8 ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับกล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์ที่น่าทึ่งสำหรับนักท่องอวกาศ

© Dima Zel/Shutterstock.com

James Webb Telescope (JWST) เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยสร้างมา ภาพจาก JWST นั้นน่าทึ่งและปรับเปลี่ยนสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับจักรวาลของเรา คุณต้องการที่จะเดินทางข้ามเวลา? กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เว็บบ์กำลังส่องเข้าไปในบริเวณที่ไกลที่สุดของเอกภพของเรา

ยิ่งเรามองลึกเข้าไปในเอกภพมากเท่าไร เราก็ยิ่งย้อนเวลากลับไปมากเท่านั้น กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ ช่วยให้เรามองเห็นอดีตได้ 13,500 ล้านปี มาดูข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งของกล้องโทรทรรศน์ James Webb สำหรับผู้ที่ชื่นชอบอวกาศ

กล้องโทรทรรศน์เจมส์เว็บบ์มีจุดประสงค์อะไร

NASA ระบุว่า สี่ วัตถุประสงค์หลักทางวิทยาศาสตร์สำหรับกล้องโทรทรรศน์ Jame Webb:

มองย้อนเวลากลับไป 13.5 พันล้านปี หากว่ากันตามจริง การกำเนิดดาราจักรแรกและ ดวงดาวหลังจากบิ๊กแบง เรียนรู้ว่ากาแลคซีรวมตัวกันอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป (หลายพันล้านปี) ใช้การมองเห็นด้วยอินฟราเรดเพื่อมองผ่านเมฆฝุ่นและดูว่าดาวฤกษ์และดาวเคราะห์กำเนิดขึ้นที่ใด ศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ดาวเคราะห์ดวงอื่นมีส่วนประกอบของสิ่งมีชีวิตด้วยหรือไม่?

เพื่อให้เข้าใจว่ากล้องโทรทรรศน์เจมส์ เว็บบ์สามารถมองย้อนไปในอดีตนับพันล้านปีได้อย่างไร เราต้องเข้าใจระยะทางและการเดินทางของแสงที่สัมพันธ์กับอวกาศ

ระยะทางภายในระบบสุริยะของเรา

เรา (ไม่ใช่นักดาราศาสตร์) ใช้ไมล์หรือกิโลเมตรเพื่อหารือเกี่ยวกับระยะทางภายในระบบสุริยะของเรา ห่างจากโลกถึงดวงจันทร์ 239,000 ไมล์ เป็นเรื่องที่เข้าใจได้ง่าย

นิวฮอไรซันส์ จรวดที่เร็วที่สุด (จนถึงปัจจุบัน) เดินทางด้วยความเร็วประมาณ 36,000 ไมล์ต่อชั่วโมง

ถ้าอย่างนั้น นิวฮอไรซันส์ เพื่อไปให้ถึงดวงจันทร์ (239,000 ไมล์)? จะใช้เวลาประมาณ 6.5 ชั่วโมงเพื่อไปที่นั่น หากเราส่งยานนิวฮอไรซันส์ไปยังดาวพลูโต เพื่อนบ้านใกล้เคียงสุดเพี้ยนของเรา (3,577,000,000 ไมล์) จะใช้เวลา 11 ปีภายในยานนิวฮอไรซันส์

เกร็ดน่ารู้: หากเราส่งเครื่องบินขับไล่ที่เร็วที่สุดของเรา (ล็อกฮีด วายเอฟ-12เอ) ไปยังดวงจันทร์ด้วยความเร็วสูงสุด 2,275 ไมล์ต่อชั่วโมง (MPH) จะใช้เวลาประมาณสี่โมงครึ่ง วัน ถ้าเราขับรถไปดวงจันทร์ (สมมติว่าเราอยู่ในเท็กซัสและขับรถ 85 ไมล์ต่อชั่วโมง) จะใช้เวลาประมาณ 117 วัน

ปีแสง

ตามที่กำหนดโดย IAU ปีแสงคือระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศในช่วงเวลาหนึ่ง ปีจูเลียน

©cometa geo/Shutterstock.com

ระยะทางนั้นกว้างใหญ่มากจนใช้การวัดแบบ”โลก”ก็ไม่สมเหตุสมผล Proxima Centauri เป็น”ดาวเพื่อนบ้าน”ที่ใกล้ที่สุดของเราที่ 25,300,000,000,000 ไมล์

ถ้าเรากระโดดขึ้นรถและเริ่มขับไปทาง Proxima Centauri เราควรมาถึงในอีกประมาณสิบสี่ล้านปี (เตรียมขนมมาด้วยดีกว่า!)

ระยะทางและเวลานั้นใหญ่เกินกว่าจะย่อยได้ง่าย ดังนั้นแทนที่จะใช้หน่วยเป็นไมล์ต่อชั่วโมง เราจึงใช้ปีแสงเป็นหน่วยวัด

เร็วแค่ไหน แสงเดินทางหรือไม่

แสงเดินทางด้วยความเร็ว 186,000 ไมล์ต่อวินาที หรือประมาณ 5.88 ล้านล้านไมล์ต่อปี ถ้าเราดู Proxima Centauri เราสามารถใช้ปีแสงเป็นมาตรฐานในการวัดและบอกว่ามันอยู่ห่างจากโลกประมาณสี่ปีแสง

#1: กล้องโทรทรรศน์ James Webb มองย้อนกลับไปในอดีต

กล้องโทรทรรศน์เจมส์เว็บบ์ (JWST) สามารถมองเห็นอดีตได้ประมาณ 13.6 พันล้านปีแสง มันทำงานอย่างไร

เมื่อแสงแดดส่องมาถึงโลก แสงแดดจะออกจากดวงอาทิตย์ประมาณ 499 วินาทีก่อนที่จะมาถึงโลก สี่ร้อยเก้าสิบเก้าวินาที (8.3 นาที) เพื่อเดินทาง 93,000,00 ไมล์ หลักการเดียวกันนี้เป็นจริงเมื่อเราดูกาแลคซีและดวงดาวนอกระบบสุริยะของเรา แสงที่เรากำลังมองอยู่ตอนนี้เริ่มเดินทางข้ามอวกาศเมื่อนานมาแล้ว หากตรวจสอบสัญญาณหรือแสงที่ออกจากกาแลคซีอื่นเมื่อ 13.6 พันล้านปีก่อน เรากำลังมองย้อนกลับไปในอดีต (ข้อเท็จจริงน่ารู้: แสงที่เรากำลังดูอยู่ในปัจจุบัน 13,600 ล้านปีหลังจากที่มันออกจากกาแลคซี ไม่จำเป็นต้องเป็นแสงเดียวกับที่มีอยู่ในปัจจุบันที่แหล่งกำเนิดแสง แหล่งกำเนิดแสงเองอาจ ได้มอดไหม้ไปเมื่อหลายพันล้านปีก่อน!)

#2: James Webb Telescope vs Hubble: เหมือนกัน เหมือนกัน แต่แตกต่างกัน

มีการถกเถียงกันอย่างมากในชุมชนวิทยาศาสตร์ว่า JWST เป็น ทดแทนกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล กล้องโทรทรรศน์ทั้งสองมีความสามารถที่แตกต่างกันและทับซ้อนกัน พลังที่แท้จริงของเครื่องมือทั้งสองอาจอยู่ที่การรวบรวมข้อมูลจากวัตถุเดียวกันแล้วเปรียบเทียบทั้งสอง

Hubble กับ JWST

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเปิดตัวสู่วงโคจรระดับต่ำของโลกในปี 2533 และยังคงใช้งานอยู่

©Dima Zel/Shutterstock.com

JWST มีเครื่องมือที่แตกต่างจากกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล ฮับเบิลได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงความยาวคลื่นแสงและรังสีอัลตราไวโอเลต ความยาวคลื่นอินฟราเรดคือขนมปังและเนยของ JWST

*ช่วงแสงที่มองเห็นได้อยู่ที่ประมาณ 700 นาโนเมตรถึง 400 นาโนเมตร

#3: กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์: กระจกปฐมภูมิ-18!

กล้องโทรทรรศน์ล้วนเกี่ยวกับกระจก กระจกบานใหญ่สามารถรับแสงที่”จางกว่า”ได้ ยิ่งใหญ่กว่ายิ่งดี

กระจกปฐมภูมิของฮับเบิล

ฮับเบิลมีกระจกปฐมภูมิหนึ่งบาน นักเวทย์เริ่มต้นไม่โฟกัสและบิดเบี้ยว NASA แก้ไขการบิดเบือนของภาพในอีกหลายปีต่อมาด้วยภารกิจใหม่ที่กล้องฮับเบิล กระจกปฐมภูมิมีพื้นที่เก็บพื้นผิวประมาณ 50 ฟุต2 ตำแหน่งของกล้องฮับเบิลทำให้สามารถ”แก้ไข”ได้

JWST Segmented Primary Mirrors

JWST เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวแรกที่ใช้กระจกปฐมภูมิแบบแบ่งส่วน กระจกหลักประกอบด้วยกระจกรูปหกเหลี่ยม 18 ชิ้น กระจกทำจากเบริลเลียมและเคลือบด้วยทองคำ กระจกแต่ละบานมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4.3 ฟุต JWST มีพื้นที่เก็บพื้นผิว 270 ฟุต 2 กระจกเงาหลักมีโครงสร้างคล้ายกับโต๊ะเลื่อน: ส่วนหลักของ”ตาราง”อยู่ตรงกลาง บานหนึ่งบานที่ปลายแต่ละด้านของโต๊ะ แต่ละบานพับได้ด้านหลังโต๊ะ ระหว่างที่ปล่อยออกจากโลก กระจก (ใบไม้) จะพับเข้าด้านในเพื่อให้โครงสร้างทั้งหมดพอดีกับจรวด Ariane 5 หกวันหลังจากการปล่อย กระจกมองข้างถูกกางออกจากด้านหลังกระจกหลัก (โต๊ะ) และวางตำแหน่งถัดจากกระจกหลัก (โต๊ะ ) กระจกหกเหลี่ยมแต่ละบานมีแอคทูเอเตอร์เจ็ดตัวสำหรับการปรับตำแหน่งแบบละเอียดและแบบหยาบ หลังจากปรับกระจกแต่ละบานแยกกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือพื้นผิวกระจกเดี่ยวที่ทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนแสงที่สมบูรณ์แบบ

#4: กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์โคจรอยู่ห่างไกลออกไป

JWST อยู่ในวงโคจรประมาณ 1,000,000 ไมล์จากโลกในตำแหน่งที่เรียกว่า L2 Lagrange L2 Lagrange เป็นสถานที่ที่ยอดเยี่ยมในการ”จอด”กล้องโทรทรรศน์เพื่อเก็บภาพห้วงอวกาศโดยปราศจากการรบกวนจากโลก (กล้องฮับเบิลโคจรรอบโลกที่ความสูงประมาณ 330 ไมล์เหนือพื้นผิวโลก)

ลองพิจารณาว่าทำไมเราถึงต้องการวางกล้องโทรทรรศน์ไว้ใน L2 Lagrange

L2 Lagrange (นายพลสาม-ปัญหาเกี่ยวกับร่างกาย)

คะแนน Lagrange มีรูปแบบการนับที่ไม่สอดคล้องกันเสมอไป

©Dima Zel/Shutterstock.com

จุด Lagrangian คือตำแหน่งในอวกาศที่การเคลื่อนที่ในวงโคจรของวัตถุ (กล้องโทรทรรศน์) และแรงโน้มถ่วง (ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์) สมดุลซึ่งกันและกัน จุด L2 Lagrange ช่วยให้ JWST ใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย (เครื่องขับดัน) เพื่อให้อยู่ในตำแหน่งสัมพัทธ์ที่แน่นอน

จุด L2 Lagrange โดยพื้นฐานแล้วเป็นที่จอดรถในอวกาศ วัตถุเคลื่อนที่”ไปรอบๆ”ในพื้นที่ L2 แต่จำเป็นต้องปรับเพียงเล็กน้อยเท่านั้นเพื่อให้วัตถุอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง

ข้อเท็จจริงน่ารู้: จากจุด Lagrange ทั้งห้าจุดในระบบสุริยะ L3 อยู่หลังดวงอาทิตย์ เราจึงไม่เห็นมัน มีดาวเคราะห์ดวงอื่นที่เราไม่เคยเห็นหรือไม่? นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์สำรวจ L2 และนักเขียนวิทยาศาสตร์สำรวจทฤษฎีแรงโน้มถ่วงร่วมกับฟิสิกส์เชิงคำนวณ

จุดลากรองจ์ L2 (มีอยู่ 5 จุด) เป็นจุดที่ดีสำหรับหันกล้องโทรทรรศน์”กลับ”มายังโลกและดวงอาทิตย์ ปิดกั้นความร้อนในขณะที่เปิดมุมมองไปข้างหน้าอันยิ่งใหญ่ของห้วงอวกาศ JWST ทำสิ่งนี้แล้ว

#5: แผ่นกันความร้อนบนกล้องโทรทรรศน์ James Webb เป็นเทคนิคที่บ้ามาก

มีวิศวกรรมจำนวนมากที่เข้าไปในแผ่นกันความร้อนของ JWST อุปกรณ์การวัดอินฟราเรด JWST ให้ข้อมูลที่ถูกต้องที่สุดเมื่ออุณหภูมิส่วนประกอบอยู่ที่-364℉ ความสำเร็จในการเข้าถึงอุณหภูมินั้นไม่ใช่เรื่องเล็ก มีสองวิธีหลักที่ใช้ในการเข้าถึงอุณหภูมิที่เย็นจัด

Passive Cooling: แผ่นป้องกันความร้อน

แผ่นป้องกันความร้อนที่มีรูปร่างเหมือนลูกฟุตบอลและขนาดเท่าสนามเทนนิสถูกยืดออก หลังกล้องโทรทรรศน์ แผ่นกันความร้อนทำให้ความร้อนของดวงอาทิตย์อ่อนลงประมาณหนึ่งล้านเท่าจากด้านนอกของชั้น “ด้านนอก” (ชั้น 1) ถึง “ด้านใน” ของชั้นใน (ชั้น 5)

Heat Shield Composition แสงแดดส่องกระทบชั้นที่ 1 (ชั้นนอก) ชั้นที่ 1 นั้น”เล็ง”ที่ดวงอาทิตย์/โลก ความร้อนบางส่วนถูกดูดซับ บางส่วนถูกสะท้อน และบางส่วนถูกส่งผ่านไปยังชั้นที่ 2, 3, 4 และ 5 ความร้อนจะลดลงในแต่ละชั้นของการป้องกันความร้อนตามลำดับ ชั้นป้องกันความร้อนแต่ละชั้นจะทำมุมเล็กน้อย”ปิด”กับชั้นก่อนหน้า เพื่อให้ความร้อนที่สะท้อนถูกเคลื่อนย้าย/กระดอน”ออกจาก”แผ่นสะท้อนแสง และไม่ถูกดูดซับโดยชั้นถัดไปของ Kapton

#6: Cryocooler บนกล้องโทรทรรศน์ James Webb ในอวกาศ

การระบายความร้อนแบบพาสซีฟช่วยให้อุณหภูมิต่ำเพียงพอสำหรับเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์สาม (จากสี่) ชิ้นเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง Mid-Infrared Instrument (MIRI) ต้องการอุณหภูมิประมาณ-447°F

เครื่องทำความเย็นด้วยความเย็นจะทำให้ MIRI เย็นลงจนถึงอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสม ในระบบวงปิด ฮีเลียมที่เย็นตัวลงแบบพาสซีฟจะผ่านค่าจูล-ทอมสัน ฮีเลียมมีอุณหภูมิลดลงเนื่องจาก จูล-ทอมสัน ผลกระทบ ฮีเลียมมีอุณหภูมิประมาณ-449°F

การก่อสร้างเริ่มขึ้นในปี 2004 European Space Agency ได้เลือก Grench Guiana ในปี 2011 สำหรับสถานที่ปล่อยยานในอนาคต กระจกทั้งหมด (18) เสร็จสิ้นการผลิตในปี 2011 กระจกเงา เคลื่อนที่ไปยัง 11 แบบที่แตกต่างกัน สถานที่ผลิตและทดสอบระหว่างกระบวนการผลิต 2555-2556 ส่วนประกอบแต่ละชิ้นเริ่มมาถึง NASA 2013-2016, การทดสอบระดับส่วนประกอบสำหรับความร้อนและการสั่นสะเทือน 2015-2016, กระจกถูกติดตั้งบนโครงสร้างเดียว 2017, การทดสอบส่วนประกอบในห้องสุญญากาศความร้อน 2018-2019, การประกอบและการทดสอบขั้นสุดท้ายในปี 2020, ความล่าช้าของ Covid 2021, เปิดตัวปัจจุบัน, L2 Lagrange สถานที่รวบรวมข้อมูล

ภารกิจจะอยู่ได้นานแค่ไหน

แต่เดิมภารกิจถูกกำหนดให้คงอยู่อย่างน้อยห้าปีครึ่งหลังจากเปิดตัว หลังจากติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ได้ไม่นาน NASA ได้อัปเดตการประมาณการและแนะนำว่าอาจมีเชื้อเพลิงเพียงพอสำหรับอายุการใช้งาน 10 ปี

จะเกิดอะไรขึ้นหลังจากผ่านไป 10 ปี

JWST จะหมดเชื้อเพลิง การไม่มีเชื้อเพลิงหมายความว่า JWST จะไม่สามารถ”เล็ง”ที่วัตถุในห้วงอวกาศด้วยความแม่นยำที่จำเป็น หากคุณไม่สามารถเล็งกล้องโทรทรรศน์ได้ แสดงว่าไม่มีฟังก์ชันการทำงานมากเกินไป

สามารถเติมน้ำมัน JWST ได้หรือไม่

ใช่และไม่ใช่ นี่คือคำตอบ”ข่าวดี ข่าวร้าย”

ข่าวดี: JWST มีเป้าหมายในการเทียบท่าและพอร์ตที่เข้าถึงได้จากภายนอกสำหรับการเติมน้ำมัน ข่าวร้าย: เราไม่มีเทคโนโลยี (ในปัจจุบัน) ที่จะเดินทาง 1,000,000 ไมล์ในอวกาศเพื่อเติมเชื้อเพลิงหรือทำงานบน JWST ข่าวดี: NASA มีเวลาอีกประมาณหนึ่งทศวรรษในการกำหนดวิธีการสร้างกลไกการเติมน้ำมัน NASA ไม่ได้มุ่งมั่นที่จะสร้างกลไกการเติมเชื้อเพลิงใดๆ

JWST จะอยู่ได้นานเท่ากับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลหรือไม่

เป็นไปได้มากว่า ไม่เลย ประโยชน์อย่างมากต่อฮับเบิลก็คือการที่มัน”ใกล้”กับโลกที่อยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่ร้อยไมล์ มีการ”เรียกบริการ”ของ NASA ไปยังฮับเบิลแยกกันสี่ครั้ง

การอัปเกรดและการซ่อมแซม นั่นคือข้อดีของการอยู่ใกล้บ้าน ข้อเสียของการอยู่ใกล้บ้านมากคือความสามารถของเครื่องมือฮับเบิลที่จำกัดมากขึ้นเนื่องจากความร้อน

JWTS อยู่ห่างออกไปหนึ่งล้านไมล์ NASA จะไม่ส่งนักบินอวกาศไปปฏิบัติภารกิจซ่อมแซม หาก JWST หยุด ภารกิจก็น่าจะจบลงแล้ว ข้อดีของการอยู่ไกลจากบ้านคือความสามารถในการเก็บรวบรวมข้อมูลความยาวคลื่นอินฟราเรดที่ยาวขึ้น