Webbův vesmírný dalekohled (JWST – James Webb Space Telescope) je tím největším, nejsofistikovanějším a nejmodernějším vesmírným dalekohledem, který kdy lidé vyrobili, a způsobí revoluci v pozorování vesmíru. Jedná se o společný projekt americké (NASA), evropské (ESA) a kanadské (CSA) kosmické agentury.
Webbův dalekohled je zaměřen na infračervenou část spektra a to umožní astronomům detailně dohlédnout dál než kdykoliv předtím a to ne jenom proto, že je zaměřen na jinou část spektra než starší velké kosmické dalekohledy, ale z velké části je to také způsobeno obrovským průměrem primárního zrcadla a gigantickým slunečním štítem zásadním pro chlazení vědeckých přístrojů pracujících v infračervené oblasti.
Věda kolem Webbova dalekohledu
Teleskop bude sloužit k pozorování hned několika fenoménů. Tři hlavní cíle jsou pozorování nejstarších hvězd a galaxií vzniklých hned po velkém třesku, které jsou díky rudému posuvu a svému stáří viditelné pouze v infračervené oblasti a např. pro Hubbleův vesmírný dalekohled (HST) už jsou neviditelné, dále pátrání po stopách života v atmosférách exoplanet pomocí spektrografů a studium formování hvězdných soustav, které se zřetelně projevují právě v infračervené oblasti. Bude se však provádět i pozorování Sluneční soustavy jako např. planetky Kuiperova pásu, Jupiterovu polární záři, vulkanické erupce na měsíci Io, pátrat po atmosféře a potenciálních výtryscích z měsíce Ganymedu nebo jaké chemické stopy týkající se možného života můžeme objevit na měsíci Enceladu.
Řada vědců má odlišné názory na to, na jaký z těchto cílů by se měl dalekohled zaměřit jako první a jakým pozorováním trávit nejvíce času. Za tímto účelem jsou v mezinárodní soutěži vybrány nejlepší návrhy, kterým je přidělen pozorovací čas. Právě zde uspěly i návrhy akademiků z Astronomického ústavu Akademie věd ČR. Dr. Michal Zajaček, který se loni v létě přesunul na Masarykovu univerzitu v Brně, uspěl se společným návrhem s kolegy z Kolína nad Rýnem. Dr. Peter Boorman, který v Ondřejově působí od roku 2019, uspěl dokonce se dvěma návrhy na pozorování. Dr. Topinka z Masarykovy univerzity vyvíjí software pro kameru a spektrograf MIRI, který je jedním ze čtyř vědeckých přístrojů na palubě.
Ředitel Astronomického ústavu Akademie věd, prof. Vladimír Karas, který v Praze v roce 2020 spoluorganizoval ESA JWST Master Class workshop, se těší, že nás „Webb posune daleko za možnosti Hubbleova vesmírného dalekohledu, zejména v pozorování raného vesmíru a exoplanet“. Nikdo nepochybuje, že Webbův dalekohled astronomii posune mílovými kroky dopředu.
Konstrukce dalekohledu
JWST se skládá z Integrated Science Instrument Module (ISIM) modulu, ve kterém se nacházejí všechny vědecké přístroje, dále z Optical Telescope Element (OTE) části, která zahrnuje zrcadla a servisní části teleskopu, která zahrnuje systémovou (podpůrnou) platformu zajištující pohon, polohování, energii, chlazení a ohřívání telekomunikaci a další servisní úkony a také zahrnuje sluneční štít, který je velice důležitý, aby chránil vědecké přístroje. Ty musejí pracovat při velmi nízkých teplotách a bez slunečního štítu by to nebylo možné zajistit. Vědecká část, ve které jsou umístěny všechny vědecké přístroje, se nachází nad (při pohledu z boku v integrační hale na Zemi) resp. za (při pohledu od Slunce) slunečním štítem za osmnácti segmentovým primárním zrcadlem.
Úkolem pětivrstvého slunečního štítu je chránit zrcadla a vědecké přístroje na palubě před světlem a teplem, jejichž hlavním zdrojem je Slunce. Tím, že je dalekohled zaměřen především na infračervenou část spektra, což umožní vidět i starší a vzdálenější objekty, vyžaduje chlazení zrcadel i přístrojů na extrémně nízkou teplotu, aby tepelný šum nepřekryl pozorované objekty. Je nezbytné, aby se tepelný štít, jehož rozměry jsou po rozložení 21 × 14 metrů, správně rozložil. Pro představu plocha štítu se nejčastěji přirovnává k velikosti tenisového kurtu (jehož rozměr pro čtyřhru je 23,8 × 11 m). Samotný štít rozděluje celou observatoř na dvě části – horká je otočená směrem ke Slunci a podle počítačových modelů by se vnější strana měla ohřát až na 109 °C. Chladná část je otočena směrem od Slunce a vnitřní vrstva slunečního štítu by podle počítačového modelu teplotu měl mít teplotu -237 °C. Rozkládání štítu bylo dokončeno 8. ledna v polovině cesty teleskopu ze Země do liberačního bodu L2 soustavy Slunce-Země, který je doslova milión mil daleko a je díky svým vlastnostem perfektním místem pro umístění takové observatoře. JSWT bude bod L2 obíhat po celou dobu provozu v minimální vzdálenosti 250 000 km a maximální 832 000 km s dobou oběhu 6 měsíců.
Webb má primární zrcadlo s průměrem 6,5 metru a je tvořeno osmnácti šestiúhelníkovými segmenty, které jsou vyrobeny z pozlaceného berylia a každý segment má hmotnost 20 kg přestože je větší než 1 m3. Přestože dohromady mají zrcadla plochu přes 25 m2, (ve skutečnosti 26 m3, ale část není využitelná kvůli zastínění nosnou konstrukcí sekundárního zrcadla) je na nich naneseno méně než 50 gramů zlata, asi jako na jednom nebo dvou zlatých zubech. Primární zrcadlo je tak velké, že musí být při startu složené, aby vůbec mohl být dalekohled vynesen do vesmíru. Složení primárního zrcadla spočívá v tom, že se dva krajní panely (každý nesoucí tři šestiúhelníkové segmenty) začnou vyklápět, dokud nedojde k jejich zacvaknutí. To trvá téměř tři hodiny. Dalších deset dní je vyhrazeno mnohaúrovňovému procesu uvolnění všech 18 segmentů primárního zrcadla z jejich startovní konfigurace. To nastane po definitivním ověření, že primárního zrcadla je složeno a krajní panely pevně zajištěny ve své pozici. Následně bude aktivováno 126 extrémně přesných pohyblivých dílů v zadní části zrcadel určených k jemného procesu ladění pozic jednotlivých segmentů. Ty budou moci hýbat s každým segmentem, případně jej mohou velmi jemně ohnout podle potřeby. Vzhledem k mimořádné přesnosti to nebude trvat dny, ale měsíce.
Vědecké přístroje na palubě Webbova dalekohledu jsou (abecedně):
MIRI: Infračervená kamera kombinovaná se spektrografem je citlivá na záření s vlnovou délkou 5 až 28 mikrometrů, tedy to, co ostatní přístroje nevidí. MIRI používá k pozorování na těchto vlnových délkách křemíkové pole dopované arsenem. Jelikož MIRI sleduje světlo o delších vlnových délkách, musí pracovat při teplotách o 33 stupňů nižších než ostatní přístroje, tedy pouhých 7 Kelvinů, a proto disponuje dalšími chladícími systémy. Jde o společný americko-evropský přístroj, ESA dodala optický systém.
NIRCam: Jde o infračervenou kameru, která má dva hlavní úkoly. Slouží jako kamera k pozorování záření s vlnovou délkou 0,6 až 5 mikrometrů a jako tzv. wavefront sensor. Je to tedy kamera, ale bude využita i k poskytování informací pro zarovnání 18 segmentů primárního zrcadla. NIRCam vyvinula firma Lockheed Martin a University of Arizona ve spolupráci s agenturou NASA.
NIRSpec: Jedná se o multiobjektový spektrograf schopný současně měřit blízké infračervené spektrum objektů, jako jsou hvězdy nebo galaxie s nízkým, středním a vysokým spektrálním rozlišením. NIRSpec vyvinula Evropská kosmická agentura (ESA) a byl postaven společností Astrium. NIRSpec snímá záření s vlnovou délkou 0,6 až 5,3 mikrometrů.
NIRISS/FGS: NIRISS je kanadský infračervený spektrograf, který pozoruje infračervené záření o vlnových délkách 1,0 až 2,5 mikrometrů. Přístroj má čtyři různé režimy pozorování. Spektroskopický mód je schopen provádět spektroskopii exoplanet. Režim interferometrie s maskováním apertury využívá maskovací disk se sedmi otvory a měl by umožňovat detekci exoplanet v určitém rozsahu vlnových délek. FGS je systém ke stabilizaci pozorování. Je navržen tak, aby našel předem vybrané navigační hvězdy, což umožňuje dalekohledu, aby se mohl přesně zaměřit na požadovaný cíl. FGS a NIRISS dodala Kanadská vesmírná agentura
Web létá s evropskou nosnou raketou Ariane
Velikost primárního zrcadla a tepelného štítu je také důvodem, proč do vesmíru letěl složený a rozloží se až ve vesmíru. Jinak by se pod aerodynamický kryt evropské rakety Ariane 5 nevešel – a to jde o jednu z největších nosných raket, jaké jsou dnes v provozu. Použití Ariane přináší řadu výhod jako např. prakový efekt díky blízkosti kosmodromu k rovníku, některá opatření byly specificky připraveny pro start Webbova dalekohledu, např. otáčivý manévr chránící dalekohled před přehříváním nebo nainstalované baterie pro oddálení horního stupně rakety po oddělení dalekohledu, aby se zamezilo jeho nekontrolovatelnému ohřívání Sluncem.
Raketa Ariane je kromě palubních vědeckých přístrojů také jedním z příspěvků ESA k celé misi, a i zde je česká stopa. Části urychlovacích motorů dodává klatovská firma Aerotech Czech, zatímco komponenty pro turbo čerpadla vyrábí brněnská firma Frentech Aerospace. Největší evropské raketa bylo vybrána pro svoji spolehlivost a pro velký objem, který pro dalekohled poskytuje aerodynamickým krytem, jeho vnější průměr je celých 5,4 metru. I tak jej bylo pro start potřeba upravit. Inženýři totiž měli obavy z okamžiku odhození krytu. Báli se totiž, že by zbytky vzduchu zachycené mezi složenými membránami slunečního štítu mohly ve chvíli odhození krytu náhle expandovat, což by mohlo membránu poškodit. Úpravy ventilů pro vypouštění vzduchu z útrob nákladového prostoru pomohou zajistit, že mezi membránami slunečního štítu v době, kdy raketa začne stoupat nad atmosféru, opravdu žádný zachycený vzduch nezůstane. Na modelování chování aerodynamického krytu při startu se pravidelně podílí i brněnské firma L. K. Engineering.
Připraveno s využitím materiálů redaktorů serveru Kosmonautix Dušana Majera, Lukáše Houšky, Karla Zvoníka, Matěje Soukupa a Matěje Horáka.
