אסטרונומית בצוות טלסקופ ג’יימס ווב מסבירה כיצד משגרים טלסקופ ענק לחלל – ומדוע אבל קודם כל, שישוגר וייפרס בהצלחה בשבועות שלאחר השיגור
מאת: מרסיה ריקה פרופסור לאסטרונומיה, אוניברסיטת אריזונה, המדענית הראשית של מתקן NIRCam הנמצא על סיפון טלסקופ החלל ג’יימס ווב
טלסקופ החלל ג’יימס ווב אמור להמריא לחלל ביום שבת 25 בדצמבר 2021. בעזרתו מקווים אסטרונומים למצוא את הגלקסיות הראשונות שנווצרו ביקום, יחפשו אטמוספרות דמויות כדור הארץ סביב כוכבי לכת אחרים וישיגו מטרות מדעיות רבות אחרות.
אני אסטרונומית והחוקרת הראשית שאחראית על מצלמת האינפרא אדום הקרוב – או NIRCam בקיצור – על סיפון הטלסקופ ווב. השתתפתי בפיתוח ובבדיקה של המצלמה שלי ושל הטלסקופ בכללותו.
כדי לראות עמוק לתוך היקום, לטלסקופ יש מראה גדולה מאוד וצריך לשמור אותה קרה מאוד. אבל להעלות ציוד שביר כמו זה לחלל זו משימה לא פשוטה. היו אתגרים רבים שעמיתיי ואני נאלצנו להתגבר עליהם כדי לתכנן, לבדוק ובקרוב לשגר וליישר את טלסקופ החלל החזק ביותר שנבנה אי פעם.
גלקסיות צעירות ואטמוספרות חייזרים
לטלסקופ Webb יש מראה בקוטר של 6.5 מטר, מערכת הצללה מהשמש בגודל מגרש טניס וארבע מערכות מצלמות וחיישנים נפרדות לאיסוף הנתונים .
באופן כללי האנטנה עובדת כמו צלחת לוויין. אור מכוכב או גלקסיה ייכנס לעדשת הטלסקופ ויוקפץ מהמראה הראשית לעבר ארבעת החיישנים: NIRCam , המצלם תמונות באינפרא אדום הקרוב; ספקטרוגרף אינפרא אדום קרוב , אשר יכול לפצל את האור מתוך מבחר של מקורות לצבעי היסוד שלהם ומודד את עוצמתו . מכשיר נוסף יבחן את התמונה באור האינפרה אדום הבינוני ולבסוף Near Infrared Imaging Slitless Spectrograph , המפצל ומודד את האור של כל עצם שמדענים מכוונים אליו את המראה.
עיצוב זה יאפשר למדענים לחקור כיצד נוצרים כוכבים בשביל החלב ואת האטמוספרות של כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש. אולי אפילו ניתן יהיה ללמוד על הרכב האטמוספרות הללו.
ה-NIRCam, שנראה כאן, ימדוד אור אינפרא אדום מגלקסיות רחוקות וישנות במיוחד. נאס”א/כריס גאן , CC BY
מאז שאדווין האבל הוכיח שגלקסיות רחוקות דומות לשביל החלב, שאלו אסטרונומים: בנות כמה הגלקסיות העתיקות ביותר? איך הן נוצרו לראשונה ואיך הן השתנו עם הזמן? טלסקופ ווב כונה במקור “מכונת האור הראשון” מכיוון שהוא נועד לענות על שאלות אלו בדיוק.
אחת המטרות העיקריות של הטלסקופ היא לחקור גלקסיות רחוקות הנמצאות בקצה היקום הנראה. לוקח מיליארדי שנים עד שהאור מהגלקסיות הללו חוצה את היקום ומגיע לכדור הארץ. אני מעריכה שתמונות שעמיתיי ואני נאסוף באמצעות NIRCam יכולות להראות פרוטו-גלקסיות שנוצרו רק 300 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול – כשהן היו רק 2% מגילם הנוכחי.
גילוי הצטברויות הראשונות של כוכבים שנוצרו לאחר המפץ הגדול היא משימה מרתיעה מסיבה פשוטה: הפרוטו-גלקסיות הללו רחוקות מאוד ולכן נראה כי הן מאוד חלשות.
המראה של ווב עשויה מ-18 מקטעים נפרדים ויכולה לאסוף יותר מפי שישה אור מאשר המראה של טלסקופ החלל האבל . בגלל שעצמים מרוחקים נראים קטנים מאוד הטלסקופ חייב להיות מסוגל למקד את האור בצורה הדוקה ככל האפשר.
הטלסקופ צריך להתמודד גם עם סיבוך נוסף: מכיוון שהיקום מתרחב , הגלקסיות שמדענים יחקרו עם טלסקופ ווב מתרחקות מכדור הארץ, ואפקט דופלר נכנס לתמונה. בדיוק כמו שגובה הצפירה של אמבולנס יורד והיא נהיית נמוכה יותר כאשר הוא חולף ומתחיל להתרחק , גם אורך הגל של האור מגלקסיות רחוקות עובר הסטה גדולה לתדר נמוך יותר – מהאור הנראה לאור אינפרא אדום.
ווב מזהה אור אינפרא אדום כלומר הוא בעצם גלאי חום ענק. כדי “לראות” גלקסיות חלשות באור אינפרא אדום, הטלסקופ צריך להיות קר במיוחד, אחרת כל מה שהוא יראה יהיה קרינת האינפרא אדום שהוא מקרין. כאן נכנס מגן החום, המגן עשוי מפלסטיק דק מצופה אלומיניום. עוביו של חמש שכבות אטומיות בלבד וגודלו 17.2 מטר על 21.2 מטר. הוא מתוכנן לשמור על המראה והחיישנים בטמפרטורה של מינוס °234 צלזיוס .
טלסקופ ווב הוא הישג מדהים של הנדסה, אבל איך אפשר לשגר מכשיר כזה בבטחה לחלל ולהבטיח שהוא יעבוד?
מהנדסים ומדענים בדקו את הטלסקופ כולו בתא ואקום קריוגני קר במיוחד, בלחץ נמוך. נאס”א/כריס גאן , CC BY
שפע של בדיקות
טלסקופ החלל ג’יימס ווב יקיף את כדור הארץ במסלול במרחק של 1.5 מיליון ק”מ מרוחק פי 4,500 בערך מתחנת החלל הבינלאומית והרבה יותר רחוק מכדי שאסטרונאוטים יוכלו לתחזק אותו כפי שנעשה בטלסקופ החלל האבל.
במהלך 12 השנים האחרונות, הצוות בדק את הטלסקופ והמכשירים, ניער אותם כדי לדמות את שיגור הרקטה ובדק אותם שוב. הכל מקורר ונבדק בתנאי הפעלה קיצוניים שבהם ייתקל במסלול. לעולם לא אשכח כשהצוות שלי היה ביוסטון ובדק את ה-NIRCam באמצעות תא המיועד לרכב הירח של אפולו. זו הייתה הפעם הראשונה שהמצלמה שלי זיהתה אור שקפץ מהמראה של הטלסקופ, ולא יכולנו להיות מאושרים יותר – למרות שהוריקן הארווי נלחם בנו בחוץ.
לאחר הבדיקות הגיעו החזרות. הטלסקופ ישלט מרחוק על ידי פקודות הנשלחות דרך קישור רדיו. אבל בגלל שהטלסקופ יהיה כל כך רחוק – לוקח לאות שש שניות לעבור לכיוון אחד – אין שליטה בזמן אמת. לכן בשלוש השנים האחרונות הצוות שלי ואני הלכנו למכון המדע של טלסקופ החלל בבולטימור והרצנו משימות חוזרות בסימולטור המכסה הכל, החל מהשיגור ועד לפעולות מדעיות שגרתיות. הצוות אפילו תרגל התמודדות עם בעיות פוטנציאליות שמארגני המבחנים זורקים עלינו ומכנים “חריגות”.
כדי להיכנס לתוך רקטה, הטלסקופ צריך להתקפל לאריזה קומפקטית. נאס”א/כריס גאן , CC BY
נדרש יישור מסוים
צוות Webb ימשיך להתאמן עד למועד השיגור בדצמבר, אבל העבודה שלנו רחוקה מלהסתיים לאחר ש-Webb קופל והועלה לראש הרקטה.
עלינו להמתין 35 ימים לאחר השיגור עד שהחלקים יתקררו לפני תחילת היישור. לאחר פתיחת המראה, NIRCam תצלם רצפים של תמונות ברזולוציה גבוהה של מקטעי המראה הבודדים. צוות הטלסקופ ינתח את התמונות ויגיד למנועים להתאים את הקטעים בשלבים הנמדדים במיליארדית המטר. ברגע שהמנועים יזיזו את המראות למקומן, נאשר כי יישור הטלסקופ מושלם. בגלל שמשימה זו היא כה קריטית יש שני עותקים זהים של NIRCam על הסיפון – אם אחד נכשל, השני יכול להשתלט על עבודת היישור.
תהליך היישור אמור להימשך שישה חודשים. בסיום, ווב יתחיל לאסוף נתונים. לאחר 25 שנות עבודה, סוף סוף.
ווב היא תוכנית בינלאומית בראשות נאס”א עם שותפיה, ESA (סוכנות החלל האירופית) וסוכנות החלל הקנדית. סוכנות החלל האירופית אחראית על השיגור.
עוד בנושא באתר הידען:
