o základných konceptoch teleskopu Jamesa Webba som na Twitter písal takto pred rokom. V dňoch, kedy na zem začali prichádzať prvé snímky hlbokého vesmíru pohľadom Webbovho teleskopu. Po prvom roku prevádzky môžeme dnes naozaj skonštatovať, že tento fenomenálny prístroj nám prvýkrát v histórii ľudstva ukázal hlboký vesmír vo vysokom rozlíšení. Poďme však od začiatku.
na čo slúži Webbov teleskop a kde je?
Primárnym cieľom Webbovho teleskopu je rozšíriť poznanie o úplne prvotných fázach vesmíru. NASA vychádza z predpokladu, že vesmírom stále lietajú svetelné častice (fotóny), ktoré pochádzajú z obdobia veľkého tresku, čiže zhruba 13.8 miliardy rokov dozadu. (Pre porovnanie, naša planéta má približne 4.5 miliardy rokov).
Na projekte teleskopu sa začalo pracovať v roku 2003 a jeho vývoj a výroba spotrebovali približne 10 miliárd dolárov. Ide tak o najdrahší projekt v histórii existencie NASA. Od začiatku prác po jeho vypustenie do vesmíru ubehlo 25 rokov.
Na rozdiel od Hubblovho teleskopu, ktorý obieha našu planétu na nízkom zemskom orbite (cca 570km nad našimi hlavami), Webbov teleskop je umiestnený v tzv. bode Lagrange 2, zhruba 1.5 milióna kilometrov od zeme.
Lagrange body sú také miesta, kde sa gravitačné sily dvoch objektov, ktoré sa navzájom ovplyvňujú — v tomto prípade Slnka a Zeme, dostávajú do rovnováhy a preto je možné k týmto bodom pomerne jednoducho umiestňovať objekty ako napr. satelity či teleskopy. Každá dvojica objektov, ktorých gravitačné sily sa ovplyvňujú, má takýchto bodov päť.
WebbTelescope.orgLagrange body.
Bod Lagrange 2 je navyše špecifický v tom, že pohybom Zeme okolo Slnka sa pohybuje aj tento bod takým spôsobom, že bodu vždy Zem tieni väčšinu slnečného žiarenia. Nie úplne všetko, ale môžeme povedať, že je tam naozaj tma.
Aby Webbov teleskop mohol prinášať tak úchvatné snímky hlbokého vesmíru, aké vidíme, museli vedci zabezpečiť, aby na jeho zrkadlá nikdy nedopadlo žiadne slnečné žiarenie.
Aj do bodu Lagrange 2 sa však predsa len dostáva malá časť tepla zo Slnka či Zeme a toto teplo by mohlo ovplyvňovať fungovanie teleskopu, ktorý bude na odvrátenej strane od Slnka pracovať v teplote prostredia približne -233°C (zima, však?). Na tieto účely je súčasťou Webbovho teleskopu masívny tepelný štít, ktorého úloha je zachytiť približne 200 000 Wattov energie zo Slnka a nepustiť na druhú stranu, kde je objektív kamery, viac ako 1 Watt.
NASA na tepelný štít použila niekoľko vrstiev kaptónu s hrúbkou iba desatín milimetrov, medzi ktorými je vákuum. Tvar tohto tepelného štítu zabezpečuje, že aj energia, ktorá prenikne medzi tieto vrstvy, je emitovaná mimo teleskop smerom, ktorý neovplyvní jeho správne fungovanie.
nytimesTepelný štít teleskopu.Čerešničkou na torte je fakt, že teleskop do vesmíru putoval poskladaný, a na svoj finálny tvar sa rozložil až počas svojej niekoľkodňovej cesty vesmírom na miesto svojho určenia. Čokoľvek by sa počas procesu pokazilo, misia za miliardy dolárov by sa skončila.
webb telescope.orgRozkladanie teleskopu vo vesmíre.
ako sa teleskop pozerá do vesmíru?
Poďme teraz k samotnému pozorovaniu — teleskop sa zvyčajne skladá zo zrkadiel a nazvime to kamery, ktorá zaznamenáva svetlo dopadajúce na zrkadlá teleskopu. Webbov teleskop však na rozdiel od pozemských teleskopov či Hubblovho teleskopu nie je určený na zachytávanie „viditeľného svetla“. Zameriava sa na vlnové dĺžky infračerveného žiarenia, ktoré my naším voľným okom nemôžeme vidieť.
Elektromagnetické spektrum.
Porovnanie veľkosti zrkadiel Hubble vs. Webb.
Zlato na zrkadlách tiež nie je použité náhodou — zrkadlo zo zlata by bolo veľmi nepraktické pre bežné použitie na Zemi, lebo viditeľné svetlo neodráža nijak dokonale. Avšak pri odrážaní infračerveného žiarenia nemá konkurenciu.
Tu si treba uvedomiť, že na teleskop bude dopadať iba minimálne množstvo svetla. Pre lepšiu predstavu — ak sa na nočnej oblohe pozriete na silno žiariacu hviezdu, na vaše oko z danej hviezdy dopadá približne milión fotónov za sekundu. Webbov teleskop má za úlohu zachytiť najtmavšie objekty vesmíru. Také, z ktorých dopadne na zrkadlá teleskopu jeden jediný fotón za sekundu. Práve preto má Webbov teleskop zrkadlo 5,5 krát väčšie ako Hubblov teleskop a je umiestnený v takmer dokonalej tme o 1,5 miliónov kilometrov ďalej.
Zrkadlo teleskopu.
So samotným umiestnením teleskopu vo vesmíre je spojených veľa výziev. Napríklad Hubblov teleskop mal od svojho spustenia niekoľko technologických problémov, ktoré však NASA dokázala riešiť vyslaním servisnej misie na orbit. Webbov teleskop je príliš ďaleko na to, aby sme k nemu kedykoľvek poslali človeka. NASA preto musí byť schopná na Webbovom teleskope čo najviac možných budúcich opráv robiť na diaľku.
Webbov teleskop čerpá energiu zo solárnych článkov, na udržiavanie svojej polohy v bode Lagrange 2 však používa motory, ktoré majú svoje palivové články s tekutým palivom. Toto palivo bolo plánované tak, aby vydržalo teleskopu zhruba 10 rokov. Keď však teleskop cestoval zo Zeme do bodu Lagrange 2, zhoda okolností ušetrila teleskopu obrovské množstvo paliva. Predpokladá sa, že teleskop sa bude vedieť udržať na svojom mieste až približne 20 rokov. Malý nečakaný zázrak v prospech vedcov z NASA.
Tí sú si teraz vedomí, že buď do 20 rokov prídu na spôsob, ako doplniť palivo teleskopu priamo v bode Lagrange 2, alebo sa misia teleskopu navždy skončí. Toto NASA zatiaľ vymyslené nemá. Nateraz teda platí, že 25 ročná príprava projektu trvala dlhšie, než je samotná predpokladaná životnosť teleskopu.
chladenie teleskopu
Vráťme sa teda k spomínanému chladeniu teleskopu. Povedali sme si, že teplota prostredia, v ktorom sa nachádzajú infračervené senzory teleskopu, je cca -233°C. Napriek tomu, že je to pre človeka nepredstaviteľná zima, pre správne fungovanie teleskopu je toto stále príliš vysoká teplota. Povedali sme si totiž, že tento teleskop nereaguje na svetlo z viditeľného farebného spektra, ale zaznamenáva infračervené žiarenie.
Problémom tu je fakt, ktorý poznáme z fyziky — každý jeden povrch (bez ohľadu na materiál), ktorého teplota je vyššia ako absolútna nula (-273.15°C), prirodzene emituje infračervené žiarenie. A vy už viete, že Webbov teleskop chce objavovať najtmavšie miesta vesmíru. Pre tento účel sú jeho senzory extrémne citlivé na infračervené žiarenie.
Pri teplote prostredia -233°C by jednotlivé povrchy teleskopu v blízkosti infračerveného senzoru vyžarovali stále priveľa žiarenia. Obraz z teleskopu by bol „zašumený“ — videli by sme tam bodky, ktoré nie sú vesmírny objekt, iba dôsledok vlastného žiarenia teleskopu. Ak by sa toto stalo, celý projekt teleskopu, tak ako je vymyslený, by nedával žiaden zmysel.
Aby sme teda v obraze z teleskopu tento šum nemali, musí byť senzor a jeho okolie ochladené ešte o ďalších 33 stupňov na teplotu -266°C. A keďže chceme mať z teleskopu obraz, ktorý je ostrý, potrebujeme eliminovať akékoľvek vibrácie — čiže zabudnime na to, že by sme použili klasický kompresorový chladič. Logika je jednoduchá. Ak nechceme, aby sme chladičom teleskopu spôsobovali vibrácie, potrebujeme eliminovať čo najviac „pohyblivých častí“ chladiča. Každá zbytočná pohyblivá časť sú zbytočné vibrácie, ktoré nám rozostrujú výsledný obraz. A tu prichádza na scénu absolútny skvost vedy a techniky.
termoakustický chladič
Základným fyzikálnym princípom, na ktorom termoakustický chladič funguje, je tzv. Joule-Thomsonov efekt. Niekedy sa označuje aj ako Joule-Kelvin efekt. (Barón Kelvin sa totiž civilným menom volal William Thomson. Meno je však nepodstatné, tým sa netrápme.) Tento jav hovorí o tom, že reálne plyny sa pri expanzii, pri ktorej nemusia vykonávať žiadnu prácu, ochladzujú alebo ohrievajú — závisí to od toho, aký plyn použijeme a aká je teplota okolia. V prípade použitého hélia pri teplotách, ktoré sú bežné v bode Lagrange 2, expanzia plynu znamená chladenie.
Termoakustický chladič Webbovho teleskopu.
Nekomplikujme si text príliš veľkým množstvom fyziky a zoberme si z toho iba jednu základnú myšlienku — vyšší tlak plynu, vyššia teplota. Nižší tlak plynu, nižšia teplota. A tu začína spomínaná mágia chladiča použitého vo Webbovom teleskope. Predstavte si rezonančnú komoru — uzavretú nádobu, v ktorej je prítomné spomínané hélium.
A teraz trochu z iného súdka. Asi viete, že zvuk nie je nič iné, než mechanické vlnenie — tak predsa funguje aj náš ušný bubienok — zmenu atmosférického tlaku pôsobiaceho na náš ušný bubienok, spôsobenú zvukovou vlnou (vibráciami), dokáže naše ucho zachytiť a mozog interpretovať ako zvuk, ktorý počujeme.
Čiže sme si povedali, že zvuková vlna nerobí nič iné, iba to, že mení tlak prostredia. A predtým sme si povedali, že Joule-Thomsonov jav znamená, že zmenou tlaku plynu vieme meniť teplotu tohto plynu. Vedci v NASA si povedali, že to využijú.
V rezonančnej komore chladiča teleskopu priebežne vytvárajú takzvané „stojaté vlnenie“. Stojatá vlna je taká, ktorej vrcholy vlnenia nemenia svoju polohu v priestore. Predstavte si to ako vlny na mori, ktoré by sa pohybovali hore a dolu, avšak nehýbali by sa nikam dopredu ani dozadu. V takom prípade vieme presne povedať, na ktorých miestach sa tlak v dôsledku vlnenia mení, a na ktorých nie.
Stojaté vlnenie a jeho vplyv na tlak.
Vedci z NASA museli už len vytvoriť zdroj stojatého vlnenia v rezonančnej komore tak, aby na jednej strane komory boli vyššie amplitúdy (nazvime to hlasnejší zvuk) a na druhej strane nižšie (tichší zvuk). To zároveň znamená — na jednej strane vyšší tlak, na druhej strane nižší tlak. A vy už teraz viete, že tam kde je vyšší tlak je vyššia teplota a naopak.
Samozrejme, ak si zo základnej školy pamätáte napr. Pascalov zákon tak viete, že v uzavretej nádobe pod tlakom je tlak na každom mieste rovnaký. Táto stredoškolská fyzika platí aj 1.5 miliónov kilometrov od školy. Kým sme v jednej rezonančnej komore, tlaky sa vyrovnajú. Inžinieri v NASA ale dokázali rezonančnú komoru rozdeliť vrstvou, cez ktorú prejde zvuková vlna, ale zabraňuje prestupu tepla. Tým pádom máme rezonančnú komoru rozdelenú na chladnú časť a teplú časť a ďalej je to už pomerne jednoduché.
youtubePrincíp fungovania chladiča teleskopu.
K tejto rozdelenej komore vedú dva výmenníky tepla. Jeden odvádza teplo z teplej časti k tepelnému štítu teleskopu, kde je toto teplo emitované von do vesmíru (v smere preč od senzorov teleskopu).
Druhý výmenník tepla odvádza chlad (ortodoxní fyzici pri tejto vete prežívajú malý infarkt) zo studenej časti rezonančnej komory smerom k elektronike a infračerveným senzorom teleskopu, čím sa chladia na požadovanú teplotu. Máme tu teda iba minimum pohyblivých častí, ktoré spôsobujú vibrácie.
Prvou je rezonujúci prvok v komore, ktorý generuje stojatú zvukovú vlnu. Druhý pohyblivý prvok sú dve pumpy, ktoré preháňajú chladiaci plyn (hélium) dookola celým systémom. Dve sú práve preto, aby nespôsobovali vibrácie. Sú totiž uložené presne oproti sebe a dokonale synchronizované a vyvážené, takže všetky vibrácie z ich činnosti sa neutralizujú navzájom.
Samozrejme všetko, čo tu píšem, je extrémne zjednodušenie mimoriadne zložitého systému, ktorý však na svoje fungovanie využíva dva jednoduché fyzikálne javy — spomínaný Joule-Thomson efekt a mechanické vlnenie. Tieto jednoduché javy sa veľmi precízne použili vo veľmi sofistikovanej konštrukcii.
Ak ste si teda pri prvej zmienke o chladiči v tomto článku povedali, že veď je to len chladič, doplnkový komponent teleskopu, teraz už chápete, že je absolútne kľúčový. Je to práve vďaka tomuto premyslenému mechanizmu , prečo sa dnes môžeme pozerať na dokonale ostré a nezašumené obrázky hlbokého vesmíru.
stála všetka tá námaha za to?
Približne pred rokom, 12. júla 2022, nám na Zem poslal teleskop obrázok, ktorý sa navždy zapíše do histórie skúmania vesmíru. Možno ste ho už videli. Dajme si ho rovno do porovnania s tým, čo sme videli Hubblovým teleskopom.
nasaPrvý obrázok z Webbovho teleskopu (dole) a porovnanie s kvalitou z Hubblovho teleskopu (hore).
nasaVznik hviezdy zachytený Webbovým teleskopom.
Za prvý rok svojej prevádzky nám Webbov teleskop ukázal množstvo obrázkov z miest vo vesmíre vzdialených od nás státisíce svetelných rokov. Ponúka nám pohľad do najskorších štádií vesmíru v kvalite, aká tu nikdy predtým nebola. Ukazuje nám, ako vznikajú hviezdy, čo sa nachádza uprostred čiernych dier, ako vyzerajú vzdialené galaxie. Ukazuje nám, že vo vesmíre je toho ešte niekoľkonásobne viac, než sme doteraz dokázali vidieť.
Webbov teleskop nám ukazuje, že keď zoberiete najšikovnejších vedcov a inžinierov, budete s nimi mať trpezlivosť 25 rokov a dáte im takmer neobmedzený rozpočet, dodajú vám zázrak na počkanie. Akokoľvek smiešne to znie — 25 rokov je na vesmírnych hodinkách absolútne bezvýznamný okamih. Ale vďaka tomuto 25 ročnému úsiliu sa dnes môžeme pozerať miliardy rokov späť do histórie. Generáciám ľudí pred nami sa to mohlo zdať ako fikcia. Prvý rok fungovania Webbovho teleskopu dokazuje, že je to skutočnosť.
Veľa informácií spomínaných v tomto článku je ešte podrobnejšie vysvetlených v tomto videu:Autor je odborný asistent na FIIT STU
Ak si predplatíte tlačený .týždeň na ďalší rok, pomôžete nám prežiť a robiť to, čo vieme. Vopred ďakujeme.