James Webb Space Telescope (JWST) on kaikkein odotettu, kauan odotettu ”seuraavan sukupolven” kaukoputki. Suunnittelu käynnistetään vuonna 2006 2013 JWST on nimitetty lokakuun 2018 aikana Hubble-avaruusteleskoopin seuraajaksi. Sen avulla tähtitieteilijät toivovat taaksepäin ajassa taaksepäin, jolloin maailmankaikkeus oli vain 200 miljoonaa vuotta vanha, ja nähdä ensimmäiset tähdet ja galaksit. Projektia ohjaava johtava tutkija on tohtori John Mather, vuoden 2006 fysiikan Nobel-palkinnon saaja hänen työstään kosmisen taustan tutkijan (COBE) kanssa, joka mittasi kosmisen mikroaaltotaustan mustaa kehon muotoa ja anisotroopiaa.
Meille oli ymmärrettävästi kunnia, kun tohtori Mather otti yhteyttä Space Magazineen sanoen, että hän haluaisi puhua kanssamme JWST: n asemasta. "Ajattelin, että saattaa olla aika puhua tekemästämme", hän sanoi, "koska jännittäviä asioita on alkamassa tapahtua."
Avaruuslehti: Tohtori Mather, jo yli kymmenen vuoden ajan olemme kuulleet seuraavan sukupolven avaruusteleskoopista, joka myöhemmin nimettiin virallisesti James Webbin avaruusteleskooppiksi. Voitko kertoa meille, kuinka tämän kaukoputken konsepti alkoi?
John Mather: Vuonna 1989, jo ennen Hubblen julkaisua, pidettiin konferenssi siitä, mitä seuraavan avaruuskaukoputken tulisi olla. He keskustelivat tulevaisuuden suurista kaukoputkista ja julkaisuista, julkaisivat kirjan. Mutta he eivät todellakaan katsoneet, että infrapuna oli tulevaisuuden suuri aalto. Sitten, vuonna 1993, oli komitea nimeltä HST and Beyond. He julkaisivat vuonna 1996 ihanan pienen raportin, jossa sanottiin olevan kaksi tärkeää asiaa. Yksi oli rakentaa infrapunakaukoputki, toisin kuin edellinen kirja oli sanonut, ja toinen oli rakentaa kaukoputki etsimään maapallon kaltaisia planeettoja. Tuolloin tähtitieteilijät vain tunnustivat, että ekstrasolaaristen planeettojen etsiminen oli mahdollista. Joten lokakuussa 1995 NASA: n päämaja kutsui minut, antoi minulle luettelon tutkijoista ja insinööreistä, joihin otettiin yhteyttä, ja sanoi aloittavansa suunnittelun. Joten teimme, ja tulimme heti huomattavaan ajatusten ja mielipiteiden lähentymiseen. Sovimme nopeasti konseptista, joka vastasi tiedeyhteisön toiveita ja kuului NASA: n tavoitteisiin. Huomaat, että teleskooppi, johon halusimme lentää tuolloin, on hyvin samanlainen kuin se, jonka aiomme lentää vuonna 2013.
UT: Voitko antaa meille päivityksen JWST: n tilasta nyt?
Mather: Lentoinstrumenttituotteet tulevat ympäri maailmaa kesällä 2010. Hieno ohjaustunnistin tulee Kanadasta, puolitoista instrumenttipakkausta tulee Euroopasta ja loput Yhdysvalloista. Joten 18 kuukaudessa instrumenttipaketti alkaa mennä yhdessä, ja sitten se tapaa kaukoputken kanssa noin vuotta myöhemmin. Neljä tiedeinstrumenttia ovat lähi-infrapunakamera, lähi-infrapuna-monisobjektispektrografi, keski-infrapuna-instrumentti ja viritettävä suodatinkuva.
Olemme juuri käyneet läpi instrumentimoduulin kriittisen suunnittelun katsauksen. Viime viikolla sadat ihmiset tulivat katsomaan kaikkea ja kertomaan meille, teemmekö sen oikein. Luulen, että ohitimme, vaikka en ole vielä nähnyt virallista paperityötä. Mutta jopa olin vaikuttunut.
UT: Monet ihmiset kysyvät minulta, että koska Hubble on onnistunut niin hyvin, miksi JWST ei tule olemaan optinen kaukoputki?
Mather: Miksi komitea muuttui optisesta infrapunaan? Se oli kaksinkertainen. Yksi oli siitä, että Hubble oli tulossa niin hyväksi, että he näkivät, että sen olisi vaikea voittaa, riippumatta siitä, kuinka suuri olet rakentanut kaukoputken. Toinen tapahtuma oli, että ihmiset näkivät sinun pystyvän rakentamaan suuria optisia kaukoputket maapallolle. Keck-teleskooppi toimi todella hyvin, ja ihmiset alkoivat puhua adaptiivisesta optiikasta, mikä tarkoitti vielä suurempien kaukoputkien käyttöä kentällä. Joten nämä kaksi asiaa ohjasivat meitä kohti infrapunakaukoputkea. Myös kaikki JWST: n tutkijat sanoivat, että tarvitsemme infrapunaa. Pienestä kyvystä, joka meillä oli tuolloin, infrapuna oli kiehtovaa, ja havaitsi, että kaukaisin maailmankaikkeus on jännittävä ja että se on siirretty punaisesti näkyvältä. Se alkaa ultravioletista ja pääsee infrapunaan näiden esineiden suurten etäisyyksien ja valtavan punaisen muutoksen takia. Joten jos haluat tehdä ultravioletti tähtitiedettä maailmankaikkeuden melkein reunalla, tarvitset infrapunakaukoputken.
UT: Nyt kun infrapuna-Spitzer-avaruusteleskooppi on käynnissä ja toimii niin hyvin, onko se muuttanut kenenkään mieltä, vai onko se, että tutkijat haluavat siirtyä seuraavalle tasolle infrapunalla?
Mather: Kyllä, Spitzer on osoittanut, että tämä on todella kiehtova alue. Spitzer on oikeastaan vähän bitty teleskooppi nykyaikaisten standardien mukaan; se on vain 3 jalkaa leveä, 85 cm. Mutta se on tuottanut hämmästyttäviä yllätyksiä. He näkevät asiat erittäin, erittäin korkeisiin punaisiin muutoksiin, eikä mitään näistä asioista odotettu. Joten se kertoo meille, että infrapuna on siellä, missä upeat löytöt tulevat olemaan. Tiedämme nyt, että voimme tehdä tekniikan, joten saamme paremman kaukoputken. Tiede on tapa, tapa jännittävä, ja siellä on niin paljon odottamassa löytämistä.
UT: Mikä erottaa JWST: n mielestänne aikaisemmista avaruusteleskoopeista?
Mather: Jokainen kaukoputki sanoo: "Olen parempi kuin edessäni", ja sanomme saman. Tietysti tämä kaukoputki näkee kauemmas taaksepäin infrapunakyvyn ja valtavan aukon avulla; se näkee pölypilvien läpi nähdäkseen missä tähdet syntyvät; se näkee asioita, jotka ovat huoneenlämpöisiä, kuten sinä ja minä, planeettoja tai nuoria tähtiä syntymässä. Kaikki nuo asiat voidaan nähdä suoraan infrapunaominaisuuksilla, joita meillä on uudessa kaukoputkessa. Suurin osa työstä tehdään infrapunasäteilyllä, jonkin verran valmiuksia näkyvällä alueella.
Mutta olemme rakentaneet yleiskäyttöisen kaukoputken. Käynnistämisen jälkeen tutkijat voivat kirjoittaa ehdotuksia samalla tavoin kuin Hubblelle, mitä he haluaisivat tarkkailla, jotta he voisivat tarkkailla mitä tahansa kuumaan aihetta tuolloin.
UT: Kuinka olet soveltanut sitä JWST: lle kokemuksellasi COBE: lläsi ja myöhemmin saamillasi kunnianosoituksilla?
Mather: Ei niinkään kunnianosoitukset, jotka vaikuttivat elämääni, se, että olin käynyt prosessin alusta alusta loppuun hyvin radikaalisti suunnitellulle observatorioon, joka oli COBE, joka antoi minulle hermon ajatella suurta asioita. Joten kun NASA: n päämaja ilmoitti haluavansa seuraajan Hubblelle, ajattelin, että se olisi mielenkiintoista, ja minulla oli tarpeeksi hermoa sanoa kyllä, haluaisin kokeilla sitä. COBE oli erittäin kunnianhimoinen tuolloin, mutta tarpeeksi pieni, että tunsin insinöörit henkilökohtaisesti ja voin puhua heille milloin tahansa mistä tahansa. Joten ajattelin, että voisin siirtyä suurempaan projektiin.
UT: Ja nyt työskentelet ihmisten kanssa ympäri maailmaa?
Mather: Kyllä, tämä on valtava juttu. Tiedetiimimme on noin 19 ihmistä Euroopasta, Yhdysvalloista ja Kanadasta. Suunnittelutiimi on yli 2000 ihmistä, jotka ovat levinneet ympäri maailmaa. En selvästikään tiedä kaikkia niitä. Työskentelen läheisimmin tutkijoiden kanssa ja puhun heidän kanssaan siitä, mitä haluamme saavuttaa, ja varmista, että saavutamme sen. Joten minulla on nyt erilainen rooli. Minulla ei ole käytännön vastuuta mistään laitteistosta, mutta työskentelen ihmisten kanssa, jotka tekevät. Meillä on pääsy joihinkin maailman parhaimpiin ihmisiin kaikista aiheista.
UT: Voitteko puhua ongelmista, jotka tämä kaukoputki on joutunut ratkaisemaan, kustannusten ylityksistä ja viivästyksistä, joita sillä on ollut?
Mather: Ensinnäkin, kustannusten ylitys ei ole niin suuri kuin jotkut ihmiset kuvaavat, jotka haluavat rahaa omille projektiideoilleen. Alun perin Dan Goldin oli NASA: n päällikkö, kun aloitimme, ja hän sanoi: "Haluamme sinun miettiä tapaa tehdä tämä observatorio puoli miljardia dollaria vuonna 1996 dollaria." Sanoimme, että yritämme. Mutta huomasimme nopeasti, että tämän rakentamisesta tulee vaikeaa. Siihen mennessä, kun olimme valmiita esittämään sen dekadaalitutkimukselle vuonna 2000, kustannukset olivat enemmän kuin miljardi dollaria. Sitten, kolme vuotta sitten, huomasimme, että työ vaikeutui ja meidän piti suunnitella uudelleen ja miettiä uudelleen. Nyt, jos lasketaan koko NASA-kustannus vuodesta 1995 loppuun, jonnekin vuoden 2019 jälkeen inflaatio- ja virkamiesten kanssa (joita emme laskenut aikaisemmin), nyt todellisten todellisten dollarien osuus on noin 4,5 miljardia dollaria, ei 1996 dollaria. Joten kustannusten kasvu on, mutta meillä on ollut erinomainen menestys ja olemme matkalla käynnistämään tämän upean koneen, jota tuhannet tähtitieteilijät käyttävät. Ja meidän ei tarvinnut muuttaa suunnitelmaamme tai kokonaistalousarviomme kolmessa vuodessa NASA: n pääkonttorin vakaan johtamisen ja joukkueiden loistavan teknisen työn ansiosta.
UT: Se on hyvä tietää. Mielestäni ihmisillä on yleinen käsitys siitä, että JWST: llä on ollut valtava kustannusylitys.
Mather: No, se ei ole jotain pientä, ja toivomme, että voisimme tehdä paremmin tässä. Mutta kyse on kahden kasvun tekijästä eikä viiden tekijästä, jota jotkut ihmiset, jotka pitäisi tietää paremmin, ovat mainostaneet. Tämä kaukoputki toimii pitkään. Vaatimus on viisi vuotta, mutta toivomme sen kestävän kymmenen. Joten projektimme kestää vuodesta 1995 vuoteen 2024, jolloin toiminta päättyy.
Annan teille kuvan siitä, mitä meidän piti tehdä valmistautuaksemme ja mitä olemme tehneet koko tämän ajan. Kehitimme luettelon kymmenestä tärkeästä tarvittavasta tekniikasta. Vaikein asia oli kehittää peilit. Se edellytti 12 erilaista sopimusta vain kilpailijoiden kehittämiseksi sinne, missä heidän mallinsa olivat riittävän hyvät, joten kesti melko muutaman vuoden. Ilmaisimia oli selvästi parannettava siihen nähden, mitä meillä on Spitzer- ja Hubble-teleskoopeissa. Joten nyt meillä on isompia ja parempia ilmaisimia, ja ne ovat upeita. Yksi mitta tähtitieteilijöillä on, kuinka monta hajautunutta elektronia saat ilmaisimista. Jos suljet kaiken valon, sinun pitäisi saada nolla. Meillä on nyt ilmaisimia, jotka lähettävät muutamia kuluneet elektroneja pikselistä tunnissa, mikä on melkein täydellistä. Olisi hyvä olla vielä parempi, mutta tämä on upea. Olen vaikuttunut.
Meidän oli parannettava avaruudessa olevien jääkaappien tilaa. Aloitimme sanomalla, että meidän on saatava säteilevästi jäähdytetty kaukoputki, jotta se itsessään olisi tarpeeksi viileä, ja se on useimmiten totta. Mutta osoittautuu, että tarvitsemme edelleen aktiivisen jääkaapin pitääksemme pisin aallonpituusilmaisimet kylminä, joten meidän piti kehittää se.
Joten, nämä ovat vain joitain asioita, jotka meidän piti suunnitella, ja koko teknologian kehittäminen saatiin lopulta päätökseen vuonna 2007 ja läpäisi tarkastuslautakunnan hyväksynnän, joka sanoi: "Kyllä, nuo asiat ovat viimeinkin valmiita rakennettavaksi."
Joten juuri vuoteen 2007 pääsy oli kauan, enkä usko, että ihmiset ovat todella arvostaneet sitä, mitä uuden tekniikan valmistelu vaatii. Toisaalta, meitä on siunattu siitä, ettei meidän tarvitse "varmuuskopioida". Otamme tarpeeksi suunnittelua ja vaivaa näihin tekniikoihin, jotka nyt toimivat. Se oli yksi niistä asioista, jotka opimme Hubble-projektista, eli älä viimeistele suunnittelusi ennen kuin tiedät, mitä sinun on tarkoitus rakentaa.
UT: Entä testausprosessi. Onko se melko tiukka?
Mather: Se on toinen oppitunti, jonka meidän piti oppia Hubblelta. Jos et testaa sitä, se ei toimi. Olemme oppineet erittäin päättäväisen ja tiukan prosessin. He tekivät tarpeeksi testausta Hubblessa, jotta he olisivat voineet tietää peilien tarkennusongelmista. Peilivalmistajalla oli kaksi testiä, jotka eivät olleet yhtä mieltä, ja he päättivät jättää huomiotta yhden niistä sen sijaan, että seuraisivat syytä, ja se osoittautui tyhmäksi ja kalliiksi.
Meillä on yleistys siitä, että jos jollakin on merkitystä, tee se kahdesti. Testaamme todella kaukoputken kylmässä isossa tyhjiösäiliössä Johnson Space Centerissä. Joten se on täysimittainen kokonaisvaltainen kokonaisvaltainen "päästä loppuun -valo-alussa, loppu-loppu--valo" -tyyppinen testi, jota he eivät voisi tehdä Hubblelle. Mutta he tiesivät voivansa korjata Hubblen avaruudessa, ja tiedämme, että emme voi korjata JWST: tä, koska kaukoputki on L-2-pisteessä, noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä maapallosta, joka on noin neljä kertaa kauempana Maa kuin Kuu.
Tämä on monimutkainen projekti, mutta lähestymistapamme monimutkaisen projektin toteuttamiseen on dramaattisesti erilainen kuin silloin, kun olin nuori feller. Kun pääsin tänne Goddardiin, käytimme lyijykyniä ja liukusääntöjä, ja tietokoneet olivat aika uusia ja useimmilla ihmisillä ei ollut niitä. Nyt meillä on tietokoneita kaikkialla, jotka seuraavat asiakirjojamme. Pystymme tekemään järjestelmäsuunnittelun ja voimme tehdä jopa erittäin tarkkoja, täydellisiä simulaatioita tietääksemmeko jokin sopii yhteen ja toimimaan ennen kuin edes rakensimme. Joten maailma on muuttunut, ja se on upea nähdä. Joten tämän vuoksi pystymme nyt rakentamaan tämän observatorion noin samoilla todellisilla kustannuksilla kuin Hubblen käynnistäminen ja toimiminen. Mutta JWST on niin paljon isompi ja tehokkaampi.
UT: Voitko kertoa meille JWST: n peilin suunnittelusta?
Mather: Vaikein rakentaa oli peili, koska tarvitsimme jotain, joka on paljon suurempi kuin Hubble. Mutta et voi nostaa jotain niin suurta tai sovittaa sitä rakettiin, joten tarvitset jotain, joka on kevyempi, mutta silti suurempi, joten sillä on oltava kyky taittaa.
Peili on valmistettu kevyestä berylliumista, ja siinä on 18 kuusikulmaista segmenttiä. Teleskooppi taittuu kuten perhonen krysalisessaan, ja sen on purettava se kokonaan. Se on melko yksityiskohtainen prosessi, joka vie useita tunteja. Teleskooppi on valtava, 6,5 metriä (21 jalkaa), joten se on aika vaikuttava.
Aurinkosuoja on täysin uusi, ja myös sen on otettava käyttöön. Joten siitä, mikä oli kääritty pieneen sylinteriin, suhteellisesti ottaen tulee jättiläinen kilpi, joka on yhtä suuri kuin tenniskenttä. Se on valtava. Kaikki tämä tapahtuu useissa vaiheissa ja kestää päiviä. Palkkasimme yrityksen, Northrop Grummanin, jolla oli kokemusta asioiden avaamisesta avaruudessa, ja he kertovat meille, että tämä ei todellakaan ole kaikkein monimutkaisin asia, jonka he ovat avaruudessa avanneet, mikä on rauhoittavaa.
Video JWST: n asennuksesta avaruudessa:
UT: Onko ensimmäisestä valosta keskusteltu ja mitä JWST tarkastelee ensin?
Mather: Kyllä hieman. Se tulee olemaan hauska osa sen jälkeen, kun olemme koonneet asian.
UT: Onko sinulla suosikki ehdotuksia?
Mather: Mielestäni meidän pitäisi aloittaa helppojen, melko kauniiden tavoitteiden avulla, jotka antavat yleisölle mahdollisuuden sanoa: "Voi, näen sen toimivan!" Jotkut ensimmäisistä havainnoista voidaan tehdä, kun olemme asettamassa kaukoputkea, jopa ennen kuin se on täysin säädetty. Koska se otetaan käyttöön laukaisun jälkeen ja peili ei ole aluksi lähellä oikeaa muotoa, työskentelemme tähän vähitellen. Boulder Coloradossa, Ball Aerospace, on testimalli, jossa pääsemme harjoittelemaan 18 peilisegmentin asettamista paikalleen. Jokaisessa segmentissä on 7 moottoria asennon ja kaarevuuden ohjaamiseksi, joten meidän on harjoitettava tätä.
Tätä he eivät voineet tehdä Hubblen kanssa. He halusivat voivansa, ja siinä oli moottoreita, mutta he eivät voineet työntää tarpeeksi kovaa. Se on mielenkiintoinen tarina. Oppimme Hubblelta kuinka oikaista optiikka saamiemme kuvien perusteella, joten teemme sen tarkoituksella tätä kaukoputkea varten.
UT: JWST: n käynnistämisestä on käyty joitakin kiistoja.
Mather: Viemme kaukoputken Ranskan Guayanaan ja lataamme sen rakettiin siellä. ESA ostaa meille laukaisuajoneuvon; se on Ariane 5 -rakettia, kaupallinen tuote Euroopasta, ja heillä on viime aikoina ollut hyvä ajotapa, joten se on erittäin luotettava.
Se luonnollisesti aiheutti paljon kiistoja. Vaikka Eurooppa antaisi meille laukaisuaineen, niin sanotusti, täällä oli ihmisiä, jotka eivät halunneet hyväksyä sitä. Päämajan hyväksyminen kesti kaksi vuotta. Se maksoi meille rahaa. Ainoa syy siihen, että se hyväksyttiin, oli, että saimme uuden järjestelmänvalvojan, joka hyväksyisi sen. Se oli Mike Griffin, joten haluan sanoa: "Kiitos paljon Mike Griffin!"
UT: Tiimilläsi on vielä paljon tehtävää ennen vuotta 2013, joka todennäköisesti on täällä ennen kuin tiedät sen!
Mather: Kyllä tiedän. Nyt on kulunut yli 13 vuotta siitä, kun NASA otti minuun yhteyttä asiasta, mutta nyt loppu on tulossa nopeasti. Kaikkien kokoamiseen on edessämme paljon teknisiä haasteita. Ja emme ole vielä menneet tarpeeksi pitkälle, jotta voimme vielä selvittää, kuinka monta asiaa rikkoimme tai kuinka monta virhettä teimme, mutta mielestäni meillä on melko hyvä tajuta ne ennen kuin teemme ne.
Laitteiden koottaminen ensimmäistä kertaa on erittäin mielenkiintoista. Meillä on kappaleet, meillä on kuva laatikossa osoittaaksesi mihin ne menevät, ja melko pian saamme todistaa, toimivatko ne yhdessä. Siihen mennessä, kun olemme vastaanottaneet kaikki osat täällä Goddardissa, ne kaikki on testattu erikseen, joten heidän on tarkoitus pelata yhdessä hienosti. Mutta luonto ei pidä ylimielisyydestä, joten meidän on testattava koko asia alusta loppuun, aivan kuten aiomme käyttää sitä lennossa. Kun olemme koonneet sen tänne, vietämme sen Johnsonin avaruuslentokeskukseen ja laitamme sinne jättiläiseen tyhjiösäiliöön. Se on poikkeuksellinen prosessi.
UT: Kiitos paljon, että puhut kanssamme.
Mather: Tämä on ollut hauskaa. Rakastan kertoa tarinasii ja olen iloinen, että haluat kertoa sen kanssamme. Ajattelin, että saattaa olla aika puhua tekemästämme, koska jännittäviä asioita on alkamassa tapahtua. Upeita asioita tapahtuu. Olemme saaneet Kepler-observatorion nyt valmiiksi, ja toivottavasti he löytävät kourallisen maapallon kaltaisia planeettoja jäljitettäväksi ja tutkimme niitä lähemmin.
