Напередодні довгоочікуваного запуску космічного телескопа Джеймс Вебб, ми розповімо про послідовність подій після запуску обсерваторії.
Орбіта навколо Сонця
Космічний телескоп Джеймс Вебб не буде перебувати на орбіті навколо Землі, як космічний телескоп Хаббл - він буде фактично обертатися навколо Сонця, на відстані 1,5 мільйона кілометрів від Землі в так званій другій точці Лагранжа або L2.
Особливість цієї орбіти полягає в тому, що вона дозволяє телескопу залишатися на одній лінії з Землею, коли вона рухається навколо Сонця. Це дозволяє великому сонячному екрану захищати телескоп від світла і тепла Сонця і Землі (і Місяця).
Анімація орбіти телескопа
Чому має значення напрямок Землі і Сонця?
Джеймс Вебб насамперед спостерігатиме інфрачервоне світло, яке іноді може відчуватися як тепло.
Оскільки телескоп буде спостерігати дуже слабкі інфрачервоні сигнали дуже далеких об'єктів, його необхідно захистити від будь-яких яскравих гарячих джерел. Сюди ж входить і сама обсерваторія! Сонцезахисний екран служить для відокремлення чутливих дзеркал і інструментів не тільки від Сонця і Землі/Місяця, але і від корпусу космічного апарату.
Сам телескоп працюватиме при температурі близько 225 градусів нижче нуля за Цельсієм. Різниця температур між гарячою і холодною сторонами телескопа величезна - можна майже вскип'ятити воду на гарячій стороні і заморозити азот на холодній стороні!
Щоб сонцезахисний екран був ефективним захистом (він дає телескопу «сонцезахисний крем», еквівалентний SPF в один мільйон) від світла і тепла Сонця/Землі/Місяця, всі ці тіла повинні бути розташовані в одному напрямку.
Ось чому телескоп буде знаходиться в другій точці Лагранжа.
Що таке точка L2?
Жозеф-Луї Лагранж був математиком 18 століття, який знайшов рішення так званої «проблеми трьох тіл».
Тобто, чи існує якась стабільна конфігурація, в якій три тіла могли б обертатися навколо один одного, залишаючись при цьому в одному і тому ж положенні відносно один одного?
Виявляється, є п'ять рішень цієї проблеми - і вони називаються п'ятьма точками Лагранжа на честь їх першовідкривача.
У точках Лагранжа гравітаційне тяжіння двох великих мас в точності дорівнює центростремній силі, необхідній невеликому об'єкту, щоб рухатися разом з ними. Точки L1, L2 і L3 знаходяться на одній лінії один з одним, а L4 і L5 знаходяться в точках рівносторонніх трикутників.
Перша точка Лагранжа Сонце-Земля, L1, знаходиться на відстані 1,5 мільйона км від Землі у напрямку до Сонця, і тут було розташовано безліч сонячних обсерваторій, включаючи DSCOVR, WIND, SOHO і ACE.
Є й інші супутники в точці L2, в тому числі WMAP, Herschel і Planck.
Деякі технічні деталі: об'єкту (наприклад, космічному кораблю) в одній з цих п'яти точок легко залишатися на місці відносно двох інших тіл (наприклад, Сонця і Землі). Фактично, L4 і L5 стабільні в тому сенсі, що там об'єкти будуть обертатися в L4 і L5 без сторонньої допомоги. Відомо, що деякі невеликі астероїди обертаються навколо точок L4 і L5 Сонце-Земля. Однак L1, L2 і L3 є метастабільними, тому об'єкти навколо цих точок повільно йдуть на свої орбіти навколо Сонця, якщо вони не зберігають своє положення, наприклад, за допомогою невеликої періодичної ракетної тяги. Ось чому L1, L2 і L3 не «збирають» об'єкти, як L4 і L5.
Джеймс Вебб в точці L2
Якщо Джеймс Вебб обертається навколо Сонця далі, ніж Земля, чи не повинно знадобитися йому більше року, щоб обертатися навколо Сонця?
Зазвичай так, але баланс комбінованого гравітаційного тяжіння Сонця і Землі в точці L2 означає, що телескоп не буде відставати від Землі, коли вона обертається навколо Сонця.
Гравітаційні сили Сонця і Землі можуть майже утримувати космічний апарат у цій точці, тому потрібна відносно невелика тяга ракети, щоб утримувати космічний телескоп на орбіті навколо L2.
І Джеймс Вебб буде обертатися навколо точки L2, а не сидіти нерухомо в L2. Орбіта телескопа насправді буде схожа на орбіту Місяця навколо Землі. Ця орбіта (на завершення якої у Вебба йде близько 6 місяців) захищає телескоп від тіней як Землі, так і Місяця. На відміну від Хаббла, який входить у тінь Землі і виходить з неї кожні 90 хвилин, Джеймс Вебб матиме безперешкодний огляд, який дозволить вести наукові операції цілодобово і без вихідних.
Спілкування з телескопом
Положення Вебба в L2 також дозволяє легко підтримувати з ним зв'язок. Оскільки він завжди буде в одному і тому ж місці щодо Землі - в опівнічному небі на відстані приблизно 1,5 мільйона км - можна мати постійний зв'язок з ним через мережу дальнього космосу (DSN), використовуючи три великі антени на землі, які знаходяться в Австралії, Іспанії та США (Каліфорнія).
Під час кертинних операцій телескоп передаватиме послідовності команд висхідного каналу і дані низхідного каналу до двох разів на день через DSN. Обсерваторія може автономно виконувати послідовність команд (наведення та спостереження). Як правило, Науковий інститут космічного телескопа завантажує команди за цілий тиждень і оновлює їх щодня в міру необхідності.
Скільки часу потрібно Веббу, щоб дістатися до L2?
Телескопу потрібно приблизно 30 днів, щоб досягти початку своєї орбіти в L2, але потрібно всього 3 дні, щоб дістатися до орбіти Місяця, що становить приблизно чверті шляху.
Вивести Вебба на його орбіту навколо L2 - це все одно, що досягти вершини пагорба, енергійно крутя педалі велосипеда тільки на самому початку підйому, генеруючи достатньо енергії і швидкості, щоб провести більшу частину шляху, катаючись по схилу, щоб сповільнитися до мінімуму, зупинитися і насилу дістатися до вершини.
Хронологія подій після запуску:
У першу годину: політ у космос, розгортання сонячних батарей і «вільний політ». Ракета-носій Ariane 5 забезпечуватиме тягу протягом приблизно 26 хвилин після старту з Французької Гвіани. Через кілька миттєвостей після відключення двигуна другого ступеня телескоп відокремиться від Ariane, що призведе до розгортання сонячної батареї протягом декількох хвилин, щоб Вебб міг почати виробляти електрику з сонячного світла і припинити розряджати батарею. Вебб швидко навчиться орієнтуватися і «літати» в космосі.
- У перший день: Проміжна корекція до L2. Ariane відправить Вебба по прямому маршруту до L2, не обертаючись навколо Землі. У перший день буде виконано перший і найважливіший маневр з корекції траєкторії з використанням малих ракетних двигунів на борту самого телескопа. Він також випустить і розгорне антену з високим коефіцієнтом посилення, щоб забезпечити максимальну доступну швидкість передачі даних якомога раніше.
- У перший тиждень: розгортання Sunshield (сонцезахисний екран). Незабаром після того, як телескоп виконає другий маневр корекції траєкторії, він почне послідовність основних розгортань, починаючи з носової і кормової частини сонцезахисних піддонів. Наступний крок - поділ корпусу космічного корабля і телескопа шляхом подовження телескопічної вежі між ними. Вежа вийде приблизно на 2 метри, і на цьому етапі послідовності дій необхідно, щоб можна було продовжити розгортання решти сонцезахисного екрану. Потім сонцезахисні мембрани будуть відкріплені, і телескопічні сонцезахисні середні штанги висунуться - спочатку по лівому, а потім по правому борту, витягуючи мембрани разом з ними. Останній етап розгортання сонцезахисного козирка - натягнення мембран. Тим часом будуть випущені і розгорнуті інші речі, такі як радіатори.
- У перший місяць: розгортання, перезарядка телескопа, включення приладу і виведення на орбіту навколо L2. Протягом другого тижня після запуску завершиться розгортання конструкцій телескопа, буде розгорнуто і зафіксовано штатив вторинного дзеркала, а також повернуто і зафіксовано два крила головного дзеркала. Зверніть увагу, що телескоп і наукові інструменти почнуть швидко остигати в тіні сонцезахисного козирка, але їм потрібно кілька тижнів, щоб повністю охолонути і досягти стабільної температури. Це охолодження буде ретельно контролюватися за допомогою смуг електричного обігрівача, щоб все ретельно стискалося і щоб вода, затримана всередині частин обсерваторії, могла відлетучуватися у вигляді газу в космічний вакуум, а не замерзати на дзеркалах або детекторах. Ближче до кінця першого місяця буде виконаний останній маневр на середині курсу, щоб вийти на оптимальну орбіту навколо L2. У цей час також включаться системи наукових приладів. Решта п'ять місяців введення в експлуатацію будуть присвячені калібруванню оптики та наукових інструментів.
- У другий, третій і четвертий місяць: первинна перевірка оптики та юстування телескопа. Використовуючи датчик точного наведення, інженери наведуть Вебб на одну яскраву зірку і продемонструють, що обсерваторія може захоплювати і фіксувати цілі, і вони будуть отримувати дані в основному за допомогою NIRCam. Але оскільки сегменти головного дзеркала ще не вирівняні, щоб працювати як єдине дзеркало, буде до 18 спотворених зображень однієї і тієї ж єдиної цільової зірки. Потім інженери приступлять до довгого процесу юстування всієї оптики телескопа, починаючи з визначення того, який сегмент головного дзеркала відповідає якому зображенню, переміщуючи кожен сегмент по одному, і закінчуючи кількома місяцями пізніше, коли всі сегменти вирівняні як один. Охолодження фактично закінчиться, і кріокулер почне працювати з мінімальною температурою, і MIRI також зможе почати збір хороших даних.
- На п'ятому і шостому місяцях: Калібрування і здача в експлуатацію. Команда фахівців ретельно відкалібрує багато режимів роботи всіх наукових інструментів при спостереженні за репрезентативними цілями, і продемонструє здатність відстежувати «рухомі» цілі, які є прилеглими об'єктами, такими як астероїди, комети, місяця і планети в нашій власній сонячній системі. Будуть проведені «попередні спостереження», які будуть розкриті відразу після завершення введення в експлуатацію, що продемонструє можливості обсерваторії.
- Через шість місяців: «Наукові операції!» Джеймс Вебб приступить до виконання своєї наукової місії.