Телескоп Джеймс Уэбб: Хронология событий после запуска

В преддверии долгожданного запуска космического телескопа Джеймс Уэбб, мы расскажем о последовательности событий после запуска обсерватории.

Орбита вокруг Солнца

Космический телескоп Джеймс Уэбб не будет находиться на орбите вокруг Земли, как космический телескоп Хаббл — он будет фактически вращаться вокруг Солнца, на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли в так называемой второй точке Лагранжа или L2.

Особенность этой орбиты заключается в том, что она позволяет телескопу оставаться на одной линии с Землей, когда она движется вокруг Солнца. Это позволяет большому солнечному экрану защищать телескоп от света и тепла Солнца и Земли (и Луны).

Анимация орбиты телескопа

Почему имеет значение направление Земли и Солнца?

Джеймс Уэбб в первую очередь будет наблюдать инфракрасный свет, который иногда может ощущаться как тепло.

Поскольку телескоп будет наблюдать очень слабые инфракрасные сигналы очень далеких объектов, его необходимо защитить от любых ярких горячих источников.

Сюда же входит и сама обсерватория! Солнцезащитный экран служит для отделения чувствительных зеркал и инструментов не только от Солнца и Земли / Луны, но и от корпуса космического аппарата.

Сам телескоп будет работать при температуре около 225 градусов ниже нуля по Цельсию. Разница температур между горячей и холодной сторонами телескопа огромна — можно почти вскипятить воду на горячей стороне и заморозить азот на холодной стороне!

Чтобы солнцезащитный экран был эффективной защитой (он дает телескопу «солнцезащитный крем», эквивалентный SPF в один миллион) от света и тепла Солнца / Земли / Луны, все эти тела должны быть расположены в одном направлении.

Вот почему телескоп будет находится во второй точке Лагранжа.

Что такое точка L2?

Жозеф-Луи Лагранж был математиком 18 века, который нашел решение так называемой «проблемы трех тел».

То есть, существует ли какая-либо стабильная конфигурация, в которой три тела могли бы вращаться вокруг друг друга, оставаясь при этом в одном и том же положении относительно друг друга?

Оказывается, есть пять решений этой проблемы — и они называются пятью точками Лагранжа в честь их первооткрывателя.

В точках Лагранжа гравитационное притяжение двух больших масс в точности равно центростремительной силе, необходимой небольшому объекту, чтобы двигаться вместе с ними. Точки L1, L2 и L3 находятся на одной линии друг с другом, а L4 и L5 находятся в точках равносторонних треугольников.

Первая точка Лагранжа Солнце-Земля, L1, находится на расстоянии 1,5 миллиона км от Земли по направлению к Солнцу, и здесь было расположено множество солнечных обсерваторий, включая DSCOVR, WIND, SOHO и ACE.

Есть и другие спутники в точке L2,  в том числе WMAP, Herschel и Planck.

Джеймс Уэбб в точке L2

Если Джеймс Уэбб вращается вокруг Солнца дальше, чем Земля, не должно ли потребоваться ему больше года, чтобы вращаться вокруг Солнца?

Обычно да, но баланс комбинированного гравитационного притяжения Солнца и Земли в точке L2 означает, что телескоп не будет отставать от Земли, когда она вращается вокруг Солнца.

Гравитационные силы Солнца и Земли могут почти удерживать космический аппарат в этой точке, поэтому требуется относительно небольшая тяга ракеты, чтобы удерживать космический телескоп на орбите вокруг L2.

И Джеймс Уэбб будет вращаться вокруг точки L2, а не сидеть неподвижно в L2. Орбита телескопа на самом деле будет похожа на орбиту Луны вокруг Земли. Эта орбита (на завершение которой у Уэбба уходит около 6 месяцев) защищает телескоп от теней как Земли, так и Луны. В отличие от Хаббла, который входит в тень Земли и выходит из нее каждые 90 минут, Джеймс Уэбб будет иметь беспрепятственный обзор, который позволит вести научные операции круглосуточно и без выходных.

Общение с телескопом

Положение Уэбба в L2 также позволяет легко поддерживать с ним связь. Поскольку он всегда будет в одном и том же месте относительно Земли — в полуночном небе на расстоянии примерно 1,5 миллиона км — можно иметь постоянную связь с ним через сеть дальнего космоса (DSN), используя три большие антенны на земле, которые находятся в Австралии, Испании и США (Калифорния).

Во время рутинных операций телескоп будет передавать последовательности команд восходящего канала и данные нисходящего канала до двух раз в день через DSN. Обсерватория может автономно выполнять последовательность команд (наведение и наблюдение). Как правило, Научный институт космического телескопа загружает команды за целую неделю и обновляет их ежедневно по мере необходимости.

Сколько времени потребуется Уэббу, чтобы добраться до L2?

Телескопу потребуется примерно 30 дней, чтобы достичь начала своей орбиты в L2, но потребуется всего 3 дня, чтобы добраться до орбиты Луны, что составляет примерно четверти пути.

Вывести Уэбба на его орбиту вокруг L2 — это все равно, что достичь вершины холма, энергично крутя педали велосипеда только в самом начале подъема, генерируя достаточно энергии и скорости, чтобы провести большую часть пути, катаясь по склону, чтобы замедлиться до минимума, остановиться и с трудом добраться до вершины.

Хронология событий после запуска:

В первый час: полет в космос, развертывание солнечных батарей и «свободный полет». Ракета-носитель Ariane 5 будет обеспечивать тягу в течение примерно 26 минут после старта из Французской Гвианы. Через несколько мгновений после отключения двигателя второй ступени телескоп отделится от Ariane, что приведет к развертыванию солнечной батареи в течение нескольких минут, чтобы Уэбб мог начать вырабатывать электричество из солнечного света и прекратить разряжать батарею. Уэбб быстро научится ориентироваться и «летать» в космосе.

• В первый день: Промежуточная коррекция к L2. Ariane отправит Уэбба по прямому маршруту к L2, не вращаясь вокруг Земли. В первый день будет выполнен первый и самый важный маневр по коррекции траектории с использованием малых ракетных двигателей на борту самого телескопа. Он также выпустит и развернет антенну с высоким коэффициентом усиления, чтобы обеспечить максимальную доступную скорость передачи данных как можно раньше.
• В первую неделю: развертывание Sunshield (солнцезащитный экран). Вскоре после того, как телескоп выполнит второй маневр коррекции траектории, он начнет последовательность основных развертываний, начиная с носовой и кормовой части солнцезащитных поддонов. Следующий шаг — разделение корпуса космического корабля и телескопа путем удлинения телескопической башни между ними. Башня выйдет примерно на 2 метра, и на этом этапе последовательности действий необходимо, чтобы можно было продолжить развертывание остальной части солнцезащитного экрана. Затем солнцезащитные мембраны будут откреплены, и телескопические солнцезащитные средние штанги выдвинутся — сначала по левому, а затем по правому борту, вытягивая мембраны вместе с ними. Последний этап развертывания солнцезащитного козырька — натяжение мембран. Тем временем будут выпущены и развернуты другие вещи, такие как радиаторы.
• В первый месяц: развертывание, перезарядка телескопа, включение прибора и вывод на орбиту вокруг L2. В течение второй недели после запуска завершится развертывание конструкций телескопа, будет развернут и зафиксирован штатив вторичного зеркала, а также повернуты и зафиксированы два крыла главного зеркала. Обратите внимание, что телескоп и научные инструменты начнут быстро остывать в тени солнцезащитного козырька, но им потребуется несколько недель, чтобы полностью остыть и достичь стабильной температуры. Это охлаждение будет тщательно контролироваться с помощью полос электрического обогревателя, чтобы все тщательно сжималось и чтобы вода, задержанная внутри частей обсерватории, могла улетучиваться в виде газа в космический вакуум, а не замерзать на зеркалах или детекторах. Ближе к концу первого месяца будет выполнен последний маневр на середине курса, чтобы выйти на оптимальную орбиту вокруг L2. В это время также включатся системы научных приборов. Оставшиеся пять месяцев ввода в эксплуатацию будут посвящены калибровке оптики и научных инструментов.
• Во второй, третий и четвертый месяц: первичная проверка оптики и юстировка телескопа. Используя датчик точного наведения, инженеры наведут Уэбб на одну яркую звезду и продемонстрируют, что обсерватория может захватывать и фиксировать цели, и они будут получать данные в основном с помощью NIRCam. Но поскольку сегменты главного зеркала еще не выровнены, чтобы работать как единое зеркало, будет до 18 искаженных изображений одной и той же единственной целевой звезды. Затем инженеры приступят к долгому процессу юстировки всей оптики телескопа, начиная с определения того, какой сегмент главного зеркала соответствует какому изображению, перемещая каждый сегмент по одному, и заканчивая несколькими месяцами позже, когда все сегменты выровнены как один. Охлаждение фактически закончится, и криокулер начнет работать с минимальной температурой, и MIRI также сможет начать сбор хороших данных.
• На пятом и шестом месяцах: Калибровка и сдача в эксплуатацию. Команда специалистов тщательно откалибрует многие режимы работы всех научных инструментов при наблюдении за репрезентативными целями, и продемонстрирует способность отслеживать «движущиеся» цели, которые являются близлежащими объектами, такими как астероиды, кометы, луны и планеты в нашей собственной солнечной системе. Будут проведены «предварительные наблюдения», которые будут раскрыты сразу после завершения ввода в эксплуатацию, что продемонстрирует возможности обсерватории.
• Через шесть месяцев: «Научные операции!» Джеймс Уэбб приступит к выполнению своей научной миссии.

Источник: NASA