Vesmírný dalekohled Jamese Webba

Rozbalit box

Obsah boxu

Vesmírný dalekohled Jamese Webba (anglicky James Webb Space Telescope, zkráceně JWST nebo Webb) je vesmírná observatoř, která provádí pozorování především v infračervené části elektromagnetického spektra. Je považován za vědeckého a technologického nástupce Hubbleova vesmírného dalekohledu a Spitzerova vesmírného dalekohledu. Projekt vznikl v mezinárodní spolupráci americké agentury NASA, Evropské kosmické agentury (ESA) a Kanadské kosmické agentury (CSA).

Dalekohled je pojmenován po Jamesi E. Webbovi, který byl druhým administrátorem NASA a hrál klíčovou roli v programu Apollo. Hlavním prvkem teleskopu je obří primární zrcadlo o průměru 6,5 metru, složené z 18 šestiúhelníkových segmentů z beryllia potažených tenkou vrstvou zlata. Pro ochranu před teplem a světlem ze Slunce, Země a Měsíc je vybaven pětivrstvým slunečním štítem o velikosti tenisového kurtu.

JWST byl vynesen do vesmíru 25. prosince 2021 raketou Ariane 5 z kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně. Jeho cílovou destinací je Lagrangeův bod L2 soustavy Slunce-Země, přibližně 1,5 milionu kilometrů od Země, kde obíhá po tzv. halo orbitě. Toto umístění zajišťuje stabilní tepelné podmínky a nerušený výhled do hlubokého vesmíru.

Mezi hlavní vědecké cíle dalekohledu patří studium prvních hvězd a galaxií, které se zformovaly po Velkém třesku, zkoumání vzniku a vývoje galaxií, hvězd a planetárních systémů a detailní charakterizace atmosfér exoplanet, včetně hledání biosignatur.

📜 Historie a vývoj

🌌 Počátky projektu

Plánování nástupce Hubbleova dalekohledu začalo již na konci 80. let 20. století, ještě před startem samotného Hubblea. Původní koncept, známý jako Next Generation Space Telescope (NGST), počítal s dalekohledem s průměrem zrcadla 8 metrů, umístěným v bodě L2 a zaměřeným na infračervené spektrum. V roce 1996 byl projekt formálně schválen s plánovaným startem v roce 2007 a rozpočtem 500 milionů dolarů.

Během vývoje však projekt čelil mnoha technickým výzvám, které vedly k opakovaným odkladům a masivnímu nárůstu nákladů. Bylo nutné vyvinout zcela nové technologie, jako je skládací segmentované zrcadlo, ultratenký sluneční štít a kryogenní přístroje s extrémně nízkou provozní teplotou. V roce 2002 byl projekt přejmenován na počest Jamese E. Webba. Finální náklady se vyšplhaly na přibližně 10 miliard dolarů, což z něj činí jeden z nejdražších vědeckých přístrojů v historii.

🏗️ Konstrukce a testování

Hlavním kontraktorem pro stavbu teleskopu byla společnost Northrop Grumman. Zrcadlové segmenty vyrobila firma Ball Aerospace & Technologies. Každý z 18 segmentů je vyroben z lehkého a pevného beryllia a potažen vrstvou zlata o tloušťce pouhých 100 nanometrů, která optimalizuje odrazivost pro infračervené záření.

Sluneční štít, klíčový pro udržení nízké teploty dalekohledu, je vyroben z materiálu zvaného Kapton potaženého hliníkem a křemíkem. Skládá se z pěti vrstev, z nichž každá je tenčí než lidský vlas.

Celý dalekohled prošel sérií náročných testů, které simulovaly podmínky ve vesmíru. Patřilo mezi ně vibrační testování, akustické testování a především kryogenní testování v obří vakuové komoře v Johnsonově vesmírném středisku v Houstonu, kde byl teleskop ochlazen na svou provozní teplotu.

🚀 Start a uvedení do provozu

Po letech odkladů byl JWST konečně vypuštěn 25. prosince 2021. Start na raketě Ariane 5 byl bezchybný a dalekohled byl naveden na přesnou trajektorii k bodu L2. Následoval nejkritičtější a nejsložitější měsíc v historii vesmírných misí – fáze rozkládání. Během cesty k L2 musel dalekohled autonomně provést stovky operací, včetně rozvinutí solárních panelů, antény, slunečního štítu a nakonec i primárního a sekundárního zrcadla. Všechny tyto kroky proběhly úspěšně.

Po dosažení L2 bodu v lednu 2022 následovalo několikaměsíční období chladnutí, seřizování optiky a kalibrace vědeckých přístrojů. Proces zarovnání 18 segmentů zrcadla do jednoho dokonalého optického povrchu s přesností na nanometry byl technologickým mistrovským dílem. První vědecké snímky v plném rozlišení a barvách byly zveřejněny 12. července 2022 a odhalily vesmír v dosud nevídaných detailech.

⚙️ Technický popis

🔭 Optická soustava

Srdcem dalekohledu je jeho primární zrcadlo, které je typu třízrcadlového anastigmatu. S celkovou sběrnou plochou 25,4 m² je více než šestkrát větší než zrcadlo Hubbleova dalekohledu. Skládá se z 18 šestiúhelníkových segmentů, které bylo nutné složit, aby se vešly do aerodynamického krytu rakety. Každý segment je individuálně nastavitelný pomocí sedmi aktuátorů, což umožňuje precizní seřízení optiky přímo ve vesmíru. Sekundární a terciární zrcadla dále směřují světlo do integrovaného modulu vědeckých přístrojů (ISIM).

🛡️ Sluneční štít

Pro pozorování slabého infračerveného záření z raného vesmíru musí být dalekohled udržován na extrémně nízké teplotě, pod 50 K (−223 °C). Toho je dosaženo pasivně pomocí pětivrstvého slunečního štítu o rozměrech 21,2 × 14,2 metru. Štít blokuje tepelné záření ze Slunce, Země a Měsíce. Mezi jednotlivými vrstvami je vakuum, které funguje jako dokonalý izolant. Strana přivrácená ke Slunci se zahřívá až na 110 °C, zatímco strana s dalekohledem je udržována v hlubokém mrazu.

🔬 Vědecké přístroje

JWST je vybaven čtyřmi hlavními vědeckými přístroji:

• NIRCam (Near-Infrared Camera): Primární zobrazovací zařízení pracující v blízkém infračerveném spektru (0,6–5 µm). Je klíčová pro detekci světla z nejranějších hvězd a galaxií.
• NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph): Spektrograf, který dokáže rozložit světlo z až 100 objektů současně na spektrum. Umožňuje zkoumat chemické složení, teplotu a pohyb vzdálených objektů.
• MIRI (Mid-Infrared Instrument): Kamera a spektrograf pro střední infračervené spektrum (5–28 µm). Vyžaduje aktivní chlazení na pouhých 7 K (−266 °C). Je ideální pro pozorování nově vznikajících hvězd, komet a objektů Kuiperova pásu.
• FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph): FGS zajišťuje přesné zaměření a stabilizaci dalekohledu. NIRISS je specializovaný přístroj pro detekci a charakterizaci exoplanet pomocí tranzitní spektroskopie.

🛰️ Servisní modul a pohon

Servisní modul, označovaný jako "spacecraft bus", se nachází na "teplé" straně slunečního štítu. Obsahuje klíčové systémy pro provoz observatoře: solární panely pro výrobu energie, komunikační anténu pro přenos dat na Zemi, palubní počítač, systémy pro orientaci a malé raketové motory pro udržování pozice a korekce dráhy v bodě L2. Na rozdíl od Hubbleova dalekohledu není JWST navržen pro servisní mise astronauty.

🌍 Umístění a oběžná dráha

JWST neobíhá kolem Země jako Hubble. Místo toho operuje v okolí druhého Lagrangeova bodu (L2) soustavy Slunce-Země. Tento bod se nachází 1,5 milionu kilometrů od Země ve směru od Slunce.

Výhody tohoto umístění jsou klíčové: 1. Tepelná stabilita: Slunce, Země a Měsíc jsou vždy ve stejném směru za slunečním štítem, což umožňuje dalekohledu udržet si konstantně nízkou a stabilní teplotu. 2. Nepřetržité pozorování: Dalekohled není nikdy ve stínu Země, což mu umožňuje provádět dlouhá, nepřerušovaná pozorování. 3. Nižší rušení: Vzdálenost od Země minimalizuje rušivé infračervené záření z naší planety.

Dalekohled neparkuje přímo v bodě L2, ale obíhá kolem něj po velké "halo" dráze s periodou přibližně šesti měsíců. To mu brání ve vstupu do stínu Země a Měsíce, což by narušilo jeho tepelnou rovnováhu a přerušilo napájení ze solárních panelů.

🔬 Vědecké cíle a objevy

🌌 První galaxie a hvězdy

Jedním z hlavních cílů JWST je nahlédnout do kosmického úsvitu – období několik set milionů let po Velkém třesku, kdy se formovaly první hvězdy a galaxie. Díky expanzi vesmíru je světlo z těchto prvotních objektů posunuto do infračervené části spektra (rudý posuv), což je přesně vlnová délka, na kterou je Webb citlivý. Dalekohled tak umožňuje studovat, jak se tyto první struktury zrodily a jak ovlivnily následný vývoj vesmíru.

⭐ Vznik hvězd a planetárních systémů

Hvězdy a planety se rodí uvnitř hustých mračen plynu a prachu, která jsou neprůhledná pro viditelné světlo. Infračervené záření však těmito mračny proniká. JWST tak může nahlédnout přímo do "hvězdných porodnic" a detailně zkoumat procesy formování protohvězd a protoplanetárních disků, z nichž vznikají planety.

🪐 Exoplanety a hledání života

JWST představuje revoluci ve studiu exoplanet. Pomocí metody tranzitní spektroskopie analyzuje světlo mateřské hvězdy, které prochází atmosférou planety během jejího přechodu (tranzit). Z analýzy spektra lze určit chemické složení atmosféry, detekovat přítomnost molekul jako voda, metan nebo oxid uhličitý a hledat potenciální biosignatury – látky, které by mohly naznačovat přítomnost života.

🔭 První snímky a významné objevy (do roku 2025)

Od zahájení vědeckého provozu v polovině roku 2022 přinesl JWST řadu přelomových objevů a ikonických snímků.

• Hluboké pole SMACS 0723: První zveřejněný snímek ukázal tisíce galaxií v malé výseči oblohy, včetně těch nejvzdálenějších, jaké kdy byly pozorovány. Efekt gravitační čočky v popředí odhalil ještě vzdálenější a slabší objekty.
• Mlhovina Carina a Jižní prstencová mlhovina: Detailní snímky těchto objektů odhalily dosud neviditelné struktury a procesy zrodu a zániku hvězd.
• Stephanův kvintet: Snímek kompaktní skupiny galaxií ukázal detailně interakce, slapové ohony a rázové vlny vznikající při jejich srážkách.
• Atmosféra exoplanety WASP-96b: První spektrum jasně prokázalo přítomnost vodní páry v atmosféře horkého plynného obra.
• Objev nejvzdálenějších galaxií: Již v prvních měsících provozu JWST identifikoval kandidáty na galaxie s rudým posuvem větším než 13, což odpovídá době pouhých 300 milionů let po Velkém třesku.

🆚 Srovnání s Hubbleovým dalekohledem

Ačkoliv je JWST často označován za nástupce Hubblea, ve skutečnosti se jedná o doplňující se observatoře s odlišnými schopnostmi.

Srovnání klíčových parametrů

Parametr	Vesmírný dalekohled Jamese Webba	Hubbleův vesmírný dalekohled
Průměr zrcadla	6,5 metru (segmentované)	2,4 metru (monolitické)
Vlnové délky	Infračervené (0,6–28,5 µm)	Ultrafialové, viditelné, blízké infračervené (0,1–2,5 µm)
Oběžná dráha	Halo orbita kolem bodu L2 (~1,5 mil. km od Země)	Nízká oběžná dráha Země (~540 km)
Provozní teplota	< 50 K (−223 °C)	~20 °C (s chlazenými detektory)
Servisovatelnost	Není navržen pro servisní mise	Servisován 5x astronauty z raketoplánu
Hlavní zaměření	První galaxie, vznik hvězd, exoplanety	Vývoj galaxií, temná hmota, temná energie

💡 Pro laiky

• Proč infračervené světlo? Představte si, že se snažíte vidět přes hustou mlhu. Infračervené světlo je jako speciální brýle, které vám umožní vidět skrz. Ve vesmíru je spousta "mlhy" v podobě prachu a plynu, kde se rodí nové hvězdy. JWST se skrz ni dokáže podívat. Druhý důvod je, že vesmír se rozpíná. Světlo z nejvzdálenějších galaxií se cestou k nám "natáhne" a z viditelného se stane infračervené. JWST tak vidí do dávné minulosti vesmíru.
• Co je Lagrangeův bod L2? Je to takové speciální "gravitační parkovací místo" ve vesmíru, asi 1,5 milionu kilometrů od Země. V tomto bodě se vyrovnávají gravitační síly Slunce a Země, takže dalekohled zde může zůstat s minimální spotřebou paliva. Navíc má odsud stále Slunce, Zemi i Měsíc za zády, takže se může nerušeně dívat do hlubin vesmíru.
• K čemu je ten obří "deštník"? Ten "deštník" je ve skutečnosti sluneční štít velký jako tenisový kurt. Dalekohled musí být extrémně studený, aby viděl slabé teplo (infračervené světlo) z dalekého vesmíru. Kdyby byl teplý, sám by zářil a oslepil by se. Štít ho chrání před teplem ze Slunce a udržuje ho v mrazu kolem -230 °C.
• Proč je zrcadlo ze zlata? Zlato je jeden z nejlepších materiálů pro odrážení infračerveného světla. Vrstva zlata na zrcadle je ale neuvěřitelně tenká, asi 1000krát tenčí než lidský vlas.

Šablona:Aktualizováno