Celkově již po šesté vychází série otázek a odpovědí o Teleskopu Jamese Webba. Přiznám se, že v době začátku psaní jsem netušil, že se materiál takto rozroste. Příští pondělí už ovšem téma JWST definitivně v našem seriálu uzavřeme, ale nemusíte mít strach, protože na našich stránkách se dalekohledu budeme nepravidelně věnovat i nadále. Pojďme ale k dnešnímu obsahu. Dozvíme se třeba to, jaké další možnosti pozorování JWST nabídne, a nebo jak se český lev stal součástí testů Webbova teleskopu? Jak je do projektu zapojena Česká republika? A co další zrcadla teleskopu?  Tím se většina otázek ovšem již pomalu vyčerpala a příští díl bude tedy skutečně už definitivně poslední. Pokud svou otázku nenajdete v tomto díle, tak zkuste počkat na poslední část, nebo se už teď můžete podívat do předešlých částí, zda tam třeba vámi hledaný dotaz již není.

Další možnosti pozorování

A co sledování pohybujících se objektů?
Hardware a letový software teleskopu mohou sledovat efemeridu pro zdánlivé rychlosti až 0,030 úhlové vteřiny za sekundu s velmi malou chybou (specifikace je 0,017 úhlové vteřiny při 0,003 úhlové vteřiny za sekundu). Tato schopnost umožní bez problémů sledovat třeba Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun, Pluto a jejich přirozené satelity. Dále komety, planetky a menší tělesa na oběžné dráze Marsu nebo za ní. JWST používá pro efemeridy standardních objektů systém JPL HORIZONS. Pro objekty, které nejsou v databázi JPL, musí efemeridy dodat žadatel o pozorování.

Co když dojde k překvapivé události, jako je například nečekaně jasná kometa, nebo srážka komety s Jupiterem. Půjde JWST využít k pozorování?
Ano, příležitostné cíle lze běžně zpracovat již za dva dny. Observatoř se může otočit o 90 stupňů za méně než hodinu a operátoři budou posílat příkazy Webbovi dvakrát denně. Tato schopnost by mohla být použita pro supernovy, gama záblesky, srážky v naší sluneční soustavě nebo jiné časově kritické, neplánované nebo nepředvídané jevy. Limitujícím faktorem ovšem může být viditelnost. Pokud k události dojde v blízkosti Slunce nebo v úhlu, který bude v tu dobu pro teleskop nedostupný, nepůjde daný jev pozorovat. Z toho vyplývá, že JWST se pro sledování podobných jevů úplně nehodí, ale pokud to podmínky dovolí, bude schopen i takovýchto pozorování.

Nebylo by lepší realizovat několik menších misí místo jedné takto velké a nákladné?
Vědecké cíle, a s nimi spojené požadavky nakonec určují velikost mise. Pro zodpovězení některých vědeckých otázek je vhodný velký a přesně vyladěný teleskop, pro jiné postačí zase mnohem menší. Obě možnosti se ovšem řeší roky dopředu. Dekádový přehled z roku 2000 definoval řadu vědeckých úkolů, z nichž některé vyžadovaly technicky ambiciózní mise. Webb byl v dekádovém průzkumu z roku 2000 nejvýše hodnocenou prioritou. Projekt JWST cílí na vědecké poznatky, které nelze provést žádným jiným způsobem! Ani 10 menších teleskopů by nenahradilo výsledky z JWST. Rovnováha mezi velkými a malými misemi je vždy výsledkem stanovení priorit v dekádovém průzkumu a prováděcí strategie NASA. Historie navíc ukazuje, že nákladné a velké mise, jako Cassini, Voyager, Galileo, HST, byly stěžejní pro naše vědomosti a mají prakticky nevyčíslitelnou hodnotu. O čem svědčí například i míra publikací a citací z výzkumu těchto velkých kosmických misí. Ukazuje se, že se jedná o mimořádně produktivní zařízení, která umožňují tisícům vědců po celém světě provádět špičkový výzkum pomocí nejmodernějších přístrojů a doslova mění náš pohled na vesmír kolem nás.

Jak hluboko tedy JWST uvidí. Bude schopen vidět Velký třesk?
JWST bude schopen vidět události staré zhruba 200 milionů let po Velkém třesku, jak již bylo v našem seriálu mnohokrát poznamenáno na jiných místech.

Další doplňující otázky

Je životnost teleskopu něčím limitována. Chladící kapalinou, palivem?
Jediným podobným limitujícím faktorem je palivo. Už víme, že díky velmi přesné práci rakety Ariane 5 zbyla na palubě teleskopu pohonná látka na zhruba 20 let provozu. JWST tedy nemá na palubě žádné jiné plyny pro aktivní chlazení, které by mohly dojít. V raném designu se počítalo, že bude využit pro chlazení vodík, ale ten byl později nahrazen „lednicí“ s uzavřeným cyklem využívající plynné helium. Tato chladnička bude chladit pouze přístroj MIRI a jde o jediný aktivní chladící prvek celého teleskopu. Zbytek zařízení a přístrojů je chlazen pasivně. Vzhledem k tomu, že jde o chladící systém s uzavřeným cyklem, tak kryochladič nespotřebovává chladicí kapalinu, a tak je jeho životnost omezena pouze opotřebením pohyblivých částí (čerpadla), nebo životností jeho elektroniky, to vše bylo navrženo tak, aby vydrželo pracovat řadu let.

Jaký výkon má solární panel?
2000 wattů.

Jednoduché schéma umístění zrcadel teleskopu. Zdroj: NASA, STScI. Překlad: autor

Jaké jsou další tři typy zrcadel na JWST?
Webbův teleskop je anastigmat (Korschův dalekohled) se třemi zrcadly. Obsahuje primární, sekundární a terciární zrcadlo. V této konfiguraci je primární zrcadlo konkávní, sekundární je konvexní a funguje mírně mimo osu. Terciální odstraňuje vzniklý astigmatismus a také zplošťuje ohniskovou rovinu. To umožňuje širší zorné pole. Přesné nasměrování a stabilizaci obrazu pak ještě zajišťuje zrcadlo s jemným řízením. Přestože i relativně malé sekundární a terciární zrcadlo jsou unikátní, je to právě expanzivní primární zrcadlo složené ze segmentů, které má nejsložitější anatomii s řadou komponent. Na rozdíl od segmentů primárního zrcadla je jediné sekundární zrcadlo dokonale zaoblené a vypouklé, takže jeho odrazná plocha je vyboulená směrem ke zdroji světla. Sekundární zrcadlo je konvexní kruhové zrcadlo o průměru 0,74 m. Sada 6 aktuátorů umožňuje ovládat jeho polohu a orientaci podobně jako u primárních segmentů. Terciární zrcadlo je zase jediným pevným zrcadlem v systému – všechna ostatní zrcadla se k němu nastavují. Terciární zrcadlo je součástí tzv. zadní optiky (AOS), která obsahuje ještě velmi přesně řízené zrcadlo FSM. Terciární zrcadlo je konkávní asférické zrcadlo podlouhlého tvaru o rozměrech zhruba 0,73 × 0,52 m. Zobrazuje primární aperturu na FSM a zároveň eliminuje aberace, čímž zajišťuje vynikající kvalitu obrazu v celém zorném poli. Poslední řízené zrcadlo FSM je vysoce kvalitní ploché zrcadlo, které slouží ke stabilizaci obrazu během vědeckých pozorování. Během pozorování bude průběžně upravováno v náklonu v osách X a Y na základě měření provedených systémem řízení polohy jako součást řídicí smyčky jemného navádění. Kryt (speciální clona) zadní optiky kolem vnějšího okraje jemného řídicího zrcadla pomáhá dále minimalizovat rozptýlené světlo.

Světlo z objektu se postupně odráží od všech zrcadel. Od primárního zrcadla, sekundárního zrcadla do terciárního a jemného řídicího zrcadla. Poté teprve světlo putuje do vědeckých přístrojů v zadní části dalekohledu. Všechna zrcadla budou společně spolupracovat. Webb je v krátkosti řečeno nejpokročilejší a nejlépe vybavený infračervený dalekohled, který byl kdy postaven!

Odkud je beryllium použité pro zrcadla JWST?
Beryllium na výrobu Webbovo zrcadel bylo těženo v Utahu a čištěno v Brush Wellman v Ohiu. Konkrétní typ beryllia používaný v zrcadlech JWST se nazývá O-30 a jde o jemný prášek. Během procesu zpracování byl prášek umístěn do nádoby z nerezové oceli a lisován do plochého tvaru. Jakmile byla ocelová forma odstraněna, výsledný kus beryllia byl rozříznut na polovinu, aby vznikly dva zrcadlové polotovary o průměru asi 1,3 metru. Každý zrcadlový polotovar byl použit k vytvoření jednoho zrcadlového segmentu. První dva zrcadlové polotovary byly dokončeny v březnu 2004. Jakmile byly zrcadlové segmenty vytvarovány společností Axsys, byly odeslány do Richmondu v Kalifornii, kde je v SSG/Tinsley vyleštili.

Jak bylo zlato naneseno na zrcadla?
Odpovědí je vakuové napařování. V podstatě se zrcadla vloží do vakuové komory a malé množství zlata se odpaří a nanese na zrcadlo. Oblasti, které nechceme opatřit vrstvou (například zadní strana a všechny mechanismy a podobně), se zamaskují. Typická tloušťka zlata je 1000 angströmů (100 nanometrů). Na zlato se poté nanesla tenká vrstva amorfního SiO2 (křemenné sklo), která ho chrání před poškrábáním.

Terciální a jemně řízené zrcadlo jsou umístěny v systému zadní optiky. Světlo odražené od primárního zrcadla se sbíhá a putuje k přístrojům přes další zrcadla teleskopu. Zdroj: Gardner et al.

Jak budou seřízeny zrcadla v kosmu?
Jakmile bude dalekohled na oběžné dráze, budou muset inženýři na Zemi provést korekce polohy segmentů primárního zrcadla Webbova dalekohledu, aby je vyrovnali a zajistili tak ostrý a zaostřený obraz. Tyto korekce se provádějí pomocí procesu zvaného snímání a řízení vlnoplochy, který zrcadla vyrovnává s přesností na desítky nanometrů. Během tohoto procesu snímač vlnoplochy (v tomto případě NIRCam) měří případné nedokonalosti v zarovnání zrcadlových segmentů, které jim brání chovat se jako jedno 6,5metrové zrcadlo. Pomocí kamery NIRCam pořídí inženýři 18 rozostřených snímků hvězdy – z každého segmentu zrcadla jeden. Z těchto jednotlivých snímků pak inženýři pomocí počítačových algoritmů určí celkový tvar primárního zrcadla a určí, jak musí zrcadly pohybovat, aby je vyrovnali. Na toto téma vyšel na našem webu tento článek. Každý segment zrcadla má své vlastní označení. Schéma lze najít zde. 

Jaké zkušenosti Webb využil z minulých misí?
Během misí v UV, optickém, infračerveném a rentgenovém oboru, kam patří teleskopy Hubble, Spitzer a Chandra, bylo získáno mnoho zkušeností, včetně klíčového aspektu strategie JWST: včasné nezávislé testy klíčových optických parametrů, přičemž testy nejvyšší výkonnosti byly prováděny už na nejnižších úrovních sestavení. Součástí strategie byl i úplný systémový test konečné sestavy, který měl podchytit významné chyby v optice. Webbův testovací program rovněž využil specifické techniky, které se ukázaly účinné v dřívějších programech, jako například u observatoře WMAP.

Mimo testování bude Webb využívat i podobné praktiky k rozvržení pozorovacích časů a návrhy cílů, jako tomu bylo u minulých misí. Podobný bude také edukační plán, schéma přístupu k veřejnosti a zveřejňování vědeckých objevů.

Čím konkrétně přispěla projektu Česká republika?
Čeští vědci se podíleli na tvorbě přístroje NIRSpec, který bude schopen vyhodnocovat až 100 spekter současně. To bude možné právě díky technologii vyvinuté v České republice, kde se podařilo vyřešit řízení mikroelektromechanického systému závěrek zvaných microshutter array. Což jsou zjednodušeně řečeno malá dvířka, která se variabilně otevírají a zavírají. Teleskop má necelých 250,000 těchto dvířek! Jsou rozděleny na 4 pole, a každé má 62,000 dvířek. Každé pole přibližně o velikosti poštovní známky. Každá závěrka je přitom široká jako lidský vlas. V době navrhování bylo něco podobného považováno za neproveditelné, až „magnetický tým z Univerzity Karlovy“ pod vedením Gunthera Kletetschka vymyslel jak na to. Pomocí čtyřpólového magnetu, který má specifické složení, se docílilo otevírání a

Mikrozávěrky jsou rozděleny na 4 stejné segmenty. Uložení ukazuje obrázek vpravo. Závěrky se nacházejí v červené oblasti, jak lze vidět vlevo. Dole je potom ukázka několika málo závěrek v otevřeném a uzavřeném stavu. Těchto komůrek má teleskop necelých 250 000. Zdroj: NASA, úprava: autor

uzavírání závěrek přesně podle potřeby. Magnet by ovšem mohl narušit další komponenty a tak bylo třeba najít způsob, aby pracoval správně a nenarušil ani chod další elektroniky. Navíc musí vydržet pracovat v drsných podmínkách vesmíru a při velmi nízkých teplotách. Tým poté vynález testoval a například po téměř 68 tisících otevření a zavření „dvířek“ vytvořil obrázek. Jeden ze symbolů České republiky – lva. Zvolen byl prý kvůli návštěvě tehdejšího prezidenta Václava Klause v NASA. Ta se chtěla pochlubit a připomenout mu, že lidé z České republiky tu pracují na takto důležitém projektu. Tak byly závěrky naprogramovány do podoby dvojocasého lva s logem NASA a výsledek je k vidění v úvodu článku. Stejným způsobem byly vytvořeny i jiné obrázky, jako třeba logo mise.

Günther (Gin) Kletetschka z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy nejdřív na projektu pracoval sám, ale poté, co práce přibývalo, se k němu připojil Vilém Mikula, pro kterého byla práce v NASA splněným snem. Celkem na mikro závěrkách pracovalo okolo 20 lidí. Závěrky byly hotové už kolem roku 2008, a od té doby se dále testovaly. Podle NASA jsou mikrozvávěrky pozoruhodným inženýrským počinem, který může najít uplatnění jak ve vesmíru, tak posléze na zemi v biotechnologiích, medicíně a komunikacích. Takovýto systém mikrozávěrek je v kosmu vůbec poprvé a umožní teleskopu například mezi sebou porovnávat spektra galaxií.

Krom toho je Česká republika součástí agentury ESA (mezinárodní partner projektu), ve které se podílí na celé řadě věcí. Například některé části rakety Ariane 5, která vynesla Teleskop Jamese Webba, byly také z Česka.

V roce 2005 byl před budovou Goddard Space Flight Center vystaven model JWST v plné velikosti. Je velmi dobře patrné, že teleskop je opravdu velký. V popředí je vědecký tým podílející se na projektu včetně „českého týmu.“ Zdroj: NASA

Jaké jsou základní parametry JWST?
Váha primárního zrcadla: 705 kg (18 segmentů). Každý segment zrcadla váží 20,1 kg a celkově i s konstrukcí 39.48 kg. Ohnisková vzdálenost je: 131,4 m, optické rozlišení: 0,07 úhlové vteřiny, difrakčně omezeno při vlnových délkách 2 mikrometry, pokrytí vlnových délek: 0,6 – 28,5 mikrometrů, celková váha: 6200 kg. Více v dalším dílu…

Zdroje obrázků:
https://web.natur.cuni.cz
https://archive.ph/nLn3/76488f469.gif
https://jwst-docs.stsci.edu/files/9.png
https://www.flickr.com/photos/sizes/l

Poznámka: Zdroje informací budou uvedeny na konci série o JWST. Pokud máte přesto jakékoli dotazy, a chtěli byste nějaký zdroj konkrétní informace, či více zdrojů, neváhejte kontaktovat autora na [email protected]