A James Webb űrtávcső tudományos munkája és ehhez használt műszerei

Séra Gábor, Oláh Tamás | 2021. december 24., péntek 10:30

Az univerzum keletkezése és fejlődése mindig is a tudósok és csillagászok fő érdeklődési körébe tartozott. Ahhoz azonban, hogy többet megtudjunk kialakulásának folyamatáról, olyan eszközre van szükségünk, ami elég fejlett műszerekkel van felszerelve. Most bemutatjuk nektek az emberiség eddigi legkorszerűbb űrteleszkópját, ami a James Webb nevet viseli. Sorozatunk utolsó részében ismertetjük az űrben végzett tudományos munkáját, és az ehhez használt műszereit, működésének elvét.

A küldetés legfőbb célkitűzései: az első galaxisok felfedezése a korai univerzumunkban, a csillagok kialakulásának megfigyelése, a közeli és távoli galaxisok tanulmányozása, a bolygórendszerek fizikai és kémiai tulajdonságainak mérése, ideértve a saját Naprendszerünket is, valamint az élet lehetőségének vizsgálata ezekben a rendszerekben.

A James Webb működési elve. Infografika forrása: ESA

A James Webb űrteleszkóp segítségével megfejthetjük az univerzum keletkezésének körülményeit. Ehhez a legcélravezetőbb az, ha közvetlenül megfigyeljük annak korai fázisát. A JWST az első galaxisok megtalálása érdekében közeli- és közepes-infravörös tartományban végez majd felméréseket. Ez a képesség páratlan felbontással és érzékenységgel kombinálva lehetővé teszi az űrtávcső számára, hogy minden eddiginél messzebbre tekinthessen a világegyetem mélységeibe. Pontosabban fogalmazva, a Webb visszatekint az időben arra a pontra, mikor a csillagok születése fénnyel töltötte meg az addigi sötétséget. Ez volt a kozmosz talán legforgalmasabb csillagkeletkezési időszaka, ami mindössze néhány százmillió évvel az ősrobbanás után következett be. A JWST segítségével ezt a zajos, korai időszakot fogják vizsgálni a tudósok. Az univerzum múltjának megfigyelése érdekesen hangozhat, de lehetséges. Mint tudjuk, a világegyetem kb. 13,6 milliárd éves, tehát a fény ennyi évvel ezelőtt hagyta el az első csillagokat és galaxisokat. Utazott téren és időn keresztül, majd végül elérte távcsöveinket. Lényegében olyannak látjuk ezeket az objektumokat, mint amikor ez a fény elhagyta őket. Azonban fontos hozzátenni, hogy mire ez a fény megérkezik hozzánk, a színe, vagy hullámhossza a vörös felé eltolódik, amit "vöröseltolódásnak" nevezünk. Emiatt az első csillagok és galaxisok elemzéséhez nagy teljesítményű közeli és közepes-infravörös teleszkópra van szükségünk, és a James Webb pontosan ilyen.

Az űrtávcső egyik legnagyobb feladata a GTO (guaranteed-time observer) program, ami a közeli-infravörös tartományban működő műszerekhez kapcsolódik. A teljes projekt közel 900 órányi megfigyelési időt kapott az űrteleszkóppal, amit az ESA JWST projekt tudósa irányít, és a NIRSpec GTO csoportja készít elő. A program legelső helyén az ún. "The physics of galaxy assembly" áll, a csaknem 700 órányi obszervációjával. Ennek 3 alprogramját tekintjük át röviden a következőkben.

A JADES - JWST Advanced Deep Extragalactic Survey - elnevezésű részprogram keretében nagyjából 366 órányi megfigyelési időt fognak felméréssel tölteni.

A kutatók választása két, korábban tanulmányozott mezőre esett ezzel kapcsolatban. Ezek az ún. GOODS-North és a GOODS-South, amelyek a Nagy Medve csillagkép északi, illetve a Kemence csillagkép déli részén helyezkednek el. A program számos céllal jött létre: a csillagtömeg eloszlásának megértése a fiatal galaxisokban, a csillagok fényességének, korának, méretének és összetételének, valamint a keletkezésük sebességének vizsgálata. A JADES emellett elemzéseket fog végezni a galaxisok nukleáris aktivitásával kapcsolatban, meghatározza azok szerkezetét, és feltérképezi a bennük lévő gázok mozgását. Azonban ez még nem minden. A kutatás az első generációs fekete lyukak megértésére is nagy hangsúlyt fektet. Ez főképp azért érdekli a tudósokat, mert szoros összefüggést mértek egy galaxis központjában található fekete lyuk tömege és a galaxis dudorának (egymással szoros közelségben lévő csillagok nagy méretű csoportja) tömege között. Ennek magyarázatára eddig csak spekulációk léteznek, de a JWST remélhetőleg segít ennek megértésében is.

A második részprogram a WIDE nevet viseli, ami megközelítőleg 106 óra megfigyeléssel rendelkezik. A felmérés nagy reményeket fűz a NIRSpec MOS módjához (erről a későbbiekben olvashattok), ugyanis még az égbolt leggyorsabb feltérképezése is olyan eredményekkel jár, amely más eszközökkel elérhetetlen lenne.

Az utolsó alprogram pedig az IFS. Időtartama 237 óra, ami a nagy vöröseltolódással rendelkező galaxisokat figyeli meg. Célja, hogy részletes képet kapjanak a tudósok azokról a fizikai folyamatokról, amelyek a galaxisok fejlődését befolyásolják.

Ezek a programok a közeli-infravörös kamera, a NIRCam és a közeli-infravörös spektrográf, a NIRSpec műszercsoportjait használják az elemzésekhez.

A NIRCam, melyet az Arizoniai Egyetem fejlesztett ki, a Lockheed-Martin bevonásával, 0,6-5 mikron közötti infravörös hullámhossztartományt fogja lefedni. 10 darab, egyenként 4 megapixeles szenzorral rendelkezik. Segítségével érzékelni lehet a legősibb csillagokat, a kialakulóban lévő galaxisokat, a közeli galaxisok csillagpopulációját, valamint a Tejútrendszerben lévő fiatal csillagokat és a Kuiper-öv objektumait. A NIRCam koronagráfokkal van felszerelve, olyan műszerekkel, amelyek lehetővé teszik a csillagászok számára, hogy egy központi fényes objektum körül nagyon halvány objektumokról, például csillagrendszerekről készítsenek felvételeket. A koronagráfok úgy működnek, hogy eltakarják a fényesebb objektum (pl. csillagok) fényét, lehetővé téve, hogy a halványabb objektum részletei jobban látszódjanak. Ez ahhoz hasonlítható, amikor a Napot felemelt kézzel leárnyékoljuk szemünk elől, hogy az előttünk lévő tárgyakra tudjunk fókuszálni. A koronagráfok segítségével a csillagászok azt remélik, hogy meghatározhatják a közeli csillagok körül keringő bolygók jellemzőit.

A NIRCam. Kép forrása: NASA/Chris Gunn

Ugyanebben a hullámhossz-tartományban működő műszer az ESA által megépített közeli infravörös spektrográf, azaz az NIRSpec, amelyben két, egyenként 4 megapixeles érzékelő található. Fejlesztését az Airbus Defence and Space, Ottobrunn és Friedrichshafen, Németország, valamint a Goddard Space Flight Center végezte.

A műszer kialakítása 3 megfigyelési módot biztosít: egy prizmát használó alacsony felbontású módot, egy multiobjektumos módot és egy spektroszkópia módot.

A NIRSpec. Kép forrása: Airbus Defence and Space GmbH

A spektrográf (más néven spektrométer) arra szolgál, hogy egy objektum fényét különböző spektrumokra, színképpé bontsa. Ennek elemzése feltárja az objektum fizikai tulajdonságait, beleértve a hőmérsékletét, a tömegét, kémiai összetételét, vagy akár a sűrűségét is. Az objektumban lévő atomok és molekulák olyan vonalakat hagynak a spektrumon, amelyek az objektumok egyes kémiai elemeinek egyedi ujjlenyomatát adják, és rengeteg információt fedhetnek fel az objektum fizikai állapotáról. 

Spektroszkópia a James Webb űrtávcsővel. Infografika forrása: ESA

A Webb által vizsgálandó számos objektum közül, például az ősrobbanás után kialakuló első galaxisok olyan halványak, hogy az óriási tükrének több száz órán át kell "néznie" őket ahhoz, hogy elegendő fényt gyűjtsön a spektrum kialakításához. Ahhoz, hogy 5 éves küldetése során több ezer galaxist tudjon tanulmányozni, a NIRSpec-et úgy tervezték, hogy Multi-Object Spectroscopy (MOS) üzemmódban egyszerre akár 100-200 objektumot figyeljen meg színképelemzés céljából.

A NIRSpec lesz az első olyan spektrográf az űrben, amely rendelkezik ezzel a képességgel. Ehhez a mérnökök és tudósok egy új, úgynevezett mikrozáras cella rendszert kellett kifejleszteniük, melynek neve microshutter array. Ez a szerkezet mikro-elektromechanizmus segítségével szabályozza a fény bejutását a NIRSpec-be, olyan fedelekkel rendelkeznek, amelyek mágnesesség hatására kinyílnak és becsukódnak. Erre azért van szükség, mert a vizsgálandó objektumok nagyon távol vannak az űrteleszkóptól és nagyon halványak, ezért a műszernek ki kell zárnia a közelebbi fényes objektumok fényét. A mikrozáras cellarendszer 4 blokkból épül fel, ezek mindegyike 63 875 db mikro méretű cellát tartalmaz. A cellák szélessége körülbelül az emberi hajszálnak megfelelő. Minden egyes cella külön-külön vezérelhető, így kinyitható vagy bezárható, hogy az égbolt egy adott részét lássa vagy eltakarja.

A mikrozáras cellarendszer 4 blokkja balra, jobbra egy közeli kép a cella zárszerkezetéről, mely kb. emberi haj szélességű. Kép forrása: NASA/GSFC

Ahhoz, hogy a JWST több száz órán át tudjon az univerzum egy szegletére fókuszálni, egy speciális, több részből álló műszert alkalmaznak, ez a Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager és Slitless Spectrograph, röviden FGS/NIRISS. A Kanadai Űrügynökség (CSA - Canadian Space Agency) által kifejlesztett berendezés három fő üzemmóddal rendelkezik, és mindegyik külön hullámhossz-tartományt céloz meg, 0,8 és 5,0 mikron között. Feladata az exobolygók észlelése és jellemzése, Emellett a távcső irányításában is fontos szerepet tölt be, és lehetővé teszi a Webb számára a pontos irányzást, ez által kiváló minőségű képeket készíthet.

Az FGS/NIRISS. Kép forrása: COM DEV Canada

A temérdek hasznos adottságát exobolygók keresésére és azok vizsgálatára is használni fogja az űrtávcső. A Webb ezen bolygókat képes akkor vizsgálni, amikor azok elhaladnak a központi csillaguk előtt. A fénynek az a parányi része, amely áthalad a légkörön, kölcsönhatásba lép az ott lévő atomokkal és molekulákkal. Ez a fény aztán információkat hordoz róluk, amelyekből a tudósok olyan dolgokra következtetnek, mint a hőmérséklet, a kémiai összetétel és a keletkezésük története. Legfőképp a Földéhez hasonló légkörök után kutat, és olyan kulcsfontosságú anyagok jeleit keresi, mint a metán, a víz, az oxigén, a szén-dioxid és az összetett szerves molekulák. Továbbá egyedülálló képet nyújt majd Naprendszerünk külső bolygóiról is.

A bolygók mellett a csillagok életciklusára is nagy hangsúlyt fektetnek a tudományos munkában. A Webb képes lesz keresztül látni az újonnan született csillagok körül található poros burkon, és kiváló érzékenysége lehetővé teszi a csillagászok számára, hogy közvetlenül vizsgálják a csillagszületés halvány, legkorábbi szakaszait. Ezenfelül tanulmányozni fogja a szupernóva-robbanásokat, és a barna törpéket is.

Ezekhez nem csak a közeli infravörös tartományt használja a James Webb űrtávcső, hanem a közepes infravörös tartományt is, amelyben a MIRI (MID-INFRARED INSTRUMENT) elnevezésű műszere lesz a segítségére. A MIRI-t a NASA és egy európai országokból álló konzorcium együttműködéseként fejlesztették ki. Ez a berendezés egy kamerával és egy spektrográffal rendelkezik, és az 5-28 mikron közötti hullámhossztartományt fedi le. Érzékeny detektorai lehetővé teszik, hogy távoli galaxisok, újonnan keletkező csillagok és halványan látható üstökösök, valamint a Kuiper-övben lévő objektumok vöröseltolódott fényét is meglássa. A MIRI kamerája széles látómezejű képalkotást biztosít. A spektrográf lehetővé teszi a közepes felbontású spektroszkópiát, amely új fizikai részletekkel szolgál a megfigyelt távoli objektumokról.

A MIRI négy koronagráfot tartalmaz, amelyek az exobolygók optimális tanulmányozásához kiválasztott hullámhosszon működnek.

Működési hőmérséklete nem haladhatja meg a -267,15°C-ot, ezért további, aktív hűtésre van szüksége, amelyet hélium segítségével oldanak meg.

A MIRI. Kép forrása: STFC/RAL Space

A James Webb űrtávcső összes kamerája és műszere, melynek segítségével a tudományos munkáját végzi, a Tudományos műszermodulban (ISIM- Integrated Science Instrument Module) kapott helyet. 

A teljesen összeszerelt tudományos műszermodul. Kép forrása: NASA/Chris Gunn

Az ISIM-et három részegségre osztották:

Az első terület a kriogén műszeregység. Ez egy kritikus terület, mivel a műszer alkatrészeit -234,15°C-ra kell lehűteni. A MIRI műszer további hűtése -266,15°C-ra történik egy speciális hűtőegység segítségével.

A második terület az ISIM elektronikai részlege, amely a műszer vezérlőelektronikájának hőszabályozott környezetét biztosítja.

A harmadik terület az ISIM parancs- és adatkezelési alrendszer, amely az ISIM repülési szoftvert, valamint a MIRI hűtőjének kompresszorát és vezérlőelektronikáját foglalja magában.

Az ISIM - Tudományos műszermodul felépítése. Kép forrása: NASA

Ahogy látható, a Tudományos műszermodul a főtükör mögött kapott helyet. A főtükör 6,5 m átmérőjű, fénygyűjtő területe kb. 25 m2.  Anyaga berillium, arannyal bevonva, amely rendkívül jól tükrözi vissza az infravörös fényt. A főtükör 18 kisebb szegmensből áll össze, melyek egyenként 1,3 m átmérőjűek és 20 kg tömegűek.

A JWST működési elve. Animáció forrása: ESA

Működési elve: A fényt a főtükör összegyűjti, a segédtükörre vetíti, ahonnan a harmadlagos tükörhöz jut, melyek szintén arannyal vannak bevonva. Innen az űrtávcső műszereihez ér az infravörös fény, ahol további prizmákon keresztül jut el a megfelelő érzékelőkhöz, attól függően, pontosan milyen méréseket, kutatásokat végeznek az űrtávcsővel.

A fény útja a NIRSpec műszeren belül. Kép forrása: ESA

A bemutató sorozat további részei:


Elkötelezettek vagyunk, hogy tevékenységünk reklámoktól mentes maradjon és kizárólag közösségi finanszírozásból működhessünk. Ha tetszik a munkánk, akkor azt kifejezheted egy megosztással, illetve ha van módod, anyagilag is hozzájárulhatsz az oldal működéséhez, ezt a "Támogatás" gomb megnyomásával teheted meg.



"A James Webb űrtávcső tudományos munkája és ehhez használt műszerei" bejegyzés hozzászólásai (0 db)

Jelenleg még senki nem szólt hozzá a témához! Légy Te az első!

Hozzászólás írása +