسكوب جيمس ويب الفضائي يدرس أصول الكون (صور وفيديو قبل الإطلاق)

على مدار ال 31 عامًا الماضية ، كان تلسكوب هابل الفضائي عبارة عن منصة مراقبة متعددة الاستخدامات لعلماء الفلك ، لكنه بدأ يظهر عمره مؤخرًا. تمت صيانة التلسكوب آخر مرة في عام 2009 ، وكان عليه الدخول في "الوضع الآمن" للإغلاق الجزئي عدة مرات خلال السنوات القليلة الماضية - وآخرها ، في أكتوبر من هذا العام. وبينما تشير التقديرات المتفائلة إلى أن هابل يمكن أن يظل قيد التشغيل حتى نهاية العقد ، فقد أمضت ناسا بالفعل ، مع شركائها في وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الكندية ، أكثر من اثني عشر عامًا في تطوير تليسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). عندما يتم إطلاق Webb - المُقرر انطلاقه حاليًا في يوم عيد الميلاد - فسيكون بمثابة العين البارزة للبشرية في السماء لعقود قادمة.
سيكون JWST الذي يبلغ وزنه 7.2 طن أكبر تلسكوب وضعته ناسا في المدار على الإطلاق. مصفوفة المرآة الأساسية التي يبلغ طولها 6.5 متر - المكونة من 18 قطعة سداسية مطلية بالذهب - أكبر بمرتين من حجم تلسكوب هابل وحوالي 60 مرة أكبر في المساحة من تلسكوب سبيتزر ، الذي توقف في عام 2020. درع الشمس الذي يستخدمه للحماية تبلغ مستشعراتها الدقيقة التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء تقريبًا طول ملعب التنس ، ويبلغ ارتفاع جهاز التلسكوب ككل ثلاثة طوابق. سيتم توجيه 458 جيجا بايت من البيانات التي يتم جمعها يوميًا أولاً عبر شبكة الفضاء العميق التابعة لناسا ، ثم يتم إرسالها إلى معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور ، ماريلاند ، والذي سيقوم بجمع ونشر هذه المعلومات إلى مجتمع علم الفلك الأكبر.
عندما يصل إلى موطنه المداري عند نقطة L2 Lagrange على بعد 930 ألف ميل من الأرض ، سيبدأ JWST مهمته المكونة من أربع نقاط: البحث عن الضوء من أقدم نجوم ما بعد الانفجار العظيم ؛ دراسة تكوين المجرات وتطورها ، ودراسة تطور النجوم وأنظمة الكواكب ؛ والبحث عن أصول الحياة.
للقيام بذلك ، سوف يتخذ Webb نهجًا مختلفًا عن Hubble قبله. بينما كان هابل ينظر إلى الكون في الأطياف المرئية والأشعة فوق البنفسجية ، سيرى JWST الأشعة تحت الحمراء ، تمامًا كما اعتاد سبيتزر ولكن بدقة ووضوح أكبر بكثير. يعد استخدام هذه الأشعة تحت الحمراء أمرًا بالغ الأهمية لمهمة ويب حيث يمكن لهذا الطول الموجي أن يدقق عبر سحب من الغازات والغبار بين النجوم لرؤية الأشياء المحجوبة خارجها.
تتكون مجموعة كاميرات Webb من أربعة مكونات فردية: أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) ، وكاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam) ، وطيف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec) ، وجهاز التصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة وطيف الشقوق / مستشعر التوجيه الدقيق (نيريس / اف جي اس). هذه الأدوات حساسة للغاية في الواقع بحيث يمكنها اكتشاف الإشعاع الحراري الخاص بها أثناء تشغيلها. لتقليل انبعاثات الأشعة تحت الحمراء ، يتم تبريد ثلاثة من أجهزة الاستشعار إلى درجة سالب 388 درجة فهرنهايت (-233 درجة مئوية). يتم تبريد MIRI الحساس بشكل خاص بدرجة أكبر حتى -448 درجة فهرنهايت (-266 درجة مئوية) - أي مجرد 7 درجات كلفن فوق الصفر المطلق.
الحصول على MIRI البارد ليس بالأمر السهل.
بعد أن يشق التلسكوب طريقه إلى المدار ، سيقضي التلسكوب أسابيع في تبريد المستشعر ببطء إلى درجة حرارة التشغيل المثلى باستخدام نظام تبريد يعتمد على الهيليوم.
قال كونستانتين بينانين المتخصص في المبردات في مختبر الدفع النفاث في مدونة ناسا الأخيرة: "من السهل نسبيًا خفض درجة حرارة شيء ما إلى درجة الحرارة هذه على الأرض ، عادةً للتطبيقات العلمية أو الصناعية". لكن تلك الأنظمة القائمة على الأرض ضخمة للغاية وغير فعالة في استخدام الطاقة. بالنسبة إلى المرصد الفضائي ، نحتاج إلى مبرد مضغوط ماديًا ، وذو كفاءة عالية في استخدام الطاقة ، ويجب أن يكون موثوقًا للغاية لأننا لا نستطيع الخروج وإصلاحه. إذن هذه هي التحديات التي واجهناها ، وفي هذا الصدد ، أود أن أقول إن مبرد MIRI بالتبريد هو بالتأكيد في طليعة. "
سيكون الجهد الإضافي الذي تتطلبه MIRI يستحق كل هذا العناء نظرًا لأن تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء الأرضية - خاصة تلك التي تعمل ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة مثل MIRI ، يتم إعاقتها إلى حد كبير من الانبعاثات الحرارية من الأجهزة نفسها والجو المحيط.
"مع الأدوات الثلاثة الأخرى ، يلاحظ ويب أطوال موجية تصل إلى 5 ميكرون. قال جورج ريك ، أستاذ علم الفلك في جامعة أريزونا ، في وقت سابق من هذا الشهر في مدونة ناسا ، إن إضافة أطوال موجية إلى 28.5 ميكرون باستخدام MIRI يزيد حقًا نطاق العلوم. "يشمل هذا كل شيء بدءًا من دراسة النجوم الأولية وأقراص الكواكب الأولية المحيطة بها ، وتوازن طاقة الكواكب الخارجية ، وفقدان الكتلة من النجوم المتطورة ، والتوري المحيطي حول الثقوب السوداء المركزية في نوى المجرة النشطة ، وغير ذلك الكثير."
واقي الشمس Webb NASA
نظرًا لاحتياجات درجات الحرارة المنخفضة الخاصة ب JWST ، فإن الحفاظ على مجموعة مستشعرات التلسكوب بعيدًا عن أشعة الشمس المباشرة (وحظرها من مصادر الضوء الأخرى مثل القمر والأرض) أمر بالغ الأهمية. للتأكد من أن هذه الكاميرات مظللة بشكل دائم ، قام مهندسو ناسا ببناء حاجب شمسي من خمس طبقات مصنوع من فيلم Kapton المغطى بالألمنيوم لإبقائها في الظلام البارد والبارد.
"الشكل والتصميم أيضا د
قال جيمس كوبر ، مدير Sunshield في JWST في مركز جودارد لرحلات الفضاء: "الحرارة المباشرة خارج الجوانب ، حول المحيط ، بين الطبقات." طبقات الغشاء بحيث لا يمكنها تسخين البصريات. "
يبلغ قياس الدرع الواقي من الشمس على شكل طائرة ورقية ، والذي يبلغ قياسه 69.5 قدمًا في 46.5 قدمًا في 0.001 بوصة ، خمس طبقات عالية بحيث تشع الطاقة التي تمتصها الطبقة العليا في الفراغ بينهما ، مما يجعل كل طبقة متتالية أبرد قليلاً من تلك الموجودة فوقها. في الواقع ، فرق درجة الحرارة عند الأبعد (383 كلفن أو 230
درجة فهرنهايت) والطبقات الداخلية (36 كلفن ، حوالي -394 درجة فهرنهايت) هو تقريبًا ترتيب من حيث الحجم.
JWST أكبر بكثير من وكالة ناسا
من أجل جمع ما يكفي من الضوء لعرض أكثر النجوم خفوتًا وبُعدًا - بعضها على بعد 13 مليار سنة ضوئية - سيعتمد JWST على مصفوفة المرآة الأساسية الضخمة التي يبلغ ارتفاعها 6.5 مترًا. على عكس هابل ، الذي استخدم مرآة واحدة بعرض 2.4 متر ، فإن مرآة ويب مقسمة إلى 18 مقطعًا فرديًا ، يزن كل منها 46 رطلاً فقط بفضل بنائه من البريليوم. إنها مطلية بالذهب لتعزيز انعكاس ضوء الأشعة تحت الحمراء وشكلها سداسي الأضلاع بحيث ، عند تجميعها بالكامل في المدار ، سوف تتلاءم معًا بشكل مريح بما يكفي لتعمل كمستوى عاكس واحد متماثل بلا فجوات. كما يسمح حجمها الصغير أيضًا بالانقسام والطي بسهولة لتلائم الحدود الضيقة لصاروخ آريان 5 الذي سيركبه في المدار.
JWST على متن Ariane 5ESA
يقع دور تنسيق هذه الأجزاء للتركيز على بقعة واحدة في مجرة بعيدة على مجموعة مشغل المرايا. توجد سبعة محركات صغيرة على الجانب الخلفي من كل مقطع مرآة (واحد في كل زاوية والسابع في المنتصف) ، مما يتيح التحكم الدقيق في اتجاهها وانحناءها. قال مدير عنصر التلسكوب البصري Webb ، Lee Feinberg: "إن محاذاة مقاطع المرآة الأساسية كما لو كانت مرآة واحدة كبيرة يعني أن كل مرآة تتماشى مع سمك شعرة الإنسان بنسبة 1/10000".
بعد أكثر من 20 عامًا من التطوير والتأخير ، بتكلفة 10 مليارات دولار وتضمنت جهود أكثر من 10000 شخص ، أصبح Webb Telescope جاهزًا أخيرًا للإطلاق - ونأمل أن يستغرق الأمر هذه المرة. وقد شهد البرنامج تأخيرا ، بعد تأخير ، بعد تأخير موعد إطلاقه. تخلت وكالة ناسا عن التاريخ الأولي لشهر مارس 2021 في أعقاب اندلاع COVID-19 الأولي وعمليات الإغلاق المرتبطة به - ولكن لكي نكون منصفين ، لم يمنح مكتب المساءلة الحكومية في يناير 2020 سوى فرصة بنسبة 12٪ للانطلاق من الأرض. نهاية هذا العام - ووضع جدول زمني غامض "في وقت ما في عام 2021" لإطلاقه.
تم طي Webb بالكامل من NASA
قامت ناسا في وقت لاحق بمراجعة هذا التقدير إلى شركة "في وقت ما في أكتوبر 2021" ، واستقرت في نهاية المطاف على نافذة إطلاق عيد الهالوين ، فقط لتأجيلها مرة أخرى إلى أواخر نوفمبر / أوائل ديسمبر. بالطبع ، سرعان ما أصبح أوائل ديسمبر أواخر ديسمبر ، وتحديداً الثاني والعشرين ، والذي تم دفعه مرة أخرى إلى تاريخه الحالي وهو 24 ديسمبر. في الواقع ، اجعل ذلك الخامس والعشرين.
نتجت هذه التأخيرات عن العوامل التي لا تعد ولا تحصى التي تدخل في الحصول على أداة بهذا الحجم والحساسية جاهزة للإطلاق. بعد الانتهاء من بنائه ، كان على JWST الخضوع لمجموعة شاملة من الاختبارات ، ثم تحميلها برفق في حاوية شحن ونقلها إلى موقع الإطلاق في كورو ، غيانا الفرنسية. بمجرد الوصول إلى هناك ، استغرقت المهمة الفعلية المتمثلة في تجهيز وتزويد بالوقود وتحميل JWST على صاروخ آريان 5 55 يومًا أخرى.
تم تمديد هذا الجدول الزمني بشكل أكبر بسبب "حادثة" في التاسع من نوفمبر حيث "تسبب الإطلاق المفاجئ وغير المخطط له لشريط المشبك - الذي يؤمن Webb بمحول مركبة الإطلاق - في حدوث اهتزاز في جميع أنحاء المرصد" ، وفقًا لوكالة ناسا. بدأ مجلس مراجعة ويب الشذوذ جولة إضافية من الاختبارات للتأكد من أن تلك الاهتزازات لا تلحق الضرر بالمكونات الأخرى أو تؤدي إلى إخراج أي شيء مهم من المحاذاة.
جدول نشر JWST
الآن وقد تم اعتبار التلسكوب A-OK ، جاري الاستعدادات النهائية. باستثناء أي انتكاسات أخرى ، سيتم إطلاق JWST في الساعة 7:20 بالتوقيت الشرقي في يوم عيد الميلاد (شاهد هنا على الهواء مباشرة!) لتبدأ رحلتها التي تستغرق 30 يومًا ، بطول 1.5 مليون كيلومتر خارج Lagrange 2 حيث ستقضي الشبكة أسبوعين تتكشف ببطء مراياها ودرعها الشمسي ، ثم تبدأ في استكشاف أعماق الكون المبكر.