Das James Webb-Weltraumteleskop Ist Startbereit: Hier Ist Alles, Was Sie Wissen Müssen
Nach vielen Jahren der Forschung und Entwicklung hat die NASA bekannt gegeben, dass das James Webb Space Telescope (JWST) offiziell in den Weltraum vordringt. Der Starttermin ist der 18.12.2021. Dieses Teleskop ist in der Lage, bei viel längeren Infrarotwellenlängen als das Hubble-Weltraumteleskop zu arbeiten, was es dem JWST ermöglicht, weiter in die Vergangenheit zu blicken und Bilder aus den frühen Jahren des Universums zu sammeln, die aufgrund der Atmosphäre mit bodengestützten Teleskopen unmöglich wären.
Während der Entwicklung des JWST wurde die optische Engineering-Software von FRED verwendet, um seine Leistung im Hinblick auf die erforderlichen strengen Streulichtspezifikationen zu bewerten.
Entwicklungsreise
Ursprünglich als Next Generation Space Telescope (NGST) bekannt, begann die Entwicklung des JWST 1996 und sollte das Hubble-Teleskop ersetzen, das etwa sechs Jahre zuvor ins All gestartet war. Der ursprüngliche Starttermin wurde für 2007 erwartet, aber aufgrund einer notwendigen Neugestaltung der Testpläne, um Kostenüberschreitungen abzumildern, wurde der Starttermin verschoben.
Im Jahr 2013 traten Wissenschaftler in den Bauprozess des JWST in Maryland ein, und 2017 wurde der Bau abgeschlossen und für kryogene Tests nach Texas transportiert. Im Jahr 2018 wurde das Teleskop in den kalifornischen Space Park verschifft, wo es drei weitere Jahre lang getestet wurde, um sicherzustellen, dass es das Klima und die Turbulenzen des Weltraums übersteht.
Das Teleskop sollte ursprünglich im Oktober 2018 in den Weltraum geschossen werden, wurde jedoch auf Juni 2019 verschoben, als das Teleskop als nicht betriebsbereit galt. Später kam es zu einigen weiteren Verzögerungen und wurde noch dreimal verschoben, wobei der Start für Mai 2020, März 2021 und schließlich Dezember 2021 angekündigt wurde.
Am 26. September 2021 wurde das Teleskop per Boot von Kalifornien zum Startplatz in Französisch-Guayana verschifft. Es wurde auf der MN Colibri transportiert, die zuvor zum Transport von Weltraumgeräten wie Satelliten verwendet wurde. Die Reise bestand aus einer 16-tägigen Reise mit insgesamt 2.400 zurückgelegten Kilometern. Sie erreichte am 12. Oktober 2021 ihr Ziel Französisch-Guayana. Derzeit bereitet sich das Teleskop auf seinen Start in zwei Monaten vor.
JWST-Funktionen
Das JWST wird mit seinen fortschrittlichen wissenschaftlichen Fähigkeiten ein tieferes Verständnis des Universums ermöglichen. Wissenschaftler werden jetzt mehr Einblick in die Geheimnisse des Universums haben, die zuvor unerreichbar waren. Laut NASA “wird Webb Einblicke in alle Phasen der kosmischen Geschichte – bis kurz nach dem Urknall – geben und dabei helfen, unter den Tausenden von Exoplaneten, die Wissenschaftler in den letzten Jahren entdeckt haben, nach Anzeichen für eine mögliche Bewohnbarkeit zu suchen.“ Diese Entdeckungen können wissenschaftliche Durchbrüche über die Ursprünge des Universums einschließlich der frühen Sternen- und Galaxienformationen ermöglichen und bei der Suche nach erdähnlichen Planeten helfen.
Das JWST wird den Weltraum hauptsächlich im Infrarotbereich beobachten, was detailliertere Bilder des Weltraums ermöglicht. Laut NASA “werden weiter entfernte Objekte stärker rotverschoben, und ihr Licht wird vom UV und optischen ins nahe Infrarot gedrängt“. Das heißt, um die Objekte in der Ferne zu sehen, wäre ein Infrarot-Teleskop erforderlich. Das Hubble-Teleskop kann nur einen kleinen Teil des Infrarotspektrums beobachten und übersieht entfernte Objekte.
Da das JWST die Fähigkeit hat, weiter zu sehen, wird es den beobachtbaren Teil des Universums erweitern. Da es Zeit braucht, bis das Licht die Erde erreicht, bedeutet dies, dass das Teleskop einige der frühesten sich entwickelnden Himmelsobjekte im Universum beobachtet. Die Technologie im JWST wird in der Lage sein, bis kurz nach dem Urknall zu sogenannten "Babygalaxien" zurückzublicken und aufschlussreiche Informationen zu liefern, die 700 Millionen Jahre weiter zurückreichen als das Hubble-Teleskop.
Positionierung
Das JWST wird einer Halo-Umlaufbahn um den zweiten Lagrange-Punkt folgen, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Dies lässt sich am besten als Wechselwirkung zwischen der Anziehungskraft zweier großer Körper (der Sonne und der Erde) beschreiben. Die 6-monatige Umlaufbahn hält das Teleskop aus den Schatten der Erde und des Mondes heraus. Dadurch können die Sonnenblenden des JWST auch immer der Sonne zugewandt sein und sorgen so für eine konstante Temperatur unter 50 Kelvin, die für Infrarotbeobachtungen notwendig ist.
Video mit freundlicher Genehmigung: Animation: Die Umlaufbahn des James Webb-Weltraumteleskops
Nach dem Start des JWST wird es etwa einen Monat dauern, bis der zweite Lagrange-Punkt erreicht ist. Wenn das Teleskop seinen gewünschten Orbitpunkt erreicht hat, wird es über eine Funkverbindung gesteuert. Da sich das Teleskop sehr weit entfernt befindet, dauert es sechs Sekunden, bis die Befehle das Teleskop erreichen und sechs Sekunden, bis der Befehl zur Erde zurückgesendet wird.
Testen
Der Umfang der Tests, die das JWST durchlaufen hat, umfasst die Simulation der Bedingungen des Raketenstarts, um sicherzustellen, dass das Teleskop die Reise übersteht, die Simulation der rauen Weltraumbedingungen und die Sicherstellung des reibungslosen Einsatzes der Sonnenschilde. Wissenschaftler haben auch viele Tests an Simulatoren durchgeführt, um mögliche Vorfälle im Weltraum zu erkennen, die auftreten können. Bis zum Start des Teleskops üben sie an diesen Simulatoren weiter, damit sie auf alles vorbereitet sind.
Aufstellen
Auch nachdem das Teleskop am Zielort angekommen ist, gibt es eine Wartezeit von 35 Tagen, in der das Teleskop abkühlen muss, bevor es beginnen kann, sich zu entfalten. Sobald es beginnt, sich zu entfalten, macht das Teleskop Bilder seiner Positionierung und sendet sie an die Erde zurück, damit Anpassungen vorgenommen werden können, da die Positionierung für die Funktionalität präzise sein muss.
Die Fahrt zum zweiten Lagrange-Punkt, das Entfalten, das Aufstellen der Solaranlagen und die korrekte Positionierung werden insgesamt sechs Monate dauern, bis es voll funktionsfähig ist.
Beim Starten und Positionieren des Teleskops kann viel schief gehen. Die Verwendung optischer Engineering-Software wie FRED kann dazu beitragen, die Probleme zu reduzieren, um sicherzustellen, dass das Teleskop während des gewünschten Zeitrahmens voll funktionsfähig ist.
Durch die Neuerstellung des JWST in FRED bietet es die Möglichkeit, die Leistung jeder der optischen Komponenten zu testen, um die fortschrittliche Bildgebung zu simulieren, ohne Milliarden von Dollar ausgeben zu müssen.
Bau des James-Webb-Weltraumteleskops in FRED
Optisches Design
JJWST ist ein Drei-Spiegel-Anastigmat (TMA), das die Korrektur von sphärischer Aberration, Astigmatismus und Koma ermöglicht. Der TMA besteht aus einem konkaven fast parabolischen Primärspiegel, einem konvexen hyperbolischen Sekundärspiegel und einem konkaven elliptischen Tertiärspiegel.
Bild mit freundlicher Genehmigung: JWST
Das vom Tertiärspiegel reflektierte Licht fällt dann auf einen flachen Feinlenkspiegel, der verwendet wird, um das Licht auf die verschiedenen Instrumente zu lenken.
Um die höchste Reflexionseffizienz im Infrarotspektrum zu gewährleisten, ist jedem Spiegel eine Goldbeschichtung zugeordnet, die ein hohes Reflexionsvermögen von 0,6 bis 28 Mikrometer bietet.
Bild mit freundlicher Genehmigung: EO Portal
Zusammenbau des Primärspiegels
Der Primärspiegel von JWST besteht aus 18 sechseckigen Spiegeln mit einem Abstand von Scheitel zu Scheitel von 1,5 Metern, was einen Gesamtradius von 6,5 Metern ergibt.
Bild mit freundlicher Genehmigung: JWST
Jeder Spiegel ist mit A, B oder C gekennzeichnet, um die unterschiedliche optische Anordnungsvorschrift anzuzeigen. Um dies in FRED zusammenzusetzen, wurde eine sechseckige Kurve gezeichnet und so eingestellt, dass eine Fläche getrimmt wurde, die der Krümmung des JWST entsprach (Krümmungsradius = 15879.7: Konische Konstante = -0,9967).
Anschließend wurde ein eingebettetes Skript verwendet, um die sechseckigen Kurven zu generieren und 18 Segmente zu bevölkern, um den Hauptspiegel zu bauen.
Die Digitizer-Funktion von FRED wurde dann verwendet, um eine genaue Goldbeschichtung zu erzeugen, die auf die Oberfläche des Hauptspiegels aufgetragen wurde. Die Sekundär-, Tertiär- und Feinsteuerungsspiegel wurden in Bezug auf den Primärspiegel platziert und eine Feldvorspannung von 0,18 Grad wurde an das gesamte JWST angelegt. Das Rendern einer ebenen Welle zeigt den Weg des Lichts durch das Teleskop in der 3D-Ansicht.
Rahmen Bauen
Der “Rahmen“, der die optischen Komponenten beherbergt, kann vollständig mit nativen FRED-Objekten erstellt werden, indem die boolesche Objektfunktion und benutzerdefinierte Kurven genutzt werden.
Das Herzstück, das den feinen Lenkspiegel beherbergt, wurde aus 3 massiven Objekten gebaut. Eine N-seitige Pyramide wurde durch ein Blockelement getrimmt, um die äußere Form zu bilden. Dann wurde ein anderer Block verwendet, um die Blende zu schaffen, die die gewünschten Strahlen durchlässt.
Durch die volle Ausnutzung der benutzerdefinierten Krümmungen sowie der umfangreichen Bibliothek von Element Primitive Shapes von FRED ist es möglich, ein Arbeitsmodell des James Webb-Weltraumteleskops zu konstruieren.
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