Mikrozárak a JWST-n
(Rovat: Távoli világok kutatói, Különös találmányok , Amerika és az űrcsillagászat - 2017.04.09 08:15.)

Az űrtávcső infravörös spektrométere számára kifejlesztett új technológiával kijelölhetők a látómező azon pontjai, amelyekben észlelni akarnak – a többi pontban „becsukják az ablakot”.

Az ENSZ Világűrbizottság Tudományos és Technikai Albizottsága ez évi, január 30. és február 10. között Bécsben tartott ülésén a hagyományoknak megfelelően számos résztvevő ország és szervezet szakmai előadásban számolt be eredményeiről, terveiről. Mai cikkünkben az általános véleménycsere napirendi pontban elhangzott NASA előadásból mutatunk be néhány érdekességet (az előadást Paul Hertz, a NASA asztrofizikai igazgatója tartotta).

A James Webb-űrtávcső (JWST) legfontosabb kutatási területei a következők: a Világegyetem ősi állapotának vizsgálata, az ősrobbanás utáni első fény megjelenése a Világegyetem 400 millió éves korában, az első csillagok és galaxisok keletkezése a körülbelül 1,2 milliárd éves koráig tartó időszakban (ami z=6–11 közötti vöröseltolódásoknak felel meg, ezért is került a hangsúly az infravörös tartomány megfigyelésére). A Világegyetem korai állapotában a galaxisok keletkezése és a Világegyetem nagy léptékű szerkezetét meghatározó struktúrák vizsgálata. Exobolygók megfigyelése és ezzel összefüggésben az élet eredetének kutatása. A csillagok és a bolygórendszerek születésének megfigyelése.

A Hubble-, a James Webb- és a Spitzer-űrtávcsövek által megfigyelt hullámhossz-tartományok és főtükreik méretének összehasonlítása.

A JWST három fő részből áll. A legfontosabb maga a távcső (OTE, Optical Telescope Element), a 18 szegmensből álló főtükör, valamint a segédtükör és tartórendszere (lásd korábbi cikkeinkben). A főtükör mögé kerül az integrált tudományos műszercsomag (ISIM, Integrated Science Instrument Module), amely a négy tudományos műszert tartalmazza (főbb paramétereiket lásd az ábrán). A JWST harmadik fő részébe tartozik mindaz, amire a fentiek működéséhez szükség van, a napelemektől az árnyékoló fóliákon és a helyzetstabilizáló rendszeren keresztül a telemetriai rendszerig minden. A távcsövet a tervek szerint 2018 októberében az ESA állítja pályára Ariane–5 rakétával, Kourouból. A távcső a Nap–Föld-rendszer L2 Lagrange-pontja körül keringve végzi majd a megfigyeléseit.

A JWST négy tudományos műszere, készítőik és főbb műszaki paramétereik.

Az előadásban néhány műszaki érdekesség is elhangzott. A távcső tükreit és a műszereket tartó szerkezet rendkívül stabil anyagokból készült, a szerkezet viselkedését (például az elemek hőtágulását) 38 nanométer pontossággal kell követni, ami egy emberi hajszál vastagságának a tízezred része. A főtükör 18, berilliumból készült szegmensének a felületét olyan pontossággal csiszolták, hogy ha a 6,5 méter átmérőjű tükröt akkorára nagyítanánk, mint az Egyesült Államok szárazföldi területe, akkor a legnagyobb felületi egyenetlenség (az optimálistól való eltérés) 5 cm-nél kisebb lenne. A távcső detektorainak az érzékenységét jellemzi, hogy egy gyertya fényét 1 millió km távolságból is képesek lennének észlelni. Az OTE és ISIM egységeket az ötrétegű árnyékoló fólia védi a Nap sugárzásától. Az egyes hártyák vastagsága fele egy közönséges papírlapénak, mégis az öt réteg együtt egy milliomod részére csökkenti a Nap sugárzását. Így alakul ki az árnyékoló távcső felőli oldalán a 40 K körüli hőmérséklet, ami azonban nem elég az érzékeny infravörös műszerek működéséhez, ezért azokat tovább hűtik 6 K hőmérsékletre (–267 °C).

A JWST műszereit az ötrétegű árnyékoló fólia védi a Nap sugárzásától. Ennek köszönhetően az árnyékos oldalon 40 K körüli hőmérséklet uralkodik. A távcső négy tudományos műszere egyetlen szerkezeti egységbe integrálva (ISIM) a főtükör mögött helyezkedik el. A jobboldali képen a JWST összehajtogatott állapotban látható az Ariane–5 orrkúpjában. A távcső a Földtől 1,5 millió km-re, az L2 Lagrange-pont körül keringve végzi megfigyeléseit.

Mind a négy műszer tekintélyes méretű darab, a képen a NIRCam repülő példánya látható.

Abszolút technológiai újdonságot jelentenek a számítógéppel vezérelt mikrozárak (microshutters), amelyekből több mint 62 000 darabot helyeznek el a közeli infravörösben dolgozó spektrográfban (NIRSpec). Az eszközt a NASA Goddard Űrközpontjában tervezték és kivitelezték, a fejlesztés hat évig tartott. A mikrozárak tulajdonképpen apró, 100 × 200 nm nagyságú ablakok (ez néhány hajszál vastagsága), amelyeket számítógéppel vezérelve egyenként lehet az igényeknek megfelelően nyitni-zárni, mindezt az alacsony hőmérsékleten üzembiztosan. A zárakat ott nyitják ki, ahol a megfigyelni kívánt objektumok vannak, így egyszerre akár száz égitestről lehet színképek felvenni, ami jelentősen növeli a műszer hatékonyságát. Minden észlelés előtt úgy állítják be a mikrozárakat, hogy csak azok legyenek nyitva, amelyeken keresztül a vizsgálni kívánt égitest(ek) fénye a műszerbe jut, így kevesebb zavaró fény kerül a műszerbe. A mikrozárak rendszere a NIRSpec teljes, 3,4 ívperc átmérőjű látómezejét lefedi. Az egyes elemeknek olyan tökéletesen kell zárniuk, hogy zárt állapotban legfeljebb 1/2000 résznyi fényt engedhetnek át a nyitott állapothoz képest. Az elemeknek legalább 30 000 nyit-zár ciklust kell minimális meghibásodási arány mellett kibírniuk.

A Goddard szakemberei remélik, hogy a JWST-hez kifejlesztett vadonatúj technológiai megoldást más, a csillagászattól távoli területeken, például a biotechnológiában, az orvostudományban vagy a távközlésben is hasznosítani lehet.