James Webb Space Telescope

Ennen testejä instrumenttiosan käyttäytymistä on simuloitu tarkasti, ja insinöörit tietävät varsin hyvin miten sen pitäisi täristä täristettäessä. Testin aikana siihen on kiinnitettynä paljon kiihtyvyysmittareita, jotka mittaavat miten eri osat oikeasti liikkuvat. 

Joulukuussa tehdyissä testeissä todelliset tärinämittaukset erosivat kuitenkin olennaisesti ennakkosimulaatioista, joten testi päätettiin keskeyttää. 

Omituisuuksia oli ennen kaikkea peilin avausmekanismissa, joka koostuu ikään kuin kahdesta siivestä: otsikkokuvassa näkyy peilin keskiosa, joka on kiinnitettynä kiinteästi instrumenttiosaan, mutta sen takana on kaksi samaan tapaan pienemmistä peilinosista koottua sivupalaa, jotka liikkuvat paikalleen muodostaen lopulta yhden, suuren peilin. Kaikkiaan peilissä on 18 pienempää, kultapäällysteistä peiliä.

Laukaisun aikana peili on siis taitettuna origamin tapaan kolmeen osaan, mutta avaruudessa siitä tulee yksi iso peili.

Liian suuret kiihtyvyysarvot saattoivat olla merkki siitä, että mekanismi oli hajonnut – tai siitä, että etukäteen tehdyt simulaatiot eivät olleet kunnollisia.

Teleskooppia on jouluun aikana tutkittu tarkasti, eikä siinä havaittu mitään omituisuuksia. Myöskään simulaatioissa ei havaittu mitään kummallista, mutta kun samalla teleskooppi on käyttäytynyt normaalisti muilta osin testeissä, päätettiin testejä jatkaa.

Tällä viikolla uudelleen alkaneet testit tehdään Yhdysvaltain pääkaupunki Washingtonin luona olevassa Goddardin avaruuskeskuksessa. Kunhan nämä tärinätestit on tehty, altistetaan sama instrumenttiosa ja peilisysteemi suurelle metelille akustisessa testikammiossa. Sen avulla simuloidaan laukaisun meteliä.

Sen jälkeen peilin avausmekanismin toimintaa testataan vielä kerran, ennen kuin instrumenttiosa peileineen kuljetetaan huhtikuussa Johnsonin avaruuskeskukseen Houstoniin, Teksasiin, missä on avaruuden olosuhteita jäljittelevä suuri kammio. 

Sieltä instrumenttiosa viedään edelleen Kaliforniaan, Northrop Grumman -yhtiön tiloihin, missä se kiinnitetään huoltomoduuliin. Se pitää huolen teleskoopin sähkönsaannista, tietoliikenneyhteyksistä Maahan ja asennonsäädöstä. 

Yhdessä nämä muodostavat avaruuteen lähetettävän teleskoopin, ja kunhan sitä on vielä kerran testattu, se kuljetetaan vuoden 2018 kesällä Kouroun avaruuskeskukseen. 

Sieltä JWST laukaistaan Ariane 5 -kantoraketilla avaruuteen lokakuussa 2018. 

Teleskooppi ohjataan Maan painovoimatasapainopisteeseen 2, niin sanottuun toiseen Lagrangen pisteeseen noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta ulospäin aurinkokunnassa – siis päinvastaiselle puolelle missä Aurinko sijaitsee Maasta katsottuna.

JWST on ollut testattavana NASAn Goddardin avaruuslentokeskuksessa lähellä pääkaupunki Washingtonia. Tuoreen tilannetiedotteen mukaan joulukuun 3. päivänä tehdyssä testissä havaittiin jotain omituista, ja tämän perusteella testiohjelma on nyt keskeytetty ja tutkijat keskittyvät löytämään syyn omituisiin tuloksiin.

Testeissä teleskooppiin on kiinnitetty eri puolille erilaisia kiihtyvyysmittareita ja muita antureita, ja saadut kiihtyvyysarvot olivat olennaisesti erilaisia kuin odotettiin.

Onneksi teleskoopissa tai sen suuressa ja herkässä peilissä ei näytä olevan rakenteellisia vaurioita, vaan tulokset viittaavat vain odottamattomiin mittausarvoihin. 

Siksi nyt joulukuun aikana teleskooppia on täristetty uudelleen, pienemmillä kiihtyvyysarvoilla, jolloin sen käyttäytymisestä on saatu lisätietoa.

On mahdollista, että tarkemmissa tutkimuksissa ja simulaatioissa käy ilmi, että saadut mittausarvot eivät anna aihetta suurempaan huoleen, mutta voi myös olla niin, että edessä on muutoksia teleskooppiin ja uusi viivästys.

JWST on vuosia myöhässä alkuperäisestä aikataulustaan ja sen kustannukset ovat karanneet käsistä. Ennen nyt paljastunutta huolenaihetta oli teleskooppi tarkoitus laukaista lokakuussa 2018 avaruuteen Ariane 5 -kantoraketilla.

Piirroskuva James Webb -teleskoopista avaruudessa täysin avattuna: siinä on suuren, vasta avaruudessa avautuvan peilin lisäksi kookas aurinkosuoja alla. Otsikkokuvassa on teleskooppi siirrettävänä testattavaksi. Kuvat: Nasa.

Testeissä paljastuu usein pieniä vikoja ja omituisia mittausarvoja, ja tämä on yksi syy miksi avaruuslaitteita testataan armottomasti: on parempi, että omituisuudet tulevat esiin ennen laukaisua kuin vasta avaruudessa. Yleensä nämä epäkohdat voidaan korjata nopeasti tai ne voidaan analyysien perusteella päätellä vaarattomiksi.

Edessä Goddardissa ovat vielä optiikan sekä koko suuren peilin ja sen avausmekanismin testit täristyksen jälkeen.

Tämän jälkeen JWST on tarkoitus kuljettaa Hosutoniin Nasan Johnsonin avaruuskeskukseen, missä olevalla avaruussimulaattorilla se altistetaan avaruuden tyhjiölle ja lämpötiloille. Sieltä teleskooppiosa viedään edelleen Kaliforniaan Northrop Grumman -yhtiön tiloihin, missä se liitetään huoltomoduuliin, joka tulee huolehtimaan avaruudessa teleskoopin asennonsäädöstä, ohjaamisesta, virransaannista ja tietoliikenneyhteyksistä Maahan. Sen olennainen osa on myös suuri, monikerroksinen, avaruudessa avattava aurinkosuoja.

Lopulta, ennen kuljetusta laukaisupaikalle Kouroun avaruuskeskukseen on koko JWST tarkoitus testata vielä Goddardissa.

Juttua on päivitetty julkaisun jälkeen: Alun perin siinä kerrottiin koko JWST:n olleen nyt testissä, mutta kyseessä oli luonnollisesti "vain" kokonaisuuden teleskooppiosa. Samalla juttuun on päivitetty JWST:n edessä olevien testien aikalu.

Lähikuva JWST:n peilistä. Teleskooppia kootaan parhaillaan NASAn Goddardin avaruuskeskuksen suuressa puhdastilassa.

Kolme vaihtoehtoa

ATLAST voitaisiin lähettää avaruuteen vuonna 2025 ja kuten edeltäjänsä JWST:n, on senkin suunniteltu elinikä kymmenen vuotta. Käytännössä se saattaa kestää pitempäänkin, etenkin jos ja kun sitä voidaan korjata avaruudessa. 

Alustavissa suunnitelmissa on esillä tällä hetkellä kolme eri vaihtoehtoa, joista pienin on varustettu kahdeksan metriä halkaisijaltaan olevalla peilillä, joka olisi yksi iso ja kiinteä peili monien perinteisten maanpäällisten teleskooppien ja Hubblen avaruusteleskoopin tapaan. Suurempaa kuin tämä kahdeksan metriä ei voida laukaista avaruuteen nyt ja suunnitteilla olevilla raketeilla kokonaisena.

Niinpä kahdessa muussa hahmotelmassa on suurempi, JWST:n tapaan paloista koottu peili, joka avautuu täyteen kokoonsa vasta avaruudessa. Näistä konservatiivisempi versio on 9,2-metrisellä peilillä varustettu laite, joka olisi oikeastaan kuin paranneltu JWST. Sen suurempi serkku, 16 metriä halkaisijaltaan olevalla peilillä varustettu teleskooppi, on myös samankaltainen, mutta vain paljon kookkaampi. Siinä voisi olla myös pieni sivuvalolta suojaava putki ympärillään, mutta todennäköisesti alla oleva, laajaksi levittäytyvän lämpö- ja valosuoja korvaa hankalan putkityyppisen rakenteen.

Vaikka suurin osa tähtitieteilijöistä kannattaa suurta paloista koottua peiliä, on perinteinen ratkaisu edelleen mukana siltä varalta, että JWST:n peilin kanssa tulee ongelmia. 

Laskelmien mukaan ATLAST tulee olemaan versiosta riippuen 5-10 kertaa tarkempi kuin JWST ja se pystyy havaitsemaan joka 2000 kertaa heikompivaloisia kohteita kuin Hubblen avaruusteleskooppi. Se kykenisi siis kuvaamaan jo suoraan muita tähtiä kiertäviä planeettoja.

Näistä versioista keskimmäinen, 9,2 -metrinen, voitaisiin laukaista avaruuteen jo nykyisillä kantoraketeilla, mutta pienempi yksiosainen ja suurin palapeilillä varustettu vaatisivat kehitteillä olevan Ares 5 -kantoraketin. Myös pian ensilentonsa tekevä Falcon 9 Heavy voisi tulla kyseeseen.

Siinä missä pienin olisi periaatteessa kuin suurikokoinen Hubble, olisivat kaksi suurempaa hyvin pitkälti JWST:n kaltaisia: niissä olisi pieni huolto-osa, missä ovat asennonsäätö-, tietoliikenne- ja virrantuottolaitteet, siihen kiinnitetty suurikokoinen, avaruudessa auki levittäytyvä varjo, joka suojaa Auringon valolta ja lämmöltä, sekä päällimmäisenä itse teleskooppi peileineen ja sen polttopisteessä olevine havaintolaitteineen. 

Kuten tulevassa JWST:ssä, ovat havaintolaitteet pääasiassa kameroita ja spektrografeja, jotka on viritetty varsin laajalle aallonpituusalueelle näkyvän valon ulkopuolellekin – avaruudesta kun havaintoja voidaan tehdä vapaasti niin ultraviolettisäteilystä infrapunaisen äärilaidalle saakka.

Suunnittelua tehdään parhaillaan JWST:n yhteistyökollaboraation kesken, eli yleistänen NASAn, ESAn ja Kanadan avaruuskeskuksen välisenä työnä. Näin olleen suomalaistutkijatkin voisivat olla myös tulevan jättiteleskoopin käyttäjinä ESA-yhteytemme ansiosta.

Kuva: Hubblen avaruusteleskoppin (vasemmalla), JWST:n (keskellä) ja ATLAST:n suurimman version (oikealla) peilien koot vertailussa.

JWST:n pääpeilin halkaisija on 6,5 metriä siinä missä nykyisen Hubblen peilin halkaisija on 2,4 metriä. Pinta-alaa uudessa laitteessa on siten lähes seitsenkertaisesti verrattuna Hubbleen. Näin suurta peiliä ei pystytä laukaisemaan kokonaisena avaruuteen, joten peili rakennetaan 18 kulmikkaasta elementistä, jotka kääntyvät mutkikkaan mekanismin ohjaamina tarkasti omille paikoilleen. Pääpeili on laukaisun aikaan pakattu tiiviiksi, monikerroksiseksi paketiksi, joka avautuu, liukuu paikoilleen ja napsahtaa millimetrin osien tarkkuudella oikeaan muotoonsa avaruudessa.

Yllä olevassa kuvassa on peilin pienikokoinen koekappale, jolla on testattu avausmekanismia ja optiikan saamista riittävän tarkaksi.

Peilien materiaali on kevyt ja kestävä, mutta hankalasti työstettävä beryllium-metalli.

"Huoltovapaa"

Vanha Hubble tuli kuuluisaksi laukaisunsa jälkeen viimeistään siitä, että sen pääpeili oli hiottu väärin ja sen näköä jouduttiin korjaamaan hammaslääkärin peilin kaltaisilla optisilla värkeillä.

Uuden teleskoopin peili on parasta tehdä kerralla kunnolliseksi, sillä JWST lennätetään varsin kauas maapallosta. Sen asemapaikaksi tulee ns. Lagrangen piste 2, eli Maan ja Auringon painovoimakenttien tasapainopiste, missä avaruusalus pystyy olemaan lähes paikallaan – käytännössä kiertämään omalaatuista rataa tyhjässä avaruudessa olevan pisteen ympärillä.

Tällaisia pisteitä on useampia, ja niistä L2 sopii parhaiten avaruuteen katsoville laitteille, koska siellä oleva avaruusalus säilyttää saman asennon Maan ja Auringon suhteen ja siksi sen asennonsäätö ja suuntaus ovat helpompia toteuttaa.

L2 sijaitsee 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maan radan ulkopuolella Auringosta katsottuna, eli matkaa sinne on lähes nelinkertaisesti enemmän kuin Kuuhun. Astronauttien vierailut uuden Hubblen luokse suunnitteillakin olevilla aluksilla on hankalasti toteutettavissa, joten uutta teleskooppia ei suunnitella astronauttien huollettavaksi.

NASA asentaa kuitenkin kaukonäköisesti JWST:n kylkeen kiinnityspisteen, mistä mahdollisesti tulevaisuudessa tehtävä robottihuoltaja voisi napata kiinni. Jo nyt suunnitteilla olevat huoltorobotit ovat kykeneviä ja pystyisivät korjaamaan teleskooppejakin, mutta niiden varaan ei vielä kannata laskea mitään: niinpä JWST suunnitellaan ja testataan kuin kauas avaruuteen lähetettävät luotaimet, kenties jopa paremmin.

Koska JWST ei siis kierrä alla sinisenä hohtavaa Maata, eikä teleskooppia tarvitse koko ajan vääntää poispäin sokaisevasta Auringosta, voi laitteen rakenne olla paljon Hubblea suoraviivaisempi. Se on siksi oikeastaan vain suuri peili, jonka alla ovat mittalaitteet sekä aurinkosuoja.

Olennaisin laitteen kokoa ja muotoa määräävä tekijä onkin laukaisu avaruuteen, sillä laite täytyy saada pakattua Ariane 5 -kantoraketin nokkaan mahtuvaksi möhkäleeksi. Eurooppalaisen Arianen rahtitila on kantorakettien suurin ja samalla laukaisu on osa eurooppalaisten maksuosuutta uudesta teleskoopista. 

Ariane 5:n rahtitila tulee täyteen uudesta avaruusteleskoopista. Pituutta sillä voisi olla hieman enemmän, mutta leveyttä ei yhtään enempää. Oikealla oleva kuva näyttää myös miten peili on taittuneena laukaisun aikaan.

Missä mennään?

Webb-avaruusteleskoopissa on kaikkiaan neljä kameraa ja spektrografia, jotka on paketoitu yhteen instrumenttimoduuliin. Ne ovat jo valmiina odottamassa teleskoopin loppukokoonpanon alkua.

Näiden neljän laitteen avuin keskitytään neljään tieteelliseen teemaan: ensimmäisten tähtien syntyyn, galaksien muodostumiseen, tähtien ja protoplanetaaristen järjestelmien kehitykseen sekä planeettakuntien olosuhteisiin. 

Teleskoopin rakentaminen päättyi (viimein) vuoden 2016 lopussa, minkä jälkeen sitä alettiin testata. Testeissä on löytynyt paljon pientä korjattavaa, minkä vuoksi laukaisupäivää jo hilattu koko ajan eteenpäin, ja nyt se odotetaan tapahtuvan maaliskuussa 2021.

Juuri nyt huhtikuussa 2020 työt JWST:n kanssa ovat kuitenkin seisahtuneen koronapandemian vuoksi. Nähtäväksi jää, kuinka tämä tulee vaikuttamaan laukaisupäivään.

Seuraajan seuraajakin jo suunnitteilla

Avaruushankkeista puhuttaessa horisontti on yleensä kovin kaukana, joten ei ole mikään yllätys, että tähtitieteilijät ja avaruusinsinörit miettivät jo millainen olisi JWST:n seuraaja.

Hahmotteilla oleva ATLAST, eli Advanced Technologies Large Aperture Space Telescope (kuvassa yläpuolella), jättäisi sekä Hubblen että Webbin varjoonsa sekä kokonsa että suorituskykynsä puolesta. Siinä olisi 20-metrinen mosaiikkipeili, joka toimisi sekä näkyvän valon että ultravioletti- ja infrapuna-alueilla. 

Teoreettisesti sillä pystyttäisiin erottamaan jopa eksoplaneettojen pinnalla tapahtuvia vuodenaikojen mukaisia muutoksia. Toiveikkaimpien kaavailujen mukaan se voisi olla toiminnassa vuonna 2030 – mutta tämä tuskin toteutuu.

Alla on tuorein Hubblecast, säännöllisesti Hubblen tuloksista kertova video-ohjelma, missä kerrotaan tarkemmin JWST:stä:

*

(Tätä huhtikuussa 2015 kirjoitettua juttua on päivitetty 24.4.2020)