¡El telescopio Webb está a punto de ser lanzado! Stud tiene decenas de miles de millones de dólares en el cielo, ¿para qué sirve?

Producido por: Popular Science China

Producido por: Tianyu Popular Science

Producido por: Computer Network Information Center de la Academia de Ciencias de China

Esta es la primera vez que el autor escucha que llegué al Telescopio Astronómico James Webb en el libro de divulgación científica "Astronomy Enthusiast" cuando era niño.

Después de 25 años de preparación, decenas de retrasos y miles de millones de dólares de inversión adicional, según noticias oficiales de la NASA, el telescopio finalmente ha sido transportado al sitio de lanzamiento de Kourou en Guyana, Francia, y se espera que para lanzarse en 2020. Lanzado el 25 de diciembre de 2021.

Este telescopio astronómico de primer nivel, que se inició en la década de 1990 y cuyo lanzamiento estaba previsto originalmente para 2007, es responsable de la importante tarea de explorar los límites del universo y buscar los rayos infrarrojos que quedan en el borde. del universo en los primeros días del Big Bang.

¿Cuál es el motivo por el que Stud paga decenas de miles de millones de dólares al cielo?

En 1996, con el apoyo del programa federal de exploración espacial, la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense lanzaron un proyecto de cooperación internacional, planeando investigar y lanzar el "telescopio espacial de próxima generación".

En septiembre de 2002, este proyecto pasó a llamarse en honor al ex administrador de la NASA, James Webb. Este es el famoso proyecto "Telescopio Astronómico James Webb" en la comunidad astronómica.

El lugar donde trabaja Webber es en el espacio, en el punto Lagrange 2 a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. La razón por la que elegimos un lugar tan lejano estaba relacionada con la misión especial de Weber.

En el estudio de la astronomía, la observación infrarroja es una parte crucial en el estudio de los cambios en el espacio profundo. El vacío del universo está lleno de acumulaciones de polvo formadas por cambios en el movimiento de los cuerpos celestes. Estos polvos pueden absorber la mayor parte de la luz visible y oscurecer una gran cantidad de estrellas y planetas escondidos detrás de ellos. La luz infrarroja emitida por la estrella puede penetrar este polvo, ayudando a la comunidad astronómica a revelar los misterios escondidos detrás del polvo.

No es fácil captar la luz infrarroja emitida por las estrellas del universo, especialmente cuando el objetivo de observación está relativamente lejos. A medida que el objeto fuente de luz se aleja del observador, la frecuencia de la radiación electromagnética observada se reducirá, lo que dará como resultado un fenómeno de "corrimiento al rojo", es decir, el espectro del objeto fuente de luz se reducirá desde el ultravioleta de alta energía. y bandas de frecuencia de luz visible a la banda de baja energía del infrarrojo cercano.

Por lo tanto, las observaciones de estos objetivos distantes, como las galaxias originales del universo, requieren telescopios infrarrojos de ultra alta precisión. Esto requiere que el telescopio Webb sea lo suficientemente grande y adopte un diseño abierto sin tubo.

Al observar la primera generación de estrellas que se originaron a partir del Big Bang, debido al efecto de corrimiento al rojo, la luz visible de 0,5 micras se desplazará al rojo a la banda de 10 micras, y cualquier luz visible se desplazará al rojo. afectarlo. Dado que el valor máximo de la luz infrarroja emitida por la Tierra también es de aproximadamente 10 micras, esto significa que la Tierra misma es una fuerte fuente de contaminación lumínica infrarroja.

Al mismo tiempo, el telescopio debe funcionar a unos 220 grados bajo cero para evitar interferencias con las señales infrarrojas causadas por la radiación de temperatura de las partes internas del telescopio.

El punto Lagrangiano es el punto del sistema solar donde la gravedad de los cuerpos planetarios se equilibra. Los objetos que operen en esta posición mantendrán un estado operativo estable y girarán de forma sincrónica con la Tierra. En este punto, el escudo solar unidireccional del telescopio Webb puede bloquear simultáneamente la contaminación lumínica del Sol, la Tierra y la Luna, y obtener observaciones espectrales de mayor precisión.

El Telescopio Webb es un telescopio óptico que, tras su exitoso lanzamiento, se convertirá en el sustituto y sucesor del Telescopio Hubble. Al mismo tiempo, Webb podrá explorar longitudes de onda ópticas más largas, lo que superará el trabajo actual del Hubble.

Sin embargo, dado que el punto de Lagrange no está dentro del alcance operativo de ninguna nave espacial tripulada (400.000 kilómetros), esto significa que si se produce un accidente, el telescopio Webb no podrá repararse. Todas las tareas de lanzamiento, implementación e implementación deben completarse por sí mismas y tener éxito la primera vez. Una vez "fuera de fábrica", no habrá mantenimiento de por vida.

La inversión total en el Telescopio Webb ha superado los 8.800 millones de dólares, lo que sin duda es una apuesta de "decenas de miles de millones de dólares". Según las expectativas de los investigadores de la NASA, la vida útil estimada de este telescopio de decenas de miles de millones de dólares es de cinco años.

Enorme tecnología de núcleo duro: Webb ha reunido la cristalización tecnológica más extrema de la humanidad

Para explorar el origen del Big Bang, el telescopio Webb ha reunido el máximo nivel tecnológico que los humanos podemos alcanzar actualmente.

El telescopio Webb consta de un espejo primario de observación, un escudo solar de cinco capas del tamaño de una cancha de tenis y cuatro instrumentos de primer nivel, incluido el equipo de observación.

Su lente principal tiene un diámetro de 6,5 metros. Debido al tamaño del cohete, esta lente se subdivide en 18 espejos hexagonales. Para resistir la deformación de la superficie del espejo a menos 220 grados, la lente está hecha de berilio, un metal alcalinotérreo. Este material central tiene una rigidez a la flexión extremadamente fuerte, una estabilidad térmica extremadamente alta, una conductividad térmica excelente y una densidad extremadamente baja.

Al mismo tiempo, el error de pulido del procesamiento de espejos se controla dentro de 10 nanómetros, lo que es aproximadamente igual a la longitud de docenas de átomos de berilio. En la superficie de estas lentes, se utiliza el último proceso de evaporación del oro y luego solidificación para recubrir una capa de oro con un espesor estándar de 120 nanómetros. Para corregir pequeñas deformaciones dentro de los 10 nanómetros, los ingenieros también instalaron siete micromotores detrás del subespejo para garantizar la máxima planitud de la lente ajustando la curvatura y la orientación del subespejo.

Para aislar al máximo la contaminación por radiación infrarroja del sol y la tierra, los ingenieros equiparon el telescopio Webb con un escudo solar de cinco capas con una superficie de 300 metros cuadrados. Este escudo solar está compuesto por una película de silicio y una película de aluminio formada mediante galvanoplastia. Su espesor es de aproximadamente 25 a 50 micrones, que es aproximadamente 1/3 del espesor de un cabello humano.

Estas cinco capas de escudos solares cuidadosamente procesados ​​pueden atenuar la radiación solar casi un millón de veces y formar una diferencia de temperatura de 300 grados Celsius entre la parte delantera y trasera, manteniendo así la temperatura de funcionamiento del telescopio en -230 grados. Celsius aproximadamente.

Además, el equipo también está equipado con un espectrómetro para registrar señales débiles, una cámara con microobturador programable que puede observar 100 objetivos simultáneamente y una cámara que puede reducir la temperatura hasta cerca del cero absoluto. Más fresco y un sensor infrarrojo de alta sensibilidad que funciona a bajas temperaturas.

Después de llegar al lugar de trabajo, el telescopio Webb tardará decenas de días en expandirse desde el paquete comprimido hasta convertirse en un gigante del tamaño de una cancha de tenis.

Con su tecnología de procesamiento de primer nivel y su alto costo, el Telescopio James Webb se ha convertido en uno de los cinco proyectos más importantes en la historia de la astronomía y el espacio aeroespacial humanos. Sus parámetros técnicos extremos le permiten superar a todos los telescopios espaciales anteriores. Al mismo tiempo, se espera que amplíe aún más el radio actual del universo observable por el hombre hasta los 46 mil millones de años luz y lo lleve al borde del espacio y del tiempo.

A continuación: el futuro telescopio óptico espacial de China

Los telescopios ópticos espaciales son la fuerza principal absoluta en el desarrollo de la astronomía moderna debido a su entorno de observación puro y su baja interferencia.

Aunque la exploración del espacio profundo de mi país comenzó tarde, no se puede subestimar la velocidad del desarrollo.

Tras décadas de acumulación y exploración tecnológica, la Academia de Ciencias de China ha establecido con éxito un proyecto tecnológico piloto estratégico de ciencia espacial para lanzar 4 satélites, el primero de ellos, el satélite de exploración Wukong, que fue lanzado en 2015. Cuesta 100 millones de dólares estadounidenses y completó con éxito el mayor avance de mi país en el campo de la detección de materia oscura en el espacio profundo.

Al mismo tiempo, los proyectos de exploración lunar en curso Sky Eye FAST y Chang'e Project también marcan muchos logros nuevos en la exploración del espacio profundo de mi país.

Se espera que alrededor de 2024, mi país planee lanzar la plataforma del módulo óptico "Sky Survey" y establecer una órbita con la Estación Espacial China. La resolución de este telescopio óptico es similar a la del Telescopio Hubble y se espera que el campo de visión sea 300 veces mayor que el del Telescopio Hubble.

Además, la Academia de Ciencias de China ha lanzado un plan para lanzar el "Observatorio mejorado de polarización y variación del tiempo de rayos X" (eXTP) en 2027, con el objetivo de construir el observatorio insignia más importante del mundo. Esto se convertirá en un hito en la investigación de telescopios astronómicos de mi país y tendrá el efecto de ser el primero en llegar primero.

El camino por delante es largo y difícil, pero el ser humano seguirá explorando el universo.

Referencias:

[1] Gardner, J. P., Mather, J. C., Clampin, M., Doyon, R., Greenhouse, M. A., Hammel, H. B., ... amp; Wright, G. S. (2006). El telescopio espacial James Webb. Space Science Reviews, 123(4),

[2] Lightsey, P. A., Atkinson, C. B., Clampin, M. C. y Feinberg. , L. D. (2012). Telescopio espacial James Webb: gran telescopio criogénico desplegable en el espacio. Ingeniería óptica, 51(1), 011003.

[3] Rieke, G. H., Wright, G. S., B? T., Bouwman, J., Colina, L., Glasse, A., ... y Waelkens, C. (2015) El instrumento de infrarrojo medio para el telescopio espacial James Webb, i: Publicaciones de Astronomical. Sociedad del Pacífico, 127(953), 584.

[4] Gardner, J. P., Mather, J. C., Clampin, M., Doyon, R., Flanagan, K. A., Franx, M., . .. amp; Wright, G. S. (2009). El telescopio espacial James Webb en Astrofísica en la próxima década (págs. 1-29).