Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ được phóng lên không gian vào tháng 12/2021

Ngày:_ 15/11/2021  

Khi Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA / ESA / CSA phóng lên đỉnh tên lửa Ariane 5 vào tháng 12 năm nay, nó sẽ mang theo một trong những gương kính thiên văn lớn nhất từng được phát triển. Lớn hơn đáng kể so với gương 2,4 m của Kính viễn vọng Không gian Hubble, gương của James Webb sẽ là một chiếc gương lớn có đường kính 6,5m, được tạo thành từ 18 đoạn gương beryllium mạ vàng, hình lục giác.

James Webb có khả năng nhìn xa đến nỗi nó nhìn về quá khứ đã xảy ra hàng trăm triệu năm trước sâu thẳm trong vũ trụ.

Hơn nữa, tấm gương của James Webb sẽ là một trong những hệ thống tàu vũ trụ phức tạp nhất từng được phóng và - không có gì ngạc nhiên - nó cần một nhóm chuyên gia, rất nhiều phát triển và rất nhiều thử nghiệm để chuẩn bị cho tấm gương của James Webb để phóng và hoạt động tại điểm Lagrange 2 (L2).

Để có cái nhìn sâu sắc về chiếc gương đáng kinh ngạc này và cách nó hoạt động, NASASpaceflight đã phỏng vấn Lee Feinberg của NASA, Giám đốc phần tử của Kính viễn vọng Quang học James Webb.

Khi thảo luận về bất kỳ gương kính viễn vọng không gian nào, nhiều người sẽ nghĩ lại về khiếm khuyết khét tiếng trong gương của Hubble vào những năm 1990 - khi gương của kính thiên văn này bị đánh bóng sai cách, gây ra hiện tượng quang sai cầu nghiêm trọng. Rất may, Hubble đã có thể được phục vụ bởi các sứ mệnh Tàu con thoi, vì vậy các thiết bị sửa chữa và sửa chữa mới, đã được phóng lên và đặt lại trong kính thiên văn.

Tuy nhiên, James Webb là loại kích không thể được phục vụ bởi một tàu vũ trụ do quỹ đạo của nó. Hơn nữa, James Webb, không giống như Hubble, có 18 gương nhỏ hơn kết hợp lại để tạo thành gương chính của kính thiên văn.

Vậy những bài kiểm tra chi tiết nào đã được thực hiện để đảm bảo gương không có khuyết tật, và những bước nào đã được thực hiện để đảm bảo rằng bất kỳ đoạn gương đơn nào không có quang sai?

Hubble đã nhìn thấy qua các cửa sổ của Sàn bay của Tàu con thoi Atlantis trên STS-125. (Nhà cung cấp: NASA)

“Vì vậy, các bài học kinh nghiệm [từ kính Hubble] đã được đưa vào một báo cáo được thực hiện trên Hubble. Nó được dẫn dắt bởi Sky Luallen, một cựu giám đốc của Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, nhưng nó được gọi là báo cáo của Allen và họ đưa ra một loạt khuyến nghị về những điều chúng tôi cần làm để tránh loại vấn đề của Hubble. Và hóa ra chúng tôi đã làm tất cả những điều đó rồi, ”Feinberg nói.

“Điều thực sự khiến Hubble khó chịu không phải là họ không thực hiện một phép đo độc lập. Họ thực sự đã đo gương chính bằng hai thấu kính rỗng khác nhau, nhưng vấn đề là họ đã chiết khấu dữ liệu từ một bộ gồm một thấu kính mà họ cho là kém chính xác hơn ”.

“Trong trường hợp của chúng tôi trên Webb, những gì chúng tôi đã làm là thiết lập các tiêu chí cho mỗi bài kiểm tra mà chúng tôi thực hiện trước đó và chúng tôi luôn đảm bảo rằng chúng tôi đáp ứng các tiêu chí đó. Chúng tôi cũng rất minh bạch về việc chia sẻ dữ liệu đó. Chúng tôi có một ủy ban độc lập, một số người trong số họ có quan hệ huyết thống với Hubble, đã xem xét dữ liệu của chúng tôi. Vì vậy, đó là điều thứ hai. Sau đó, chúng tôi đã thực hiện một loạt các cuộc kiểm tra chéo trên đường đi ”.

Điều này đảm bảo sự cố giống như Hubble sẽ không xảy ra với gương của James Webb, được tạo thành từ 18 gương berili nhỏ hơn, được mạ vàng kết hợp với nhau để tạo ra gương lục giác mang tính biểu tượng của kính thiên văn.

Kim loại Beryllium rất nhẹ, do đó, tại sao nhóm nghiên cứu gương James Webb lại chọn nó khi thiết kế gương?.

“Đúng là berili rất nhẹ và có cái mà chúng ta gọi là tỷ lệ độ cứng trên khối lượng rất cao, có nghĩa là nó không chỉ nhẹ mà còn rất cứng so với khối lượng mà nó nặng. Bạn sẽ nghĩ đó là lý do số một tại sao chúng tôi chọn berili, nhưng đó thực sự không phải là động lực chính, mặc dù đó là một lợi ích phụ, ”Feinberg nói.

“Bạn biết đấy, một trong những thách thức lớn thực sự khi xây dựng Webb là tìm cách làm cho nó nhẹ hơn. Gương của nó nhẹ hơn 10 lần trên một đơn vị diện tích so với chúng ta sử dụng trên Hubble nhưng chúng hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh của gương Spitzer. Cuối cùng, chúng tôi sẽ phải tạo ra các phân đoạn của nó [chiếc gương] và chúng tôi sẽ phải sản xuất hàng loạt nó. "

"Vì vậy, nó cũng phải rất nhẹ, nhưng cũng rất chính xác."

Sau khi thực hiện một số chương trình thiết kế với Bộ Quốc phòng trong khi kính thiên văn đang được phát triển, Feinberg và nhóm của ông nhận thấy rằng berili là nguyên tố tốt nhất để sử dụng cho các gương với các điều kiện.

“Và hóa ra lợi thế của berili thực sự là hiệu suất của nó. Nhưng khối lượng không lớn như vậy, mà là hai thứ - hệ số giãn nở nhiệt của nó ở nhiệt độ lạnh. Lý do tại sao bạn muốn một chiếc gương ổn định ở nhiệt độ hoạt động của bạn là nếu có những sai lệch nhỏ về nhiệt độ, chiếc gương của bạn sẽ không thay đổi hình dạng của nó, ”Feinberg giải thích.

Không giống như kính thiên văn trên mặt đất, nhóm nghiên cứu không thể cập nhật hoặc di chuyển các tấm gương của Webb cho đến hai tuần sau khi ra mắt.

“Webb phải ổn định trong hai tuần trước khi chúng tôi cập nhật vị trí gương, vì vậy bản thân các gương và bảng nối sau đều phải ổn định. Vì vậy, hệ số giãn nở nhiệt ở nhiệt độ hoạt động của chúng ta, mà đối với gương, thay đổi trong khoảng từ 30 đến 55 Kelvin… Beryllium là vật liệu tuyệt vời này ở những nhiệt độ đó. Nếu bạn nhìn vào một hệ số của đường cong giãn nở nhiệt, bạn sẽ thấy nó phẳng như thế nào, có nghĩa là ngay cả khi có sự thay đổi nhiệt độ, không có gì di chuyển ”.

“Điều thứ hai tuyệt vời về berili là nó dẫn nhiệt. Nó hoạt động giống như một kim loại về độ dẫn nhiệt, và điều đó làm được là làm cho gương có nhiệt độ đồng nhất. "

James Webb là kính thiên văn hồng ngoại, không giống như Hubble là kính thiên văn ánh sáng nhìn thấy được. Để tối đa hóa lượng ánh sáng hồng ngoại mà kính thiên văn quan sát được, đội gương đã phủ vàng lên mỗi gương - một yếu tố có khả năng phản xạ ánh sáng hồng ngoại rất tốt.

“Bạn biết phản xạ hoạt động như thế nào từ POV của điện từ bởi vì, thực sự, các vật liệu khác nhau phản xạ khác nhau do cấu trúc phân tử và nguyên tử của chúng, cách chúng hình thành về việc một thứ gì đó là tinh thể hay kim loại, sau đó là cách các electron được hình thành và cách chúng phản xạ soi rọi. Hóa ra vàng, khi bạn nhìn vào đặc tính của nó, có đặc tính là phản xạ rất cao ”.

Hơn nữa, để tăng cường lượng ánh sáng mà kính thiên văn có thể quan sát, nhóm nghiên cứu gương James Webb đã phủ một chất bảo vệ lên các gương vàng cho phép kính thiên văn quan sát một dải bước sóng lớn.

“Tôi nên nói thêm rằng chúng tôi phủ vàng lên một bề mặt rất bảo vệ để nó được bảo vệ tốt. Có nhiều chi tiết hơn về cách mọi người xây dựng lớp phủ sao cho tối ưu, nhưng một trong những điều độc đáo về Webb mà bạn có thể chưa nghĩ đến là nếu bạn thực sự nhìn vào dải bước sóng hoạt động của Hubble, nó đi từ khoảng Lyman-alpha , có kích thước khoảng 121 nanomet, lên đến khoảng hai micrômét và đó là sử dụng một lớp phủ nhôm, ”Feinberg cho biết

“So sánh với Webb, con số đó lên đến 28 micron, và sau đó chúng tôi thực sự có độ nhạy đối với [bước sóng] nhìn thấy được vào khoảng 0,6 micron. Vì vậy, chúng tôi đang phủ sóng dải bước sóng hơn 27 micron. Đó là một dải bước sóng khổng lồ với hệ số phản xạ đáng kinh ngạc. Điều đó tốt hơn nhôm ở dạng nhìn thấy được. "

“Vàng là một vật liệu đáng kinh ngạc về khả năng phản xạ ánh sáng trên dải bước sóng lớn như vậy. Vì vậy, chúng tôi đã thực sự được hưởng lợi từ hai món quà của thiên nhiên để tận dụng tối đa Webb. ”

Mỗi gương riêng lẻ trên Webb có tính năng đối xứng sáu lần hoặc hình lục giác có thể xoay 60 ° hoặc 120 ° mà không làm thay đổi hình dạng của chúng. Vì vậy, tại sao điều quan trọng đối với James Webb là tính năng đối xứng sáu lần chứ không phải các kính viễn vọng không gian trước đây?

Feinberg cho biết: “Đối với Webb, lý do tại sao chúng tôi sử dụng hình lục giác là vì nó thực sự mang lại hiệu quả khi cần mở tấm gương ra.

“Bây giờ, làm sao chúng ta biết được điều đó? Để làm khoa học, bạn bắt đầu với lý do tại sao Webb lại lớn như vậy. Chà, các nhà khoa học nhận ra rằng chúng ta cần một chiếc gương có kích thước nhất định thực sự vì hai lý do. Một là gương càng lớn càng tốt. Nếu bạn làm việc ở bước sóng dài hơn, nơi bạn đi từ vùng nhìn thấy được sang vùng hồng ngoại, bạn sẽ tăng thêm hệ số bốn hoặc năm nếu bạn muốn có độ phân giải ngang bằng với Hubble ”.

“Bạn cần phải có một chiếc gương lớn hơn khoảng bốn hoặc năm lần, và vì vậy đó là một trong những điều chúng tôi thực sự muốn. Các nhà thiên văn học cho biết 'Chúng tôi thực sự cần mức độ phân giải đó.' Độ phân giải mà họ có trên Hubble mà họ sử dụng để quan sát vũ trụ sơ khai và trường sâu của Hubble, nhưng họ cũng muốn có độ nhạy tốt trong tia hồng ngoại vì họ cần nhìn trong tia hồng ngoại để xem ánh sáng chuyển màu đỏ. vũ trụ sơ khai. ”

“Vì vậy, bạn có khẩu độ lớn hơn để có độ phân giải, nhưng bạn cũng cần độ nhạy. Bạn cần một khu vực thu thập. Và tất cả những điều đó khiến họ cần phải nói rằng chúng tôi cần một chiếc gương có diện tích thu thập khoảng 25 mét vuông trở lên, ít hơn một chút so với Webb hiện tại, ”Feinberg nói.

Trong những tuần sau khi phóng, James Webb sẽ đi qua không gian để hướng tới điểm đến cuối cùng của nó - Điểm Lagrange 2 (L2). Trong chuyến đi kéo dài gần một tháng tới L2, James Webb sẽ triển khai tất cả các thiết bị của mình để chuẩn bị cho các quan sát khoa học hồng ngoại đầu tiên của mình.

“Các tấm gương thực sự không triển khai ngay lập tức như bạn có thể biết. Đôi cánh và gương thứ cấp mở ra, nhưng cả hai đều là một phần của hai tuần triển khai đầu tiên, ”Feinberg nói.

“Chúng tôi có cả một nhóm đặc biệt mà tất cả những gì họ lo lắng là việc triển khai, và vì vậy nhóm triển khai đang lo lắng về các khía cạnh triển khai của mọi thứ. Nhưng từ quan điểm phản chiếu, loại điều mà chúng ta quan tâm mà chúng ta sẽ đặc biệt chú ý vào thời điểm đó là nhiệt độ của gương, đặc biệt là ở giai đoạn đầu của sứ mệnh, và sau đó khi chúng đang hạ nhiệt chỉ để đảm bảo mọi thứ hoạt động đúng theo quan điểm nhiệt độ. "

“Một điều khác mà chúng tôi rất chú ý là, khi mọi thứ nguội đi, bạn phải đảm bảo rằng bạn không đóng băng trên bất kỳ bề mặt quan trọng nào. Nước có thể thoát ra khỏi những thứ ấm áp, chẳng hạn như tàu vũ trụ, bạn cần tránh xa các bề mặt lạnh, đặc biệt là khi chúng xuống dưới một nhiệt độ nhất định, nơi nước sẽ ngưng tụ. "

“Nhưng đó không phải là ngày 15 hoặc lâu hơn. Khoảng hai tuần sau khi thực hiện sứ mệnh, chúng tôi cuối cùng sẽ bắt đầu triển khai chính các phân đoạn nhân bản thực tế. Các phân đoạn gương chính và quá trình triển khai gương phụ kéo dài hơn một tuần rưỡi vì các gương, khi chúng tôi khởi chạy, ở vị trí xếp gọn và chúng tôi sẽ phải triển khai từng chiếc trong số chúng khoảng một nửa inch. Chúng tôi đi theo từng bước nhỏ và chúng tôi theo dõi cẩn thận từng tấm gương. Chúng tôi phải đảm bảo các tấm gương có thể đến gần nhau, vì vậy sẽ có rất nhiều chi tiết ”.

“Điều quan trọng khác là đảm bảo rằng sau khi cánh và cấu trúc hỗ trợ gương phụ được triển khai, chúng sẽ được cố định vào đúng vị trí. Và chúng tôi sẽ muốn chú ý và đảm bảo rằng tất cả các chốt đều tốt. Đó là loại phép đo từ xa mà chúng tôi sẽ đặc biệt chú ý từ góc độ kính thiên văn để đảm bảo rằng chúng tôi sẽ sẵn sàng bắt đầu triển khai các tấm gương ”.

Tuy nhiên, khi James Webb trải qua quá trình triển khai nghiêm ngặt, hệ thống sao lưu là rất cần thiết trong trường hợp có sự cố xảy ra trong quá trình triển khai nhân bản. Vậy có bao nhiêu dự phòng được tích hợp vào các hệ thống triển khai kính thiên văn?

“Tất cả hệ thống điện, tất cả hệ thống dây điện, thậm chí cả cuộn dây trên động cơ, tất cả những thứ đó đều là thừa. Nhưng về mặt cơ học của mọi thứ, chúng ta thường gọi những điều đó là những thất bại đơn lẻ không đáng tin cậy. Họ là những nơi mà nếu một cái gì đó không được triển khai, nó sẽ có vấn đề, ”Feinberg giải thích.

Tuy nhiên, nếu điều tồi tệ hơn xảy ra, liệu James Webb vẫn có thể hoạt động nếu một hệ thống gương chính, chẳng hạn như hai cánh có thể gập lại của gương chính, không được triển khai?

“Điều duy nhất tôi có thể nói với bạn là chúng tôi chắc chắn không thể đáp ứng các yêu cầu cơ bản của mình. Nếu không có cánh, chúng tôi sẽ không đáp ứng được yêu cầu về diện tích [gương]. Trường hợp chúng tôi vẫn có thể đáp ứng một số yêu cầu tối thiểu là nếu một nhân bản không được triển khai đầy đủ. Và chúng tôi có kế hoạch dự phòng cho những việc cần làm nếu chúng tôi gặp sự cố, chẳng hạn như với một trong những tấm gương. "

“Ví dụ, chúng tôi có thể hướng gương ra ngoài nếu chúng tôi có một số bộ truyền động đang hoạt động, hoặc chúng tôi có thể làm mất nét nó. Vì vậy, chúng ta có thể vượt qua nếu không có một trong những chiếc gương. Tôi nghĩ điều đó rất khó xảy ra, tuy nhiên, thành thật mà nói với bạn. Những chiếc gương đã được thử nghiệm thực sự tốt, và có tất cả những thứ dư thừa mà bạn muốn. "

“Các triển khai lớn khác nhau vì chúng khó kiểm tra hơn trong môi trường 1 g. Ví dụ, chúng tôi đã triển khai các gương trong một thử nghiệm ở nhiệt độ và chúng tôi triển khai chúng ở các hướng trọng lực khác nhau. Vì vậy, chúng tôi đã thực sự bao phủ tất cả các môi trường tiềm năng. Vì vậy, mặc dù chúng tôi có thể sống mà không có gương, nhưng điều đó rất khó xảy ra. "

Được bảo vệ khỏi tia sáng Mặt trời bởi tấm chắn nắng nhiều lớp của nó, Kính viễn vọng Không gian James Webb mở các gương của nó để quan sát vũ trụ. 

Sau khi thực hiện chuyến đi kéo dài một tháng đến L2, điều gì sẽ là ánh sáng đầu tiên, ngoài chính nó, mà James Webb sẽ nhìn thấy?

“Vì vậy, trước hết, ánh sáng đầu tiên mà đài quan sát nhìn thấy đến từ camera khoa học chính NEARCam. Vì vậy, chúng ta phải đợi NEARCam đủ lạnh để các máy dò của nó đủ lạnh. Hóa ra là với các thiết bị dò hồng ngoại, đặc biệt là loại mà chúng ta sử dụng cho thiên văn học, khi chúng ấm, chúng tạo ra nhiễu nền nhiều đến mức bạn thậm chí không thể nhìn thấy hình ảnh, ”Feinberg giải thích.

Vật thể trong không gian sâu đầu tiên mà James Webb quan sát có thể sẽ là một ngôi sao sáng, và nhóm sẽ sử dụng ngôi sao đó để hỗ trợ James Webb căn chỉnh gương. Ngôi sao cụ thể có thể sẽ được xác định từ một hình ảnh loại trường sâu.

“Ý tôi là, chúng tôi biết nó sẽ là một ngôi sao sáng bị cô lập,” Feinberg nói.

“Chúng tôi sẽ có được chút ánh sáng đầu tiên với NEARCam ở đâu đó sau tháng đầu tiên. Đó là lúc tôi thực sự phấn khích vì khi đó chúng ta bắt đầu thấy mọi thứ trở nên đủ lạnh để chúng ta có thể thực sự làm được điều gì đó. Điều đầu tiên chúng tôi làm là sử dụng NEARCam và chúng tôi tạo một bức tranh ghép. Chúng tôi sẽ tạo một bức tranh khảm các hình ảnh NEARCam và xem xét một trường sao lớn hơn. ”

“Chúng tôi đã phát triển các thuật toán để xác định nơi chúng tôi đang trỏ và sau đó chúng tôi có thể tinh chỉnh nơi chúng tôi đang trỏ và bắt đầu trình tự căn chỉnh sẽ mất hơn ba tháng.”

Tuy nhiên, nhóm nhân bản vẫn chưa xác định được họ sẽ sử dụng ngôi sao cụ thể nào để căn chỉnh. “Chúng tôi vẫn chưa chọn điều đó và điều đó cũng sẽ phụ thuộc chính xác vào thời điểm chúng tôi Phóng nó vào không gian. Họ sẽ đợi cho đến khi chúng tôi ra mắt một vài tuần nữa trước khi họ chọn ngôi sao chính xác. "


 ----o00o----

www.Uviet.net