Космический телескоп Джеймса Уэбба

Космический телескоп Джеймса Уэбба

Визуализация полностью развернутого космического телескопа Джеймса Уэбба.
Имена	Космический телескоп следующего поколения (NGST; 1996–2002 гг.)
Тип миссии	Астрономия
Оператор	STScI ( НАСА ) / ЕКА / ККА
ИДЕНТИФИКАТОР КОСПЭРЭ	2021-130А
САТКАТ нет.	50463
Веб-сайт	Официальный сайт веб-телескоп .org
Продолжительность миссии	2 года, 5 месяцев, 27 дней (прошло) 5 + 1 ⁄ года (основная миссия) 10 лет (планируется) 20 лет (ожидаемый срок службы)
Свойства космического корабля
Производитель	Нортроп Грумман Болл Аэрокосмическая промышленность и технологии L3Харрис
Стартовая масса	6500 кг (14300 фунтов)
Размеры	21,197 м × 14,162 м (69,54 × 46,46 футов), солнцезащитный козырек
Власть	2 кВт
Начало миссии
Дата запуска	25 декабря 2021 г. ( 25.12.2021 ) , 12:20 UTC
Ракета	Ариан 5 ЭКА ( ВА256 )
Запуск сайта	Гайанский космический центр , ELA-3
Подрядчик	Арианспейс
Вступил в сервис	12 июля 2022 г ( 12.07.2022 )
Орбитальные параметры
Справочная система	Солнце–Земля L 2 Орбита
Режим	Гало-орбита
Высота периапсиса	250 000 км (160 000 миль)
Высота апоапсиса	832 000 км (517 000 миль)
Период	6 месяцев
Главный телескоп
Тип	телескоп Корша
Диаметр	6,5 м (21 фут)
Фокусное расстояние	131,4 м (431 фут)
Фокальное соотношение	f /20,2
Зона сбора	25,4 м 2 (273 кв. фута)
Длины волн	0,6–28,3 мкм ( от оранжевого до среднего инфракрасного диапазона )
Транспондеры
Группа	S-диапазон , телеметрия и телеуправление K a -диапазон , нисходящая линия передачи научных данных
Пропускная способность	S-диапазон вверх: 16 кбит/с S-диапазон вниз: 40 кбит/с K a - диапазон вниз: до 28 Мбит/с
Инструменты
ФГС-НИРИСС МИРИ НИРКам NIRSpec
Элементы
Интегрированный модуль научных инструментов Элемент оптического телескопа Космический корабль ( автобус и солнцезащитный козырек )
Логотип миссии космического телескопа Джеймса Уэбба

Космический телескоп Джеймса Уэбба ( JWST ) — космический телескоп, предназначенный для проведения инфракрасной астрономии . Его инструменты с высоким разрешением и высокой чувствительностью позволяют ему видеть объекты, слишком старые, далекие или слабые для космического телескопа Хаббл . Это позволяет проводить исследования во многих областях астрономии и космологии , такие как наблюдение первых звезд и формирование первых галактик , а также детальное описание атмосферных характеристик потенциально обитаемых экзопланет .

«Уэбб» был запущен 25 декабря 2021 года на ракете «Ариан-5» из Куру , Французская Гвиана. Солнце-Земля L ₂ В январе 2022 года он прибыл к месту назначения — на солнечную орбиту вблизи точки Лагранжа , примерно в 1,5 миллиона километров (930 000 миль) от Земли. Первое изображение телескопа было представлено публике 11 июля 2022 года.

США Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) руководило проектированием и разработкой Уэбба и сотрудничало с двумя основными агентствами: Европейским космическим агентством (ЕКА) и Канадским космическим агентством (CSA). НАСА Центр космических полетов имени Годдарда (GSFC) в Мэриленде руководил разработкой телескопа, а Научный институт космических телескопов в Балтиморе в кампусе Хоумвуд Университета Джона Хопкинса управляет Webb. Генеральным подрядчиком проекта выступила компания Northrop Grumman .

Телескоп назван в честь Джеймса Э. Уэбба , который был администратором НАСА с 1961 по 1968 год во время программ «Меркурий» , «Близнецы» и «Аполлон» .

Уэбба Главное зеркало состоит из 18 шестиугольных зеркальных сегментов из позолоченного . бериллия , которые вместе образуют зеркало диаметром 6,5 метра (21 фут) по сравнению с 2,4 м (7 футов 10 дюймов) у Хаббла Это дает Уэббу площадь сбора света около 25 квадратных метров, что примерно в шесть раз больше, чем у Хаббла. В отличие от Хаббла, который наблюдает в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазоне (0,1–0,8 мкм), а также в ближнем инфракрасном диапазоне (0,8–2,5 мкм) В спектрах Уэбб наблюдает более низкий частотный диапазон: от длинноволнового видимого света (красного) до среднего инфракрасного (0,6–28,3 мкм). Телескоп должен храниться при очень низкой температуре, ниже 50 К (-223 ° C; -370 ° F), чтобы инфракрасный свет, излучаемый самим телескопом, не мешал собранному свету. Его пятислойный солнцезащитный экран защищает его от нагревания Солнцем, Землей и Луной.

Первоначальные разработки телескопа, получившего тогда название «Космический телескоп следующего поколения», начались в 1996 году . В 1999 году были заказаны два концептуальных исследования с потенциальным запуском в 2007 году и бюджетом в 1 миллиард долларов США. Программа страдала от огромного перерасхода средств и задержек. В 2005 году была проведена масштабная реконструкция, а строительство завершилось в 2016 году, после чего последовали годы исчерпывающих испытаний общей стоимостью 10 миллиардов долларов США.

Особенности

Масса космического телескопа Джеймса Уэбба примерно вдвое меньше массы космического телескопа Хаббл . диаметром 6,5 м (21 фут), с золотым покрытием из бериллия У Уэбба есть главное зеркало состоящее из 18 отдельных шестиугольных зеркал. Зеркало имеет площадь полировки 26,3 м2. ² (283 кв. фута), из них 0,9 м ² (9,7 кв. футов) скрыт второстепенными опорными стойками, что дает общую площадь сбора 25,4 м2. ² (273 кв. фута). Это более чем в шесть раз больше, чем площадь сбора зеркала Хаббла диаметром 2,4 м (7,9 футов), площадь сбора которого составляет 4,0 м. ² (43 кв. фута). Зеркало имеет золотое покрытие, обеспечивающее отражение инфракрасного излучения , и покрыто тонким слоем стекла для долговечности.

Уэбб предназначен в первую очередь для астрономии в ближнем инфракрасном диапазоне , но может также видеть оранжевый и красный видимый свет, а также среднюю инфракрасную область, в зависимости от используемого инструмента. Он может обнаруживать объекты, которые в 100 раз тусклее, чем Хаббл, а также объекты, существовавшие гораздо раньше в истории Вселенной , вплоть до красного смещения z≈20 (около 180 миллионов лет космического времени после Большого взрыва ). Для сравнения, считается, что самые ранние звезды образовались между z≈30 и z≈20 (100–180 миллионов лет по космическому времени). и первые галактики могли образоваться при красном смещении z≈15 (около 270 миллионов лет по космическому времени). Хаббл не может заглянуть дальше, чем в эпоху ранней реионизации. примерно на z≈11,1 (галактика GN-z11 , 400 миллионов лет по космическому времени).

В дизайне особое внимание уделяется ближнему и среднему инфракрасному диапазону по нескольким причинам:

• видимые излучения объектов с высоким красным смещением (очень ранних и далеких) смещены в инфракрасную область, и поэтому их свет можно наблюдать только с помощью инфракрасной астрономии ;
• инфракрасный свет легче проходит сквозь пылевые облака , чем видимый свет;
• более холодные объекты, такие как диски обломков и планеты, сильнее всего излучают в инфракрасном диапазоне;
• эти инфракрасные диапазоны трудно изучать с земли или с помощью существующих космических телескопов, таких как Хаббл.

Приблизительный график поглощения (или непрозрачности) атмосферы Земли электромагнитного излучения различных длин волн, включая видимый свет.

Наземные телескопы должны смотреть сквозь атмосферу Земли , которая непрозрачна во многих инфракрасных диапазонах (см. рисунок справа). Даже там, где атмосфера прозрачна, многие из целевых химических соединений, таких как вода, углекислый газ и метан, также существуют в атмосфере Земли, что значительно усложняет анализ. Существующие космические телескопы, такие как Хаббл, не могут изучать эти полосы, поскольку их зеркала недостаточно холодные (зеркало Хаббла поддерживается при температуре около 15 ° C [288 K; 59 ° F]), а это означает, что сам телескоп сильно излучает в соответствующих инфракрасных диапазонах.

Уэбб также может наблюдать объекты в Солнечной системе под углом более 85° от Солнца и с видимой угловой скоростью движения менее 0,03 угловых секунды в секунду. Сюда входят Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон, их спутники , а также кометы , астероиды и малые планеты или за ее пределами , находящиеся на орбите Марса . Уэбб обладает чувствительностью в ближнем и среднем ИК-диапазоне, что позволяет ему наблюдать практически все известные объекты пояса Койпера . Кроме того, он может наблюдать случайные и незапланированные цели в течение 48 часов после принятия решения, такие как сверхновые и гамма-всплески .

• 
  Вид сверху в три четверти
• 
  Низ (сторона, обращенная к Солнцу)

Местоположение и орбита

Уэбб работает на гало-орбите Солнце-Земля L ₂ , вращаясь вокруг точки в космосе, известной как точка Лагранжа , примерно в 1 500 000 км (930 000 миль) за пределами орбиты Земли вокруг Солнца. Его фактическое положение варьируется от 250 000 до 832 000 км (155 000–517 000 миль) от L ₂ на орбите, что не позволяет ему попасть в тень как Земли, так и Луны. Для сравнения: Хаббл вращается на высоте 550 км (340 миль) над поверхностью Земли, а Луна находится примерно в 400 000 км (250 000 миль) от Земли. Объекты вблизи этой точки L ₂ Солнце-Земля могут вращаться вокруг Солнца синхронно с Землей, что позволяет телескопу оставаться на примерно постоянном расстоянии. с постоянной ориентацией своего солнцезащитного козырька и шины оборудования на Солнце , Землю и Луну . В сочетании с широкой орбитой, избегающей теней, телескоп может одновременно блокировать поступающее тепло и свет от всех трех этих тел и избегать даже малейших изменений температуры от теней Земли и Луны, которые могут повлиять на структуру, но при этом поддерживать бесперебойную солнечную энергию и Земные коммуникации на обращенной к Солнцу стороне. Такое расположение поддерживает постоянную температуру космического корабля на уровне ниже 50 К (-223 ° C; -370 ° F), необходимых для наблюдений в слабом инфракрасном диапазоне.

Солнцезащитный козырек

Основная статья: Солнцезащитный козырек космического телескопа Джеймса Уэбба

Испытательная единица солнцезащитного козырька уложена и расширена на заводе Northrop Grumman в Калифорнии, 2014 г.

Чтобы проводить наблюдения в инфракрасном спектре , температуру Уэбба необходимо поддерживать ниже 50 К (-223,2 ° C; -369,7 ° F); в противном случае инфракрасное излучение самого телескопа повредит его инструменты. Его большой солнечный экран блокирует свет и тепло от Солнца , Земли и Луны , а его расположение рядом с Солнцем-Землей L ₂ всегда удерживает все три тела на одной стороне космического корабля. Его гало-орбита вокруг L ₂ точки позволяет избежать тени Земли и Луны, поддерживая постоянную среду для солнечного экрана и солнечных батарей. Полученная в результате стабильная температура структур на темной стороне имеет решающее значение для поддержания точного выравнивания сегментов главного зеркала.

Пятислойный солнцезащитный экран, каждый слой толщиной с человеческий волос. Изготовлен из пленки Kapton E , покрытой алюминием с обеих сторон и слоем легированного кремния на стороне двух самых горячих слоев, обращенной к Солнцу, для отражения солнечного тепла обратно в космос. Случайные разрывы тонкой структуры пленки во время испытаний на развертывание в 2018 году привели к дальнейшим задержкам с развертыванием телескопа.

Солнцезащитный козырек был спроектирован так, чтобы его можно было сложить двенадцать раз, чтобы он поместился в обтекателе полезной нагрузки ракеты Ariane 5 , диаметр которого составляет 4,57 м (15,0 футов), а длина — 16,19 м (53,1 фута). Размеры полностью развернутого щита планировались как 14,162 × 21,197 м (46,46 × 69,54 футов).

Нахождение в тени солнцезащитного козырька ограничивает поле зрения Уэбба в любой момент времени. Телескоп может видеть 40 процентов неба из любой точки, но может видеть все небо в течение шести месяцев.

Оптика

Основная статья: Элемент оптического телескопа

Инженеры чистят тестовое зеркало снегом из углекислого газа , 2015 год.

Главное зеркало в сборе спереди с прикрепленными главными зеркалами, ноябрь 2016 г.

Дифракционные пики из-за зеркальных сегментов и цветовой маркировки крестовины.

Уэбба Главное зеркало представляет собой покрытый золотом бериллиевый отражатель диаметром 6,5 м (21 фут) и собирающей площадью 25,4 м. ² (273 кв. фута). Если бы оно было спроектировано как одно большое зеркало, оно было бы слишком большим для существующих ракет-носителей. Таким образом, зеркало состоит из 18 шестиугольных сегментов (техника, впервые разработанная Гвидо Хорном д'Артуро ), которые развернулись после запуска телескопа. в плоскости изображения Измерение волнового фронта посредством восстановления фазы используется для позиционирования сегментов зеркала в правильном положении с помощью точных приводов . После этой первоначальной конфигурации им требуются лишь периодические обновления каждые несколько дней, чтобы сохранить оптимальную концентрацию. В этом отличие от наземных телескопов, например телескопов Кека , которые постоянно корректируют сегменты своих зеркал с помощью активной оптики , чтобы преодолеть эффекты гравитационной и ветровой нагрузки. Телескоп Уэбба использует 132 небольших приводных двигателя для позиционирования и регулировки оптики. Приводы могут позиционировать зеркало с точностью до 10 нанометров .

Оптическая схема Уэбба представляет собой трехзеркальный анастигмат . в котором используются изогнутые вторичные и третичные зеркала для получения изображений без оптических аберраций в широком поле зрения. Вторичное зеркало имеет диаметр 0,74 м (2,4 фута). Кроме того, имеется тонкое рулевое зеркало, которое может регулировать свое положение много раз в секунду для стабилизации изображения . На фотографиях, сделанных Уэббом, есть шесть шипов плюс два более слабых из-за паука, поддерживающего вторичное зеркало.

Научные инструменты

NIRCam завершила работу в 2013 году.

Калибровочная сборка, один из компонентов прибора NIRSpec.

МИРИ

Интегрированный модуль научных инструментов (ISIM) представляет собой структуру, обеспечивающую электроэнергию, вычислительные ресурсы, возможности охлаждения, а также структурную стабильность телескопа Уэбба. Он изготовлен из графитно-эпоксидного композита, прикрепленного к нижней части конструкции телескопа Уэбба. ISIM содержит четыре научных инструмента и камеру-гид.

• NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) — это инфракрасный формирователь изображения , спектральный охват которого варьируется от края видимого диапазона (0,6 мкм) до ближнего инфракрасного диапазона (5 мкм). Здесь 10 сенсоров по 4 мегапикселя каждый. NIRCam служит в обсерватории датчиком волнового фронта, который необходим для измерения и контроля волнового фронта и используется для выравнивания и фокусировки основных сегментов зеркала. NIRCam была создана командой во главе с Университетом Аризоны под руководством главного исследователя Марсии Дж. Рике .
• NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) выполняет спектроскопию в том же диапазоне длин волн. Он был построен Европейским космическим агентством на базе ESTEC в Нордвейке , Нидерланды. В ведущую группу разработчиков входят представители Airbus Defence and Space , Оттобрунн и Фридрихсхафен, Германия, а также Центра космических полетов Годдарда ; с Пьером Феррюи ( Высшая нормальная школа Лиона ) в качестве научного сотрудника проекта NIRSpec. Конструкция NIRSpec обеспечивает три режима наблюдения: режим низкого разрешения с использованием призмы, многообъектный режим R ~ 1000 и интегральный полевой блок R ~ 2700 или режим спектроскопии с длинной щелью. Переключение режимов осуществляется с помощью механизма предварительного выбора длины волны, называемого узлом фильтрующего колеса, и выбора соответствующего дисперсионного элемента (призмы или решетки) с помощью механизма узла решетчатого колеса. Оба механизма основаны на успешных колесных механизмах ISOPHOT Инфракрасной космической обсерватории . Многообъектный режим основан на сложном механизме микрозатвора, позволяющем одновременно наблюдать сотни отдельных объектов в любой точке поля зрения NIRSpec. Датчиков два, каждый по 4 мегапикселя.
• MIRI (средний инфракрасный прибор) измеряет длину волны в среднем и длинном инфракрасном диапазоне от 5 до 27 мкм. Он содержит как камеру среднего инфракрасного диапазона, формирования изображений так и спектрометр . MIRI был разработан в результате сотрудничества НАСА и консорциума европейских стран под руководством Джорджа Рика ( Университет Аризоны ) и Джиллиан Райт ( Центр астрономических технологий Великобритании , Эдинбург , Шотландия). Температура MIRI не должна превышать 6 К (-267 ° C; -449 ° F): это охлаждение обеспечивает механический охладитель газообразного гелия, расположенный на теплой стороне защитного экрана.
• FGS/NIRISS (датчик точного наведения, формирователь изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и безщелевой спектрограф), возглавляемый Канадским космическим агентством под руководством ученого проекта Джона Хатчингса ( Центр астрономических и астрофизических исследований Герцберга ), используется для стабилизации прямой видимости обсерватории во время научные наблюдения. Измерения FGS используются как для контроля общей ориентации космического корабля, так и для управления точным рулевым зеркалом для стабилизации изображения. Канадское космическое агентство также предоставило модуль формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и безщелевого спектрографа (NIRISS) для астрономических изображений и спектроскопии в диапазоне длин волн от 0,8 до 5 мкм под руководством главного исследователя Рене Дойона. в Университете Монреаля . Хотя их часто называют одним целым, NIRISS и FGS служат совершенно разным целям: один из них является научным инструментом, а другой — частью вспомогательной инфраструктуры обсерватории.

, блокирующими звездный свет, NIRCam и MIRI оснащены коронографами для наблюдения за слабыми целями, такими как внесолнечные планеты и околозвездные диски, очень близкие к ярким звездам.

Автобус космического корабля

Основная статья: Автобус космического корабля (Космический телескоп Джеймса Уэбба)

Схема автобуса космического корабля . Солнечная панель зеленого цвета, а светло-фиолетовые панели — это радиаторы.

Шина космического корабля является основным вспомогательным компонентом космического телескопа Джеймса Уэбба, в котором размещено множество вычислительных, коммуникационных, электрических, двигательных и структурных частей. Вместе с солнцезащитным козырьком он образует космический элемент космического телескопа . Шина космического корабля находится на «теплой» стороне солнцезащитного экрана, обращенной к Солнцу, и работает при температуре около 300 К (27 ° C; 80 ° F).

Конструкция автобуса космического корабля имеет массу 350 кг (770 фунтов) и должна выдерживать космический телескоп массой 6200 кг (13700 фунтов). Он изготовлен в основном из графитового композитного материала. Сборка была завершена в Калифорнии в 2015 году. Он был интегрирован с остальной частью космического телескопа, что привело к его запуску в 2021 году. Шина космического корабля может вращать телескоп с точностью наведения в одну угловую секунду и изолировать вибрацию до двух угловых миллисекунд.

У Уэбба есть две пары ракетных двигателей (одна пара для резервирования) для корректировки курса на пути к L ₂ и для удержания станции – поддержания правильного положения на гало-орбите. Восемь двигателей меньшего размера используются для управления ориентацией – правильного наведения космического корабля. В двигателях используется гидразиновое топливо (159 литров или 42 галлона США при запуске) и тетраоксид динитрогена в качестве окислителя (79,5 литров или 21,0 галлона США при запуске).

Сервисное обслуживание

Уэбб не предназначен для обслуживания в космосе. Миссия с экипажем по ремонту или модернизации обсерватории, как это было сделано для Хаббла, была бы невозможна. и, по словам заместителя администратора НАСА Томаса Зурбухена , несмотря на все усилия, удаленная миссия без экипажа оказалась за пределами доступных технологий на момент проектирования Уэбба. Во время длительного периода испытаний Уэбба представители НАСА высказывали идею об обслуживании миссии, но никаких планов не было объявлено. После успешного запуска НАСА заявило, что, тем не менее, было сделано ограниченное количество приспособлений для облегчения будущих миссий по обслуживанию. Эти приспособления включали в себя точные указатели наведения в виде крестов на поверхности Уэбба для использования миссиями дистанционного обслуживания, а также многоразовые топливные баки, съемные теплозащитные устройства и доступные точки крепления.

Программное обеспечение

Илана Дашевский и Вики Бальзано пишут, что Уэбб использует для своих операций модифицированную версию JavaScript , называемую Nombas ScriptEase 5.00e; он соответствует стандарту ECMAScript и «обеспечивает модульный процесс проектирования, при котором встроенные сценарии вызывают сценарии более низкого уровня, которые определены как функции». «Научные операции JWST будут управляться встроенными сценариями ASCII (вместо бинарных командных блоков), написанными на специальной версии JavaScript. Интерпретатор сценариев запускается летным программным обеспечением, написанным на языке программирования C++ . Программное обеспечение полета управляет космическим кораблем и научными приборами».

Сравнение с другими телескопами

Сравнение с космического телескопа Хаббл. главным зеркалом

Сравнение размеров первичного зеркала Уэбба и Хаббла

Желание создать большой инфракрасный космический телескоп насчитывает десятилетия. В Соединенных Штатах создание космического инфракрасного телескопа (позже названного космическим телескопом «Спитцер» ) планировалось еще во время разработки космического корабля «Шаттл», и в то время был признан потенциал инфракрасной астрономии. В отличие от наземных телескопов, космические обсерватории свободны от атмосферного поглощения инфракрасного света. Космические обсерватории открыли астрономам «новое небо».

Однако при проектировании инфракрасных телескопов существует проблема: они должны оставаться чрезвычайно холодными, и чем длиннее длина волны инфракрасного излучения, тем холоднее они должны быть. В противном случае фоновое тепло самого устройства подавляет детекторы, делая его фактически слепым. Эту проблему можно преодолеть путем тщательного проектирования. Один из методов — поместить ключевые инструменты в дьюар с чрезвычайно холодным веществом, например жидким гелием . Охлаждающая жидкость будет медленно испаряться, что ограничивает срок службы прибора от нескольких месяцев до нескольких лет.

Также возможно поддерживать низкую температуру, спроектировав космический корабль так, чтобы он позволял вести наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне без подачи охлаждающей жидкости, как это было в случае с расширенными миссиями космического телескопа Спитцер и широкоугольного инфракрасного исследовательского аппарата , который работал на пониженной мощности после истощение охлаждающей жидкости. Другим примером является прибор Хаббла « Камера ближнего инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр » (NICMOS), который начинался с использования блока азотного льда , который исчерпался через пару лет, но затем был заменен во время STS-109 миссии обслуживания криоохладителем , который работал непрерывно. Космический телескоп Уэбб спроектирован так, чтобы охлаждаться без дьюара с использованием комбинации солнцезащитных экранов и радиаторов, а прибор среднего инфракрасного диапазона использует дополнительный криоохладитель.

Избранные космические телескопы и инструменты

Имя	Год запуска	Длина волны (мкм)	Диафрагма (м)	Охлаждение
Инфракрасный телескоп Spacelab (IRT)	1985	1.7–118	0.15	Гелий
Инфракрасная космическая обсерватория (ИСО)	1995	2.5–240	0.60	Гелий
Хаббл Спектрограф изображений космического телескопа (STIS)	1997	0.115–1.03	2.4	Пассивный
Камера ближнего инфракрасного диапазона Хаббла и многообъектный спектрометр (NICMOS)	1997	0.8–2.4	2.4	Азот, позже криокулер
Космический телескоп Спитцер	2003	3–180	0.85	Гелий
Хаббла Широкоугольная камера 3 (WFC3)	2009	0.2–1.7	2.4	Пассивный и термоэлектрический
Космическая обсерватория Гершеля	2009	55–672	3.5	Гелий
Космический телескоп Джеймса Уэбба	2021	0.6–28.5	6.5	Пассивный и криогенный охладитель (МИРИ)

Задержки и рост затрат Уэбба сравнивают с задержками и увеличением затрат его предшественника, космического телескопа Хаббл . Когда «Хаббл» официально стартовал в 1972 году, его ориентировочная стоимость разработки составляла 300 миллионов долларов США (что эквивалентно 2 185 203 000 долларов США в 2023 году), но к моменту его отправки на орбиту в 1990 году стоимость была примерно в четыре раза выше. Кроме того, новые инструменты и миссии по обслуживанию увеличили стоимость как минимум до 9 миллиардов долларов США к 2006 году. (эквивалент 13 602 509 000 долларов США в 2023 году).

История развития

Хронологическое руководство см. в разделе «Хронология космического телескопа Джеймса Уэбба» .

до 2003 г.

Основные вехи

Год	Веха
1996	Впервые предложен проект космического телескопа следующего поколения (размер зеркала: 8 м)
2001	Космический телескоп NEXUS, предшественник космического телескопа следующего поколения, отменен
2002	Предлагаемый проект переименован в Космический телескоп Джеймса Уэбба (размер зеркала уменьшен до 6 м).
2003	Northrop Grumman заключила контракт на постройку телескопа
2007	Меморандум о взаимопонимании подписан между НАСА и ЕКА
2010	Обзор критически важного проекта (MCDR) пройден
2011	Предлагаемая отмена
2016	Окончательная сборка завершена
25 декабря 2021 г.	Запуск

Обсуждения продолжения проекта «Хаббл» начались в 1980-х годах, но серьезное планирование началось в начале 1990-х. Концепция телескопа Hi-Z разрабатывалась в период с 1989 по 1994 год: полностью сбитый с толку Инфракрасный телескоп с апертурой 4 м (13 футов), который будет возвращаться на орбиту в 3 астрономических единицах (а.е.). Эта далекая орбита выиграла бы от уменьшения светового шума от зодиакальной пыли . Другие ранние планы предусматривали запуск миссии телескопа-предшественника NEXUS.

Исправление дефектной оптики космического телескопа Хаббл (HST) в первые годы его существования сыграло значительную роль в рождении Уэбба. В 1993 году НАСА провело STS-61 , миссию космического корабля "Шаттл" , которая заменила камеру HST и установила модификацию спектрографа для формирования изображений, чтобы компенсировать сферическую аберрацию в его главном зеркале .

Комитет HST & Beyond был сформирован в 1994 году «для изучения возможных миссий и программ оптико-ультрафиолетовой астрономии в космосе на первые десятилетия 21 века». Воодушевленный успехом HST, в его отчете 1996 года исследовалась концепция более крупного и гораздо более холодного, чувствительного к инфракрасному излучению телескопа, который мог бы вернуться в космическое время к моменту рождения первых галактик. Эта высокоприоритетная научная цель находилась за пределами возможностей HST, поскольку, будучи теплым телескопом, он ослеплен инфракрасным излучением собственной оптической системы. Помимо рекомендаций о продлении миссии HST до 2005 года и разработке технологий поиска планет вокруг других звезд, НАСА приняло главную рекомендацию HST & Beyond. для большого холодного космического телескопа (с радиационным охлаждением намного ниже 0 ° C) и начал процесс планирования будущего телескопа Уэбба.

Подготовка к Десятилетнему обзору астрономии и астрофизики 2000 года (обзор литературы, подготовленный Национальным исследовательским советом США , который включает в себя определение приоритетов исследований и выработку рекомендаций на предстоящее десятилетие) включала дальнейшую разработку научной программы того, что стало известно как «Космос следующего поколения». Телескоп, и достижения НАСА в соответствующих технологиях. По мере того, как она развивалась, изучение рождения галактик в молодой Вселенной и поиск планет вокруг других звезд - основные цели, объединенные в «Происхождение» от HST & Beyond, стали заметными.

Как и ожидалось, NGST получил самый высокий рейтинг в Десятилетнем обзоре 2000 года.

Администратор НАСА придумал Дэн Голдин фразу « быстрее, лучше, дешевле » и выбрал следующий большой сдвиг парадигмы астрономии, а именно преодоление барьера одного зеркала. Это означало переход от «устранения движущихся частей» к «научению жить с движущимися частями» (т.е. сегментированной оптикой). С целью снизить массовую плотность в десять раз карбид кремния сначала рассматривался бериллий . с очень тонким слоем стекла сверху, но в конце был выбран

Эпоха «быстрее, лучше, дешевле» середины 1990-х годов привела к появлению концепции NGST с апертурой 8 м (26 футов) для полета к L ₂ , стоимость которой примерно оценивается в 500 миллионов долларов США. В 1997 году НАСА работало с Центром космических полетов Годдарда. Болл Аэрокосмическая промышленность и технологии , и TRW для проведения технических требований и исследований стоимости трех различных концепций и в 1999 году выбрал Lockheed Martin. и TRW для предварительных концептуальных исследований. Запуск на тот момент планировался на 2007 год, но дата запуска много раз переносилась (см. таблицу ниже ).

В 2002 году проект был переименован в честь второго администратора НАСА (1961–1968) Джеймса Э. Уэбба (1906–1992). Уэбб возглавлял агентство во время программы «Аполлон» и сделал научные исследования основным направлением деятельности НАСА.

В 2003 году НАСА заключило с TRW генеральный контракт на Уэбба на сумму 824,8 миллиона долларов США. В проекте предусматривалось главное зеркало диаметром 6,1 м (20 футов) с уменьшенной областью обзора и дата запуска в 2010 году. Позже в том же году TRW была приобретена Northrop Grumman в результате враждебной сделки и стала называться Northrop Grumman Space Technology.

Раннее развитие и перепланировка (2003–2007

Ранняя полномасштабная модель на выставке в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА (2005 г.)

Разработкой руководил Центр космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, с Джоном К. Мэзером в качестве научного сотрудника проекта. Основным подрядчиком была компания Northrop Grumman Aerospace Systems, ответственная за разработку и строительство элемента космического корабля, который включал в себя спутниковую шину , солнцезащитный козырек, развертываемую башню в сборе (DTA), которая соединяет элемент оптического телескопа с шиной космического корабля, и узел средней стрелы (MBA). ), который помогает развернуть на орбите большие солнечные щиты, в то время как Ball Aerospace & Technologies получила субподряд на разработку и создание самого OTE, а также Интегрированного модуля научных приборов (ISIM).

Рост затрат, обнаруженный весной 2005 года, привел к перепланированию в августе 2005 года. Основными техническими результатами перепланирования стали существенные изменения в планах интеграции и испытаний, 22-месячная задержка запуска (с 2011 по 2013 год) и отказ от системного тестирования режимов обсерватории на длинах волн короче 1,7 мкм. Другие основные особенности обсерватории остались неизменными. После перепланировки проект прошел независимую экспертизу в апреле 2006 года.

В перепланировке 2005 года стоимость жизненного цикла проекта оценивалась в 4,5 миллиарда долларов США. Это составило примерно 3,5 миллиарда долларов США на проектирование, разработку, запуск и ввод в эксплуатацию и примерно 1,0 миллиарда долларов США на десять лет эксплуатации. В 2004 году ЕКА согласилось внести около 300 миллионов евро, включая запуск. Канадское космическое агентство пообещало выделить 39 миллионов канадских долларов в 2007 году. а в 2012 году внес свой вклад в оборудование для наведения телескопа и обнаружения атмосферных условий на далеких планетах.

проектирование и строительство (2007–2021 гг

Зеркальный сегмент JWST, 2010 г.

Сегменты зеркал проходят криогенные испытания в рентгеновской и криогенной установке Центра космических полетов Маршалла.

Собранный телескоп после экологических испытаний.

В январе 2007 года девять из десяти пунктов проекта по развитию технологий успешно прошли неадвокатскую проверку. Эти технологии были сочтены достаточно зрелыми, чтобы устранить значительные риски в проекте. Оставшийся объект разработки технологии ( криокулер MIRI ) завершил этап технологического развития в апреле 2007 года. Этот технологический обзор представляет собой начальный шаг в процессе, который в конечном итоге перевел проект на этап детального проектирования (Фаза C). К маю 2007 года затраты все еще были на уровне цели. В марте 2008 года проект успешно завершил предварительную проверку проекта (PDR). В апреле 2008 года проект прошел неадвокатскую проверку. Другие прошедшие проверки включают проверку модуля интегрированного научного прибора в марте 2009 года, проверку элемента оптического телескопа, завершенную в октябре 2009 года, и проверку Sunshield, завершенную в январе 2010 года.

В апреле 2010 года телескоп прошел техническую часть обзора критически важного проекта (MCDR). Прохождение MCDR означало, что интегрированная обсерватория может удовлетворить все научные и инженерные требования для своей миссии. MCDR включал в себя все предыдущие обзоры проектов. График проекта подвергался пересмотру в течение нескольких месяцев после MCDR в рамках процесса, получившего название «Независимая комплексная экспертная группа», что привело к изменению плана миссии с целью ее запуска в 2015 году, но уже в 2018 году. К 2010 году стоимость была завышена. запуски влияли на другие проекты, хотя сам Уэбб придерживался графика.

К 2011 году проект Уэбба находился на завершающей стадии проектирования и изготовления (Фаза C).

Сборка шестиугольных сегментов главного зеркала, выполненная с помощью роботизированной руки, началась в ноябре 2015 года и завершилась 3 февраля 2016 года. Вторичное зеркало было установлено 3 марта 2016 года. Окончательная конструкция телескопа Уэбба была завершена в ноябре 2016 года, после чего начались обширные процедуры испытаний.

В марте 2018 года НАСА отложило запуск Уэбба еще на два года, до мая 2020 года, после того, как солнцезащитный козырек телескопа порвался во время тренировочного развертывания, а тросы солнцезащитного козырька не были достаточно затянуты. В июне 2018 года НАСА отложило запуск еще на 10 месяцев до марта 2021 года на основании оценки независимой наблюдательной комиссии, созванной после неудачного испытательного развертывания в марте 2018 года. Обзор показал, что при запуске и развертывании Уэбба было 344 потенциальных одноточечных отказа — задачи, у которых не было альтернативы или средств восстановления в случае неудачи, и, следовательно, они должны были быть успешными, чтобы телескоп работал. В августе 2019 года была завершена механическая интеграция телескопа, которую планировалось сделать 12 лет назад, в 2007 году.

После завершения строительства «Уэбб» прошел окончательные испытания в историческом космическом парке Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния. Корабль с телескопом покинул Калифорнию 26 сентября 2021 года, прошел через Панамский канал и прибыл во Французскую Гвиану 12 октября 2021 года.

Проблемы со стоимостью и графиком

Стоимость проекта НАСА в течение всего срока службы составляет Ожидается, что сумма составит 9,7 миллиарда долларов США, из которых 8,8 миллиарда долларов США будут потрачены на проектирование и разработку космического корабля, а 861 миллион долларов США запланирован на поддержку пятилетней эксплуатации миссии. Представители ESA и CSA заявили, что их вклад в проект составляет примерно 700 миллионов евро и 200 миллионов канадских долларов соответственно.

По оценкам исследования, проведенного в 1984 году Советом по космической науке, строительство инфракрасной обсерватории следующего поколения на орбите обойдется в 4 миллиарда долларов США (7 миллиардов долларов США в долларах 2006 года или 10 миллиардов долларов в долларах 2020 года). Хотя это было близко к окончательной стоимости Уэбба, первый проект НАСА, рассмотренный в конце 1990-х годов, был более скромным: его цена составляла 1 миллиард долларов за 10 лет строительства. Со временем этот проект расширился, добавилось финансирование на случай непредвиденных обстоятельств и возникли задержки в планировании.

Ход смет по графику и стоимости, а также основные этапы

Год	Планируется запуск	Бюджетный план (млрд долларов США)
1998	2007	1
2000	2009	1.8
2002	2010	2.5
2003	2011	2.5
2005	2013	3
2006	2014	4.5
2008: Предварительный обзор проекта
2008	2014	5.1
2010: Критический обзор дизайна
2010	2015–2016 годы	6.5
2011	2018	8.7
2017	2019	8.8
2018	2020	≥8.8
2019	март 2021 г.	9.66
2021	декабрь 2021 г.	9.70

К 2008 году, когда проект прошел предварительную экспертизу проекта и был официально подтвержден к строительству, на разработку телескопа уже было потрачено более 1 миллиарда долларов США, а общий бюджет оценивался в 5 миллиардов долларов США (что эквивалентно 7,8 миллиардам долларов США в 2023 году). Летом 2010 года миссия прошла критическую проверку проекта (CDR) с отличными оценками по всем техническим вопросам, но отставание в графике и стоимости побудили сенатора США от штата Мэриленд Барбару Микульски призвать к внешней проверке проекта. Независимая комплексная экспертная группа (ICRP) под председательством Дж. Казани (JPL) установила, что самая ранняя возможная дата запуска приходится на конец 2015 года, что требует дополнительных затрат в размере 1,5 миллиарда долларов США (на общую сумму 6,5 миллиарда долларов США). Они также отметили, что это потребовало бы дополнительного финансирования в 2011 и 2012 финансовых годах и что любая более поздняя дата запуска приведет к более высоким общим затратам.

6 июля 2011 года комитет Палаты представителей США по ассигнованиям на торговлю, правосудие и науку принял решение отменить проект Джеймса Уэбба, предложив бюджет на 2012 финансовый год, который исключил 1,9 миллиарда долларов США из общего бюджета НАСА, из которых примерно четверть была предназначена для Уэбб. Было потрачено 3 миллиарда долларов США, и 75% оборудования находилось в производстве. Это бюджетное предложение было одобрено голосованием подкомитета на следующий день. Комитет заявил, что проект «на миллиарды долларов превышает бюджет и страдает от плохого управления». В ответ Американское астрономическое общество выступило с заявлением в поддержку Уэбба: как и сенатор Микульский. В 2011 году в международной прессе также появился ряд редакционных статей в поддержку Уэбба. В ноябре 2011 года Конгресс отменил планы отмены Уэбба и вместо этого ограничил дополнительное финансирование для завершения проекта на уровне 8 миллиардов долларов США.

Хотя аналогичные проблемы затронули и другие крупные проекты НАСА, такие как телескоп Хаббл, некоторые ученые выразили обеспокоенность по поводу растущих затрат и задержек в графике строительства телескопа Уэбба, опасаясь, что его бюджет может конкурировать с бюджетом других программ космической науки. 2010 года В статье Nature Уэбб был описан как «телескоп, который съел астрономию». НАСА продолжало защищать бюджет и сроки программы перед Конгрессом.

В 2018 году Грегори Л. Робинсон был назначен новым директором программы Уэбба. Робинсону приписывают повышение эффективности графика программы (сколько мероприятий было выполнено вовремя) с 50% до 95%. За его роль в повышении эффективности программы Уэбба руководитель Робинсона Томас Зурбухен назвал его «самым эффективным руководителем миссии, которого я когда-либо видел в истории НАСА». В июле 2022 года, после того как процесс ввода в эксплуатацию Уэбба был завершен и он начал передавать свои первые данные, Робинсон ушел на пенсию после 33-летней карьеры в НАСА.

27 марта 2018 года НАСА перенесло запуск на май 2020 года или позже. Окончательная смета расходов будет представлена ​​после того, как новое окно запуска будет определено Европейским космическим агентством (ЕКА). В 2019 году предельная стоимость миссии была увеличена на 800 миллионов долларов США. После того, как в 2020 году окна запуска были приостановлены из-за пандемии COVID-19, Webb был запущен в конце 2021 года, его общая стоимость составила чуть менее 10 миллиардов долларов США.

Ни одна из областей не привела к увеличению затрат. Для будущих больших телескопов есть пять основных областей, имеющих решающее значение для контроля общих затрат:

• Сложность системы
• Критический путь и накладные расходы
• Проблемы с проверкой
• Программные ограничения
• Вопросы ранней интеграции и тестирования

Партнерство

НАСА, ЕКА и ККА сотрудничают над телескопом с 1996 года. Участие ЕКА в строительстве и запуске было одобрено его членами в 2003 году, а в 2007 году было подписано соглашение между ЕКА и НАСА. В обмен на полное партнерство, представительство и доступ к обсерватории ЕКА предоставляет своим астрономам инструмент NIRSpec, сборку оптической скамьи инструмента MIRI, ракету-носитель Ariane 5 ECA и рабочую силу для поддержки операций. CSA предоставило датчик точного наведения и безщелевой спектрограф для формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне, а также рабочую силу для поддержки операций.

Несколько тысяч ученых, инженеров и технических специалистов из 15 стран внесли свой вклад в создание, тестирование и интеграцию Webb. Всего в предстартовом проекте приняли участие 258 компаний, государственных учреждений и академических учреждений; 142 из США, 104 из 12 европейских стран (в том числе 21 из Великобритании, 16 из Франции, 12 из Германии и 7 международных), и 12 из Канады. Другие страны как партнеры НАСА, такие как Австралия, участвовали в операции после запуска.

Страны-участницы:

• Австрия
• Бельгия
• Канада
• Чешская Республика
• Дания
• Финляндия
• Франция
• Германия
• Греция
• Ирландия
• Италия
• Люксембург
• Нидерланды
• Норвегия
• Португалия
• Испания
• Швеция
• Швейцария
• Великобритания
• Соединенные Штаты

Проблемы с именами

См. Также: Джеймс Э. Уэбб § НАСА и Джеймс Э. Уэбб § Наследие.

В 2002 году администратор НАСА (2001–2004) Шон О’Киф принял решение назвать телескоп в честь Джеймса Э. Уэбба , администратора НАСА с 1961 по 1968 год во время программ «Меркурий» , «Близнецы» и большей части программ «Аполлон» .

В 2015 году были высказаны опасения по поводу возможной роли Уэбба в « лавандовой панике» — преследовании со стороны правительства США середины 20-го века, направленном против гомосексуалистов, работающих на федеральном уровне . В 2022 году НАСА опубликовало отчет о расследовании. на основе экспертизы более 50 000 документов. В отчете обнаружено, что «нет доступных доказательств, напрямую связывающих Уэбба с какими-либо действиями или последующими действиями, связанными с увольнением людей за их сексуальную ориентацию», ни во время его работы в Госдепартаменте, ни в НАСА.

Цели миссии

Космический телескоп Джеймса Уэбба преследует четыре ключевые цели:

• для поиска света первых звезд и галактик, образовавшихся во Вселенной после Большого взрыва
• изучать формирование и эволюцию галактик
• понять звездообразование и формирование планет
• изучать планетные системы и происхождение жизни

Этих целей можно достичь более эффективно, наблюдая в ближнем инфракрасном диапазоне, а не в видимой части спектра. По этой причине инструменты Уэбба не будут измерять видимый или ультрафиолетовый свет, как телескоп Хаббл, но будут иметь гораздо большие возможности для выполнения инфракрасной астрономии . Уэбб будет чувствителен к диапазону длин волн от 0,6 до 28 мкм (что соответствует соответственно оранжевому свету и глубокому инфракрасному излучению при температуре около 100 К или -173 ° C).

Уэбба можно использовать для сбора информации о тусклом свете звезды KIC 8462852 , которая была открыта в 2015 году и имеет некоторые аномальные свойства кривой блеска.

Кроме того, он сможет определить, есть ли в атмосфере экзопланеты метан, что позволит астрономам определить, является ли метан биосигнатурой .

Конструкция орбиты

Уэбб не находится точно в точке L2 _, а вращается вокруг нее по гало-орбите .

Альтернативные туманности Киля, сделанные космическим телескопом Хаббла виды , сравнивающие ультрафиолетовую, видимую (вверху) и инфракрасную (внизу) астрономические наблюдения. В последнем видно гораздо больше звезд.

Уэбб вращается вокруг Солнца вблизи второй точки Лагранжа (L ₂ ) системы Солнце-Земля, которая на 1 500 000 км (930 000 миль) дальше от Солнца, чем орбита Земли, и примерно в четыре раза дальше, чем орбита Луны. Обычно объекту, обращающемуся вокруг Солнца дальше Земли, требуется больше года, чтобы завершить свою орбиту. Но вблизи точки L ₂ объединенное гравитационное притяжение Земли и Солнца позволяет космическому кораблю вращаться вокруг Солнца за то же время, что и Земля. Пребывание рядом с Землей позволяет повысить скорость передачи данных при заданном размере антенны.

Телескоп вращается вокруг точки L ₂ Солнце-Земля по гало-орбите , которая наклонена относительно эклиптики , имеет радиус, варьирующийся от примерно 250 000 км (160 000 миль) до 832 000 км (517 000 миль), и занимает около половины год для завершения. Поскольку L ₂ — это всего лишь точка равновесия без гравитационного притяжения, гало-орбита не является орбитой в обычном смысле: космический корабль фактически находится на орбите вокруг Солнца, а гало-орбиту можно рассматривать как контролируемое дрейфование с целью оставаться в небе. окрестности точки L ₂ . Это требует некоторой стабилизации : около 2,5 м/с в год. из общего ∆v бюджета 93 м/с . Два комплекта двигателей составляют двигательную установку обсерватории. Поскольку двигатели расположены исключительно на стороне обсерватории, обращенной к Солнцу, все операции по поддержанию положения рассчитаны на небольшое отклонение от необходимой величины тяги, чтобы избежать выталкивания Уэбба за пределы полустабильной точки L ₂ , ситуации, которая могла бы быть безвозвратным. Рэнди Кимбл, научный сотрудник проекта интеграции и испытаний космического телескопа Джеймса Уэбба, сравнил точное удержание позиции Уэбба с « Сизифом [...], катящим этот камень вверх по пологому склону возле вершины холма - нам это никогда не нужно». перевернуться через гребень и уйти от него».

Animation of James Webb Space Telescope trajectory

Top view

Side view

Side view from the Sun

  James Webb Space Telescope ·   Earth ·   L2 point

Infrared astronomy

Infrared observations can see objects hidden in visible light, such as the HUDF-JD2 shown here.

Atmospheric windows in the infrared: Much of this type of light is blocked when viewed from the Earth's surface. It would be like looking at a rainbow but only seeing one color.

Webb is the formal successor to the Hubble Space Telescope (HST), and since its primary emphasis is on infrared astronomy, it is also a successor to the Spitzer Space Telescope. Webb will far surpass both those telescopes, being able to see many more and much older stars and galaxies. Observing in the infrared spectrum is a key technique for achieving this, because of cosmological redshift, and because it better penetrates obscuring dust and gas. This allows observation of dimmer, cooler objects. Since water vapor and carbon dioxide in the Earth's atmosphere strongly absorbs most infrared, ground-based infrared astronomy is limited to narrow wavelength ranges where the atmosphere absorbs less strongly. Additionally, the atmosphere itself radiates in the infrared spectrum, often overwhelming light from the object being observed. This makes a space telescope preferable for infrared observation.

The more distant an object is, the younger it appears; its light has taken longer to reach human observers. Because the universe is expanding, as the light travels it becomes red-shifted, and objects at extreme distances are therefore easier to see if viewed in the infrared. Webb's infrared capabilities are expected to let it see back in time to the first galaxies forming just a few hundred million years after the Big Bang.

Infrared radiation can pass more freely through regions of cosmic dust that scatter visible light. Observations in infrared allow the study of objects and regions of space which would be obscured by gas and dust in the visible spectrum, such as the molecular clouds where stars are born, the circumstellar disks that give rise to planets, and the cores of active galaxies.

Relatively cool objects (temperatures less than several thousand degrees) emit their radiation primarily in the infrared, as described by Planck's law. As a result, most objects that are cooler than stars are better studied in the infrared. This includes the clouds of the interstellar medium, brown dwarfs, planets both in our own and other solar systems, comets, and Kuiper belt objects that will be observed with the Mid-Infrared Instrument (MIRI).

Some of the missions in infrared astronomy that impacted Webb development were Spitzer and the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Spitzer showed the importance of mid-infrared, which is helpful for tasks such as observing dust disks around stars. Also, the WMAP probe showed the universe was "lit up" at redshift 17, further underscoring the importance of the mid-infrared. Both these missions were launched in the early 2000s, in time to influence Webb development.

Ground support and operations

The Space Telescope Science Institute (STScI), in Baltimore, Maryland, on the Homewood Campus of Johns Hopkins University, was selected in 2003 as the Science and Operations Center (S&OC) for Webb with an initial budget of US$162.2 million intended to support operations through the first year after launch. In this capacity, STScI was to be responsible for the scientific operation of the telescope and delivery of data products to the astronomical community. Data was to be transmitted from Webb to the ground via the NASA Deep Space Network, processed and calibrated at STScI, and then distributed online to astronomers worldwide. Similar to how Hubble is operated, anyone, anywhere in the world, will be allowed to submit proposals for observations. Each year several committees of astronomers will peer review the submitted proposals to select the projects to observe in the coming year. The authors of the chosen proposals will typically have one year of private access to the new observations, after which the data will become publicly available for download by anyone from the online archive at STScI.

The bandwidth and digital throughput of the satellite is designed to operate at 458 gigabits of data per day for the length of the mission (equivalent to a sustained rate of 5.42 Mbps). Most of the data processing on the telescope is done by conventional single-board computers. The digitization of the analog data from the instruments is performed by the custom SIDECAR ASIC (System for Image Digitization, Enhancement, Control And Retrieval Application Specific Integrated Circuit). NASA stated that the SIDECAR ASIC will include all the functions of a 9.1 kg (20 lb) instrument box in a 3 cm (1.2 in) package and consume only 11 milliwatts of power. Since this conversion must be done close to the detectors, on the cold side of the telescope, the low power dissipation is crucial for maintaining the low temperature required for optimal operation of Webb.

The telescope is equipped with a solid-state drive (SSD) with a capacity of 68 GB, used as temporary storage for data collected from its scientific instruments. By the end of the 10-year mission, the usable capacity of the drive is expected to decrease to 60 GB due to the effects of radiation and read/write operations.

Micrometeoroid strike

The C3 mirror segment suffered a micrometeoroid strike from a large dust mote-sized particle between 23 and 25 May, the fifth and largest strike since launch, reported 8 June 2022, which required engineers to compensate for the strike using a mirror actuator. Despite the strike, a NASA characterization report states "all JWST observing modes have been reviewed and confirmed to be ready for science use" as of July 10, 2022.

From launch through commissioning

Main article: Launch and commissioning of the James Webb Space Telescope

Launch

Main article: Ariane flight VA256

The launch (designated Ariane flight VA256) took place as scheduled at 12:20 UTC on 25 December 2021 on an Ariane 5 rocket that lifted off from the Guiana Space Centre in French Guiana. The telescope was confirmed to be receiving power, starting a two-week deployment phase of its parts and traveling to its target destination. The telescope was released from the upper stage 27 minutes 7 seconds after launch, beginning a 30-day adjustment to place the telescope in a Lissajous orbit around the L2 Lagrange point.

The telescope was launched with slightly less speed than needed to reach its final orbit, and slowed down as it travelled away from Earth, in order to reach L₂ with only the velocity needed to enter its orbit there. The telescope reached L₂ on 24 January 2022. The flight included three planned course corrections to adjust its speed and direction. This is because the observatory could recover from underthrust (going too slowly), but could not recover from overthrust (going too fast) – to protect highly temperature-sensitive instruments, the sunshield must remain between telescope and Sun, so the spacecraft could not turn around or use its thrusters to slow down.

An L₂ orbit is unstable, so JWST needs to use propellant to maintain its halo orbit around L2 (known as station-keeping) to prevent the telescope from drifting away from its orbital position. It was designed to carry enough propellant for 10 years, but the precision of the Ariane 5 launch and the first midcourse correction were credited with saving enough onboard fuel that JWST may be able to maintain its orbit for around 20 years instead. Space.com called the launch "flawless".

• 
  Diagram of Webb inside Ariane 5
• 
  Ariane 5 and Webb at the ELA-3 launch pad
• 
  Ariane 5 containing the James Webb Space Telescope lifting-off from the launch pad
• 
  Ariane 5 containing Webb moments after lift-off
• 
  Webb as seen from the ESC-D Cryotechnic upper stage shortly after separation, approximately 29 minutes after launch. Part of the Earth with the Gulf of Aden is visible in the background of the image.

Transit and structural deployment

Structural deployment timeline

Webb was released from the rocket upper stage 27 minutes after a flawless launch. Starting 31 minutes after launch, and continuing for about 13 days, Webb began the process of deploying its solar array, antenna, sunshield, and mirrors. Nearly all deployment actions are commanded by the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, except for two early automatic steps, solar panel unfolding and communication antenna deployment. The mission was designed to give ground controllers flexibility to change or modify the deployment sequence in case of problems.

Structural deployment sequence

At 7:50 p.m. EST on 25 December 2021, about 12 hours after launch, the telescope's pair of primary rockets began firing for 65 minutes to make the first of three planned mid-course corrections. On day two, the high gain communication antenna deployed automatically.

On 27 December 2021, at 60 hours after launch, Webb's rockets fired for nine minutes and 27 seconds to make the second of three mid-course corrections for the telescope to arrive at its L₂ destination. On 28 December 2021, three days after launch, mission controllers began the multi-day deployment of Webb's all-important sunshield. On 30 December 2021, controllers successfully completed two more steps in unpacking the observatory. First, commands deployed the aft "momentum flap", a device that provides balance against solar pressure on the sunshield, saving fuel by reducing the need for thruster firing to maintain Webb's orientation.

On 31 December 2021, the ground team extended the two telescoping "mid booms" from the left and right sides of the observatory. The left side deployed in 3 hours and 19 minutes; the right side took 3 hours and 42 minutes. Commands to separate and tension the membranes followed between 3 and 4 January and were successful. On 5 January 2022, mission control successfully deployed the telescope's secondary mirror, which locked itself into place to a tolerance of about one and a half millimeters.

The last step of structural deployment was to unfold the wings of the primary mirror. Each panel consists of three primary mirror segments and had to be folded to allow the space telescope to be installed in the fairing of the Ariane rocket for the launch of the telescope. On 7 January 2022, NASA deployed and locked in place the port-side wing, and on 8 January, the starboard-side mirror wing. This successfully completed the structural deployment of the observatory.

On 24 January 2022, at 2:00 p.m. Eastern Standard Time, nearly a month after launch, a third and final course correction took place, inserting Webb into its planned halo orbit around the Sun–Earth L₂ point.

The MIRI instrument has four observing modes – imaging, low-resolution spectroscopy, medium-resolution spectroscopy and coronagraphic imaging. "On Aug. 24, a mechanism that supports medium-resolution spectroscopy (MRS), exhibited what appears to be increased friction during setup for a science observation. This mechanism is a grating wheel that allows scientists to select between short, medium, and longer wavelengths when making observations using the MRS mode," said NASA in a press statement.

Animation of Webb's halo orbit

Commissioning and testing

On 12 January 2022, while still in transit, mirror alignment began. The primary mirror segments and secondary mirror were moved away from their protective launch positions. This took about 10 days, because the 132 actuator motors are designed to fine-tune the mirror positions at microscopic accuracy (10 nanometer increments) and must each move over 1.2 million increments (12.5 mm) during initial alignment.

Mirror alignment requires each of the 18 mirror segments, and the secondary mirror, to be positioned to within 50 nanometers. NASA compares the required accuracy by analogy: "If the Webb primary mirror were the size of the United States, each [mirror] segment would be the size of Texas, and the team would need to line the height of those Texas-sized segments up with each other to an accuracy of about 1.5 inches".

• James Webb Space Telescope Mirror alignment animations
• 
  Segment image identification. 18 mirror segments are moved to determine which segment creates which segment image. After matching the mirror segments to their respective images, the mirrors are tilted to bring all the images near a common point for further analysis.
• 
  Segment alignment begins by defocusing the segment images by moving the secondary mirror slightly. Mathematical analysis, called phase retrieval, is applied to the defocused images to determine the precise positioning errors of the segments. Adjustments of the segments then result in 18 well-corrected "telescopes". However, the segments still do not work together as a single mirror.
• 
  Image stacking. To put all of the light in a single place, each segment image must be stacked on top of one another. In the image stacking step, the individual segment images are moved so that they fall precisely at the center of the field to produce one unified image. This process prepares the telescope for coarse phasing.
• 
  Telescope alignment over instrument fields of view. After fine phasing, the telescope is well aligned at one place in the NIRCam field of view. Next the alignment must be extended to the rest of the instruments.

Mirror alignment was a complex operation split into seven phases, that had been repeatedly rehearsed using a 1:6 scale model of the telescope. Once the mirrors reached 120 K (−153 °C; −244 °F), NIRCam targeted the 6th magnitude star HD 84406 in Ursa Major. To do this, NIRCam took 1560 images of the sky and used these wide-ranging images to determine where in the sky each segment of the main mirror initially pointed. At first, the individual primary mirror segments were greatly misaligned, so the image contained 18 separate, blurry, images of the star field, each containing an image of the target star. The 18 images of HD 84406 are matched to their respective mirror segments, and the 18 segments are brought into approximate alignment centered on the star ("Segment Image Identification"). Each segment was then individually corrected of its major focusing errors, using a technique called phase retrieval, resulting in 18 separate good quality images from the 18 mirror segments ("Segment Alignment"). The 18 images from each segment, were then moved so they precisely overlap to create a single image ("Image Stacking").

With the mirrors positioned for almost correct images, they had to be fine tuned to their operational accuracy of 50 nanometers, less than one wavelength of the light that will be detected. A technique called dispersed fringe sensing was used to compare images from 20 pairings of mirrors, allowing most of the errors to be corrected ("Coarse Phasing"), and then introduced light defocus to each segment's image, allowing detection and correction of almost all remaining errors ("Fine Phasing"). These two processes were repeated three times, and Fine Phasing will be routinely checked throughout the telescope's operation. After three rounds of Coarse and Fine Phasing, the telescope was well aligned at one place in the NIRCam field of view. Measurements will be made at various points in the captured image, across all instruments, and corrections calculated from the detected variations in intensity, giving a well-aligned outcome across all instruments ("Telescope Alignment Over Instrument Fields of View"). Finally, a last round of Fine Phasing and checks of image quality on all instruments was performed, to ensure that any small residual errors remaining from the previous steps, were corrected ("Iterate Alignment for Final Correction"). The telescope's mirror segments were then aligned and able to capture precise focused images.

In preparation for alignment, NASA announced at 19:28 UTC on 3 February 2022, that NIRCam had detected the telescope's first photons (although not yet complete images). On 11 February 2022, NASA announced the telescope had almost completed phase 1 of alignment, with every segment of its primary mirror having located and imaged the target star HD 84406, and all segments brought into approximate alignment. Phase 1 alignment was completed on 18 February 2022, and a week later, phases 2 and 3 were also completed. This meant the 18 segments were working in unison, however until all 7 phases are complete, the segments were still acting as 18 smaller telescopes rather than one larger one. At the same time as the primary mirror was being commissioned, hundreds of other instrument commissioning and calibration tasks were also ongoing.

• 
  Phase 1 interim image, annotated with the related mirror segments that took each image
• 
  Phase 1 annotated completion image of HD 84406
• 
  Phase 2 completion, showing "before and after" effects of segment alignment
• 
  Phase 3 completion, showing 18 segments "stacked" as a single image of HD 84406
• 
  Star 2MASS J17554042+6551277 captured by NIRCam instrument
• 
  A "selfie" taken by the NIRCam during the alignment process
• 
  Image comparison between "old" Spitzer and new Webb
• 
  Alignment of the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope's sensors
• 
  Webb's Fine Guidance Sensor (FGS)

Allocation of observation time

Webb observing time is allocated through a General Observers (GO) program, a Guaranteed Time Observations (GTO) program, and a Director's Discretionary Early Release Science (DD-ERS) program. The GTO program provides guaranteed observing time for scientists who developed hardware and software components for the observatory. The GO program provides all astronomers the opportunity to apply for observing time and will represent the bulk of the observing time. GO programs are selected through peer review by a Time Allocation Committee (TAC), similar to the proposal review process used for the Hubble Space Telescope.

Early Release Science program

In November 2017, the Space Telescope Science Institute announced the selection of 13 Director's Discretionary Early Release Science (DD-ERS) programs, chosen through a competitive proposal process. The observations for these programs – Early Release Observations (ERO) – were to be obtained during the first five months of Webb science operations after the end of the commissioning period. A total of 460 hours of observing time was awarded to these 13 programs, which span science topics including the Solar System, exoplanets, stars and star formation, nearby and distant galaxies, gravitational lenses, and quasars. These 13 ERS programs were to use a total of 242.8 hours of observing time on the telescope (not including Webb observing overheads and slew time).

Early Release Science programs

Name	Principal Investigator	Category	Observation time (hours)
Radiative Feedback from Massive Stars as Traced by Multiband Imaging and Spectroscopic Mosaics	Olivier Berné	Stellar Physics	8.3
IceAge: Chemical Evolution of Ices during Star Formation	Melissa McClure	Stellar Physics	13.4
Through the Looking GLASS: A JWST Exploration of Galaxy Formation and Evolution from Cosmic Dawn to Present Day	Tommaso Treu	Galaxies and the IGM	24.3
A JWST Study of the Starburst-AGN Connection in Merging LIRGs	Lee Armus	Galaxies and the IGM	8.7
The Resolved Stellar Populations Early Release Science Program	Daniel Weisz	Stellar Populations	20.3
Q-3D: Imaging Spectroscopy of Quasar Hosts with JWST Analyzed with a Powerful New PSF Decomposition and Spectral Analysis Package	Dominika Wylezalek	Massive Black Holes and their Galaxies	17.4
The Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey	Steven Finkelstein	Galaxies and the IGM	36.6
Establishing Extreme Dynamic Range with JWST: Decoding Smoke Signals in the Glare of a Wolf-Rayet Binary	Ryan Lau	Stellar Physics	6.5
TEMPLATES: Targeting Extremely Magnified Panchromatic Lensed Arcs and Their Extended Star Formation	Jane Rigby	Galaxies and the IGM	26.0
Nuclear Dynamics of a Nearby Seyfert with NIRSpec Integral Field Spectroscopy	Misty Bentz	Massive Black Holes and their Galaxies	1.5
The Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program	Natalie Batalha	Planets and Planet Formation	52.1
ERS observations of the Jovian System as a Demonstration of JWST's Capabilities for Solar System Science	Imke de Pater	Solar System	9.3
High Contrast Imaging of Exoplanets and Exoplanetary Systems with JWST	Sasha Hinkley	Planets and Planet Formation	18.4

General Observer Program

For GO Cycle 1 there were 6,000 hours of observation time available to allocate, and 1,173 proposals were submitted requesting a total of 24,500 hours of observation time. Selection of Cycle 1 GO programs was announced on 30 March 2021, with 266 programs approved. These included 13 large programs and treasury programs producing data for public access. The Cycle 2 GO program was announced on May 10, 2023. Webb science observations are nominally scheduled in weekly increments. The observation plan for every week is published on Mondays by the Space Telescope Science Institute.

Scientific results

James Webb Space Telescope completed its commissioning and was ready to begin full scientific operations on 11 July 2022. With some exceptions, most experiment data is kept private for one year for the exclusive use of scientists running that particular experiment, and then the raw data will be released to the public.

Hubble (2017) compared to Webb (2022)

Deep Field – Galaxy cluster
SMACS J0723.3-7327

JWST observations substantially advanced understanding of exoplanets, the first billion years of the universe, and many other astrophysical and cosmological phenomena.

First full-color images

The first full-color images and spectroscopic data were released on 12 July 2022, which also marked the official beginning of Webb's general science operations. United States President Joe Biden revealed the first image, Webb's First Deep Field, on 11 July 2022. Additional releases around this time include:

• Carina Nebula – young, star-forming region called NGC 3324 about 8500 light-years from Earth, described by NASA as "Cosmic Cliffs".
• WASP-96b – including an analysis of atmosphere with evidence of water around a giant gas planet orbiting a distant star 1120 light-years from Earth.
• Southern Ring Nebula – clouds of gas and dust expelled by a dying star 2500 light-years from Earth.
• Stephan's Quintet – a visual display of five galaxies with colliding gas and dust clouds creating new stars; four central galaxies are 290 million light-years from Earth.
• SMACS J0723.3-7327 – a galaxy cluster at redshift 0.39, with distant background galaxies whose images are distorted and magnified due to gravitational lensing by the cluster. This image has been called Webb's First Deep Field. It was later discovered that in this picture the JWST had also revealed three ancient galaxies that existed shortly after the Big Bang. Its images of these distant galaxies are views of the universe 13.1 billion years ago.

On 14 July 2022, NASA presented images of Jupiter and related areas by the James Webb Space Telescope, including infrared views.

In a preprint released around the same time, NASA, ESA and CSA scientists stated that "almost across the board, the science performance of JWST is better than expected". The document described a series of observations during the commissioning, when the instruments captured spectra of transiting exoplanets with a precision better than 1000 ppm per data point, and tracked moving objects with speeds up to 67 milliarcseconds/second, more than twice as fast as the requirement. It also obtained the spectra of hundreds of stars simultaneously in a dense field towards the Milky Way Galactic Center. Other targets included:

• Moving targets: Jupiter (including rings and the moons Europa, Thebe and Metis), asteroids 2516 Roman, 118 Peitho, 6481 Tenzing, 1773 Rumpelstilz, 216 Kleopatra, 2035 Stearns, 4015 Wilson-Harrington and 2004 JX20
• NIRCam grism time-series, NIRISS SOSS and NIRSpec BOTS mode: the Jupiter-sized planet HAT-P-14b
• NIRISS aperture masking interferometry (AMI): A clear detection of the very low-mass companion star AB Doradus C, which had a separation of only 0.3 arcseconds to the primary. This observation was the first demonstration of AMI in space.
• MIRI low-resolution spectroscopy (LRS): a hot super-Earth planet L 168-9 b (TOI-134) around a bright M-dwarf star (red dwarf star)

Bright early galaxies

Within two weeks of the first Webb images, several preprint papers described a wide range of high redshift and very luminous (presumably large) galaxies believed to date from 235 million years (z=16.7) to 280 million years after the Big Bang, far earlier than previously known. On 17 August 2022, NASA released a large mosaic image of 690 individual frames taken by the Near Infrared Camera (NIRCam) on Webb of numerous very early galaxies. Some early galaxies observed by Webb like CEERS-93316, which has an estimated redshift of approximately z=16.7 corresponding to 235.8 million years after the Big Bang, are high redshift galaxy candidates. In September 2022, primordial black holes were proposed as explaining these unexpectedly large and early galaxies. In May 2024, James Webb Space Telescope (JWST) identified the most distant known galaxy, JADES-GS-z14-0, seen just 290 million years after the Big Bang, corresponding to a redshift of 14.32. Part of the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), this discovery highlights a galaxy significantly more luminous and massive than expected for such an early period. Detailed analysis using JWST’s NIRSpec and MIRI instruments revealed this galaxy’s remarkable properties, including its significant size and dust content, challenging current models of early galaxy formation. These findings open new avenues for understanding the universe’s formative years.

Subsequent noteworthy observations and interpretations

In June 2023 detection of organic molecules 12 billion light-years away in a galaxy called SPT0418-47 using the Webb telescope was announced.

On 12 July 2023, NASA celebrated the first year of operations with the release of Webb's image of a small star-forming region in the Rho Ophiuchi cloud complex, 390 light years away.

In September 2023, two astrophysicists questioned the accepted Standard Model of Cosmology, based on the latest James Webb Space Telescope studies.

In December 2023, NASA released Christmas holiday-related images by JWST, including the Christmas Tree Galaxy Cluster and others.

In May 2024, the James Webb Space Telescope detected the farthest known black hole merger. Occurring within the galaxy system ZS7, 740 million years after the Big Bang, this discovery suggests a fast growth rate for black holes through mergers, even in the young Universe.

Gallery

• First images by the James Webb Space Telescope – released 12 July 2022
• 
  Cosmic Cliffs of Carina Nebula (NGC 3324) (NIRCam)
• 
  Carina Nebula (NGC 3324) (MIRI)
• 
  Southern Ring Nebula (NGC 3132; Left: NIRCam; Right: MIRI)
• 
  Webb's First Deep Field (SMACS 0723; Left: MIRI; Right: NIRCam)
• 
  Stephan's Quintet (NIRCam/MIRI composite)
• 
  Spectrum of WASP-96b

Media related to Images by the James Webb Space Telescope at Wikimedia Commons

See also

• Collier Trophy – to JWST in 2023
• Timeline of the James Webb Space Telescope
• Libration point orbit – Quasiperiodic orbit around a Lagrange point
• List of deep fields
• List of largest infrared telescopes
• List of largest optical reflecting telescopes
• List of space telescopes
• Nancy Grace Roman Space Telescope – planned launch no later than May 2027
• New Worlds Mission – proposed occulter for the JWST
• Physical cosmology – Branch of cosmology which studies mathematical models of the universe
• Satellite bus – Main body and structural component of the satellite
• Solar panels on spacecraft – Photovoltaic solar panels on spacecraft operating in the inner Solar System
• Spacecraft design
• Spacecraft attitude control – Process of controlling orientation of an aerospace vehicle
• Spacecraft thermal control – Process of keeping all parts of a spacecraft within acceptable temperature ranges
• Unknown: Cosmic Time Machine

Дальнейшее чтение

• Гарднер, Джонатан П.; и др. (ноябрь 2006 г.). «Космический телескоп Джеймса Уэбба». Обзоры космической науки . 123 (4): 484–606. arXiv : astro-ph/0606175 . Бибкод : 2006ССРв..123..485Г . дои : 10.1007/s11214-006-8315-7 . S2CID   118865272 . Официальное обоснование науки JWST, представленное в 2006 году.
• Калирай, Джейсон (апрель 2018 г.). «Научное открытие с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба». Современная физика . 59 (3): 259–290. arXiv : 1805.06941 . Бибкод : 2018ConPh..59..251K . дои : 10.1080/00107514.2018.1467648 . S2CID   85539627 . Обзор возможностей и научных возможностей JWST.
• Ригби, Джейн; Перрин, Маршалл; МакЭлвейн, Майкл; Кимбл, Рэнди; Фридман, Скотт; и др. (2023). «Научная эффективность JWST, характеризуемая при вводе в эксплуатацию». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 135 (1046): 048001.arXiv : 2207.05632 . Бибкод : 2023PASP..135d8001R . дои : 10.1088/1538-3873/acb293 . S2CID   253735464 .

Внешние ссылки

• Официальный сайт НАСА / STScI / ЕКА / французский сайт
• JWST NASA – Страница отслеживания – От запуска до окончательной калибровки (и многое другое)
• JWST NASA — страница «О программе» — подробная информация о хронологии / орбита Уэбба / L2 / общение
• Хронологический список открытий телескопа Джеймса Уэбба
• Текст JWST – Наиболее важные события – Запуск и развертывание (2021 г.)
• Видео JWST (031:22): Основные моменты — Детали технического проектирования (2021 г.)
• Видео JWST (012:02): 1-й месяц – запуск и развертывание (анимация; 2017 г.)
• Видео JWST (008:06): 1-й месяц — запуск и развертывание (обновление; 2021 г.)
• Видео JWST (003:00): 2-й месяц — подробности выравнивания зеркала (11 февраля 2022 г.)
• Видео JWST (Mission Control Live) — События развертывания — теперь успешно завершены (2022 г.):
  • ЗАПУСК (005:07; 25 декабря 2021 г.) ⇒ ОТДЕЛЕНИЕ (003:14; 25 декабря 2021 г.) ( зеркало ) ⇒ Космический телескоп Джеймса Уэбба: развертывание Sunshield – Управление полетом в прямом эфире SUNSHIELD (152:45; 4 января 2022 г.) ⇒
  • Космический телескоп Джеймса Уэбба: развертывание вторичного зеркала — управление полетом в реальном времени ВТОРИЧНОЕ ЗЕРКАЛО (087:15; 5 января 2022 г.) ⇒ Космический телескоп Джеймса Уэбба: развертывание первичного зеркала — управление полетом в реальном времени ПЕРВИЧНОЕ ЗЕРКАЛО (242:29; 8 января 2022 г.) ⇒ Обновление новостей о полном развертывании космического телескопа Джеймса Уэбба ОКОНЧАТЕЛЬНОЕ РАЗВЕРТЫВАНИЕ (085:15; 8 января 2022 г.) ⇒
  • Брифинг для СМИ: Что будет дальше с космическим телескопом Джеймса Уэбба ПРИБЫТИЕ НА L ₂ (077:14; 24 января 2022 г.) ⇒ ТЕЛЕСКОП ДЖЕЙМСА УЭББ Первые фотографии, данные и объяснение калибровок ИСПЫТАНИЯ И КАЛИБРОВКИ ⇒ Первое, что увидит Джеймс Уэбб В ПЕРВОМ СВЕТЕ
• Неизвестно: Космическая машина времени , Netflix; 2023 г. – документальный фильм о разработке и внедрении космического телескопа Джеймса Уэбба.