Vesmírný dalekohled James Webb (JWST) je velmi očekávaný, dlouho očekávaný dalekohled „nové generace“. Plánováno spuštění v roce 2007 2013 Říjen 2018 byl JWST nabízen jako nástupce Hubbleova vesmírného dalekohledu. S tím astronomové doufají, že se ohlédnou v čase, kdy byl vesmír pouhých 200 milionů let, a uvidí první hvězdy a galaxie. Vedoucím vědcem, který vede tento projekt, je dr. John Mather, spolumajitel Nobelovy ceny za fyziku za rok 2006 za jeho práci s programem Cosmic Background Explorer (COBE), který měřil formu černého těla a anizotropii kosmického mikrovlnného pozadí.
Pochopitelně jsme byli poctěni, když se doktor Mather obrátil na časopis Space Magazine a řekl, že by s námi chtěl mluvit o stavu JWST. "Myslel jsem, že by mohl být čas mluvit o tom, co děláme," řekl, "protože se začínají objevovat vzrušující věci."
Space Magazine: Dr. Mather, už více než deset let slyšíme o kosmickém dalekohledu nové generace, který byl později oficiálně pojmenován kosmický dalekohled James Webb. Můžete nám říci, jak začala koncepce tohoto dalekohledu?
John Mather: V roce 1989, ještě před spuštěním Hubbleova tělesa, se konala konference o tom, jaký by měl být další vesmírný dalekohled. Diskutovali o velkých dalekohledech budoucnosti a ze sborníku vydali knihu. Ale opravdu neuvažovali, že infračervené záření je velká vlna budoucnosti. Poté, v roce 1993, existoval výbor nazvaný HST and Beyond. V roce 1996 vydali krásnou malou zprávu, která uvádí, že je třeba udělat dvě důležité věci. Jeden měl postavit infračervený dalekohled, na rozdíl od toho, co řekla předchozí kniha, a druhý měl postavit dalekohled pro vyhledávání planet podobných Zemi. V tu chvíli astronomové právě rozpoznávali, že je možné hledat mimosolské planety. Takže v říjnu 1995 mě ředitelství NASA zavolalo, dalo mi seznam vědců a inženýrů, se kterými se mohu spojit, a řekl, abych začal plánovat. Tak jsme to udělali a okamžitě jsme dospěli k pozoruhodné konvergenci myšlení a názoru. Rychle jsme se dohodli na konceptu, který splnil přání vědecké komunity a splnil ambice NASA. Zjistíte, že dalekohled, který jsme chtěli letět zpět, je velmi podobný tomu, který letíme v roce 2013.
UT: Můžete nám poskytnout aktuální informace o stavu JWST?
Mather: Hardware letového nástroje bude dodáván z celého světa v létě roku 2010. Jemný naváděcí senzor pochází z Kanady, jeden a půl přístrojového balíčku pochází z Evropy a zbytek pochází z USA. Za 18 měsíců se tedy balíček přístrojů začne pohybovat společně a pak se o rok později setká s dalekohledem. Čtyři vědecké přístroje jsou blízká infračervená kamera, téměř infračervený víceobjektový spektrograf, střední infračervený přístroj a laditelný filtrový zobrazovač.
Právě jsme prošli revizí Critical Design pro přístrojový modul. Minulý týden jsme měli stovky lidí, aby se na všechno podívali a řekli nám, jestli to děláme správně. Myslím, že jsme prošli, i když jsem ještě neviděl oficiální papírování. Ale i já jsem byl ohromen.
UT: Mnoho lidí se mě ptá, protože Hubble byl tak úspěšný, proč JWST nebude optický dalekohled?
Mather: Proč se výbor změnil z optického na infračervený? Bylo to dvakrát. Jedním z nich bylo, že Hubble byl tak dobrý, že viděli, že bude těžké ho porazit, bez ohledu na to, jak velký jsi postavil dalekohled. Další věcí, která se dělala, bylo to, že lidé viděli, jak můžete stavět velké optické dalekohledy na zemi. Keckův dalekohled fungoval opravdu dobře a lidé začali mluvit o adaptivní optice, což znamenalo, že ještě větší dalekohledy na zemi stojí za to. Tyto dvě věci nás tedy směřovaly k infračervenému dalekohledu. Také všichni vědci JWST uvedli, že potřebujeme infračervené záření. Z malé schopnosti, kterou jsme v té době měli, bylo infračervené fascinující zjištění, že nejvzdálenější vesmír je vzrušující a je červený od viditelného. Začíná to v ultrafialovém záření a dostává se k infračervenému záření kvůli velké vzdálenosti těchto objektů a obrovskému červenému posunu, který mají. Pokud tedy chcete provádět ultrafialovou astronomii na téměř okraji vesmíru, potřebujete infračervený dalekohled.
UT: Nyní, když je infračervený kosmický dalekohled Spitzer v provozu tak dobře, změnilo to něčí názor, nebo to vede vědce k tomu, aby chtěli přejít na další úroveň s infračerveným světlem?
Mather: Ano, Spitzer dokázal, že je to vlastně fascinující území. Spitzer je vlastně trochu kousavý dalekohled podle moderních standardů; je široká pouze 3 stopy, 85 cm. Přináší však překvapující překvapení. Vidí věci velmi, velmi červené posuny a žádná z těchto věcí se neočekávala. To nám říká, že infračervené je to, kde budou úžasné objevy. Nyní víme, že můžeme tuto technologii udělat, takže získejme lepší dalekohled. Věda je cesta, vzrušující a je toho tolik, co čeká na objevení.
UT: Co bude podle vašeho názoru odlišit JWST od předchozích vesmírných dalekohledů?
Mather: Každý dalekohled říká: „Jsem lepší než ten přede mnou,“ a my říkáme to samé. Tento dalekohled bude samozřejmě vidět dál v čase s jeho infračervenou schopností a velkým otvorem; uvidí skrze prachové mraky, aby zjistil, kde se hvězdy rodí; uvidí věci, které jsou pokojovou teplotou, jako jste vy a já, planety nebo mladé hvězdy. Všechny tyto věci lze vidět přímo pomocí infračervené schopnosti, kterou máme na tomto novém dalekohledu. Většina práce bude provedena v infračerveném světle, s určitou schopností ve viditelném rozsahu.
Postavili jsme však dalekohled pro všeobecné použití. Po spuštění mohou vědci psát návrhy, jako to dělají pro Hubbleov, na to, co by chtěli pozorovat, aby mohli sledovat, co je v té době žhavé téma.
UT: Jak jste se díky své zkušenosti s COBE a následnými vyznamenáními dostali na JWST?
Mather: Nebylo to tolik vyznamenání, které ovlivnily můj život, to byla skutečnost, že jsem prošel procesem od samého začátku do samého konce pro velmi radikálně navrženou observatoř, kterou byl COBE, což mi dávalo nervozitu myslet velké věci. Takže když ředitelství NASA řeklo, že chtějí Hubbleova nástupce, myslel jsem, že by to bylo zajímavé, a měl jsem dost nervy na to, abych řekl ano, rád bych to zkusil. COBE byl v té době velmi ambiciózní, ale natolik malý, že jsem techniky znal osobně a mohl jsem s nimi kdykoli mluvit o všem. Takže jsem si myslel, že bych mohl absolvovat větší projekt.
UT: A teď pracujete s lidmi z celého světa?
Mather: Ano, je to obrovský obchod. Náš vědecký tým tvoří asi 19 lidí z Evropy, USA a Kanady. Inženýrský tým je přes 2000 lidí, kteří jsou rozmístěni po celém světě. Je jasné, že všechny neznám. S vědci úzce spolupracuji a hovořím s nimi o tom, čeho chceme dosáhnout, a ujistíme se, že toho dosáhneme. Takže teď mám jinou roli. Nemám žádnou praktickou odpovědnost za žádný hardware, ale pracuji s lidmi, kteří to dělají. Máme přístup k některým z nejlepších lidí na světě v každém tématu.
UT: Můžete mluvit o problémech, které musel tento dalekohled překonat, o překročení nákladů a zpožděních, které měl?
Mather: Číslo jedna, překročení nákladů není tak velké, jak je znázorněno některými lidmi, kteří by chtěli peníze za své vlastní projektové nápady. Původně byl Dan Goldin hlavou NASA, když jsme začínali, a řekl: „Chceme, abyste vymysleli způsob, jak udělat tuto hvězdárnu za půl miliardy dolarů v roce 1996 dolarů.“ Říkali jsme, že to zkusíme. Ale rychle jsme si uvědomili, že to bude těžké. Než jsme se připravili na dekadální průzkum v roce 2000, náklady byly víc než miliarda dolarů. Před třemi lety jsme pak viděli, že se práce zhoršuje, a museli jsme znovu naplánovat a rebudget. Nyní, pokud spočítáte celé náklady NASA od začátku roku 1995 do konce, někde po roce 2019 s inflací a státními zaměstnanci (což jsme doposud nepočítali), je to nyní zhruba 4,5 miliardy dolarů ve skutečných reálných dolarech, nikoli 1996 dolarech. Existuje tedy růst nákladů, ale měli jsme vynikající úspěch a jsme na cestě ke spuštění tohoto úžasného stroje, který budou používat tisíce astronomů. A nemuseli jsme změnit svůj plán ani náš celkový rozpočet za tři roky, a to díky stálému vedení z velitelství NASA a vynikající technické práci týmů.
UT: To je dobré vědět. Myslím, že lidé mají obecný koncept, že JWST má obrovské překročení nákladů.
Mather: Není to nic malého a přejeme si, abychom s tím mohli udělat lépe. Ale jde o faktor růstu dva, a ne faktor pět, který inzerovali někteří lidé, kteří by měli vědět lépe. Tento dalekohled bude fungovat dlouho. Požadavek je pět let, ale doufáme, že se spustí po dobu deseti. Náš projekt tedy trvá od roku 1995 do roku 2024, kdy budou operace ukončeny.
Dovolte mi, abych vám představil, co musíme udělat, abychom se připravili, a co jsme celou tu dobu dělali. Vyvinuli jsme seznam deseti hlavních technologií, které jsme potřebovali. Nejtěžší bylo vyvinout zrcadla. To vyžadovalo dvanáct různých smluv jen pro rozvoj konkurentů tam, kde byly jejich návrhy dost dobré, takže to trvalo docela pár let. Detektory musely být jasně vylepšeny oproti tomu, co máme na dalekohledech Spitzer a Hubble. Takže teď máme větší a lepší detektory a jsou báječné. Jedním z měření, které astronomové mají, je kolik zbloudilých elektronů dostanete od detektorů. Pokud zavřete veškeré světlo, měli byste dostat nulu. Nyní máme detektory, které vydávají několik bludných elektronů na pixel za hodinu, což je téměř perfektní. Bylo by dobré být ještě lepší, ale tohle je báječné. Jsem ohromen.
Potřebovali jsme zlepšit chladničky ve vesmíru. Začali jsme říkat, že potřebujeme radiativně chlazený dalekohled, aby sám o sobě byl dost chladný a to je většinou pravda. Ukázalo se však, že stále potřebujeme aktivní ledničku, aby byly detektory s nejdelší vlnovou délkou v chladu, takže jsme to museli vyvinout.
Takže to jsou jen některé z věcí, které jsme museli navrhnout, a veškerý technologický vývoj byl nakonec dokončen v roce 2007 a schválil revizní komisi, která řekla: „Ano, tyto věci jsou konečně připraveny k výstavbě.“
Takže právě dosažení roku 2007 bylo dlouhé a nemyslím si, že lidé opravdu ocenili, co je potřeba k přípravě nových technologií. Na druhé straně jsme byli požehnáni tím, že jsme se nemuseli „zálohovat“. Do těchto technologií jsme vložili dostatečné plánování a úsilí, aby nyní fungovaly. To byla jedna z věcí, které jsme se dozvěděli z projektu Hubble, což znamená, že nedokončíte svůj návrh, dokud nevíte, co byste měli stavět.
UT: A co váš testovací proces. Je to docela přísné?
Mather: To je další ponaučení, které jsme se museli naučit od Hubblea. Pokud to nezkoušíte, nebude to fungovat. Naučili jsme se, že máme velmi odhodlaný a přísný proces. Na Hubblovi provedli dostatečné testování, aby věděli o problémech se zrcadlem. Výrobce zrcadla měl dva testy, které nesouhlasily, a rozhodli se ignorovat jednu z nich namísto stopování důvodu, a to se ukázalo být hloupé a drahé.
Máme zobecnění, že pokud na něčem opravdu záleží, udělejte to dvakrát. Skutečně vyzkoušíme dalekohled studený ve velké vakuové nádrži v Johnson Space Center. Bude to tedy úplný test typu „od začátku do konce, od začátku do konce“, což pro Hubble nemohli udělat. Věděli však, že dokážou opravit Hubble ve vesmíru, a víme, že nemůžeme opravit JWST, protože dalekohled bude v bodě L-2, asi 1,5 milionu kilometrů od Země, což je asi čtyřikrát dále od Země než Měsíc.
Je to složitý projekt, ale náš přístup k provádění složitého projektu se dramaticky liší od toho, kdy jsem byl mladým chovatelem. Když jsem se sem dostal k Goddardovi, použili jsme tužky a pravidla klouzání a počítače byly docela nové a většina lidí je neměla. Nyní máme všude počítače, které sledují naše dokumenty. Můžeme dělat systémové inženýrství a dokonce dokážeme provádět velmi přesné a úplné simulace, abychom věděli, zda se něco hodí k sobě a bude fungovat, než jsme ho dokonce postavili. Svět se tedy změnil a je úžasné to vidět. Proto jsme nyní schopni vybudovat tuto observatoř za přibližně stejné skutečné náklady, jaké trvalo, než se Hubble uvede do provozu a bude fungovat. JWST je ale mnohem větší a silnější.
UT: Můžeš nám říct o designu zrcadla pro JWST?
Mather: Nejtěžší bylo stavět zrcadlo, protože jsme potřebovali něco, co je mnohem větší než Hubble. Ale nemůžete zvednout něco tak velkého nebo zapadnout do rakety, takže potřebujete něco, co je lehčí, ale přesto větší, takže musí mít schopnost složit se.
Zrcadlo je vyrobeno z lehkého berylia a má 18 hexagonálních segmentů. Dalekohled se ve svých kuklících složí jako motýl a bude ho muset zcela zrušit. Je to poněkud komplikovaný proces, který bude trvat mnoho hodin. Dalekohled je obrovský, 6,5 metru (21 stop), takže je docela působivý.
Sluneční clona je zcela nová a také ji bude muset nasadit. Takže to, co bylo zabaleno do malého válce, se relativně proměnilo v obrovský štít asi tak velký jako tenisový kurt. Je to obrovské. To vše se děje v několika fázích a bude to trvat dny. Najali jsme společnost Northrop Grumman, která měla zkušenosti s rozvíjením věcí ve vesmíru, a oni nám říkají, že to rozhodně není nejsložitější věc, kterou se ve vesmíru rozvinuly, což je uklidňující.
Video nasazení JWST ve vesmíru:
UT: Proběhla nějaká diskuse o prvním světle a na co se bude JWST nejprve dívat?
Mather: Ano trochu. To bude zábavná část poté, co se nám podaří dát dohromady.
UT: Máte nějaké oblíbené návrhy?
Mather: Myslím, že bychom měli začít s lehkými cíli, které budou pěkné, což umožní veřejnosti říci: „Ach, vidím její fungování!“ Některá z prvních pozorování lze provést, když nastavujeme dalekohled, a to ještě před úplným nastavením. Protože je nasazeno po spuštění a zrcadlo se nejprve nenachází ve správném tvaru, budeme na to postupně pracovat. Existuje testovací model v Ball Aerospace v Boulder Colorado, kde se dostaneme do praxe a uvedeme 18 zrcadlových segmentů na místo. Každý segment má na sobě 7 motorů pro ovládání polohy a zakřivení, takže musíme tento znovu nacvičit.
S Hubbleem to nemohli udělat. Přáli si, aby mohli, a to mělo motory, ale nemohli dostatečně tvrdě tlačit. To je zajímavý příběh. Z Hubbleova poučení jsme se naučili, jak opravit optiku na základě obrázků, které jsme získali, takže to děláme záměrně pro tento dalekohled.
UT: O tom, jak bude spuštěn JWST, došlo k určitým sporům.
Mather: Vezmeme dalekohled do Francouzské Guyany a naložíme ho do rakety tam dole. ESA pro nás kupuje startovací vozidlo; je to raketa Ariane 5, komerční produkt z Evropy a v poslední době se jim povedlo dobře, takže je velmi spolehlivý.
To přirozeně způsobilo hodně kontroverze. I kdyby nám Evropa dávala startovní prostředek, byli bychom zde lidé, kteří by ho nechtěli přijmout. Jeho přijetí trvalo dva roky. To nás stálo peníze. Jediným důvodem, proč bylo přijato, bylo to, že jsme dostali nového správce, který by to přijal. To byl Mike Griffin, takže chci říci: "Mockrát děkuji Mike Griffin!"
UT: Váš tým musí před rokem 2013 ještě hodně udělat, což bude pravděpodobně tady, než to budete vědět!
Mather: Ano, já vím. Už je to přes 13 let, co mě NASA kontaktovala, ale teď se konec blíží. Při přípravě všeho máme před sebou spoustu technických výzev. A ještě jsme se nedostali dost daleko, abychom zjistili, kolik věcí jsme porušili nebo kolik chyb jsme udělali, ale myslím, že jsme docela dobře na to, abychom je vymysleli, než je uděláme.
Je velmi vzrušující sestavit zařízení poprvé. Máme kousky, máme obrázek na krabici, který ukazuje, kam jdou, a brzy brzy dokážeme, že spolupracují, nebo ne. Než dostaneme všechny části tady na Goddardu, budou všechny testovány jednotlivě, takže spolu budou hrát dobře. Ale příroda nemá rád aroganci, takže musíme celou věc otestovat od začátku do konce, stejně jako ji budeme používat za letu. Poté, co jsme to dali dohromady, vezmeme to dolů do Johnson Spaceflight Center a vložíme to do obří vakuové nádrže. Bude to mimořádný proces.
UT: Mockrát děkuji za rozhovor s námi.
Mather: To byla zábava. Rád vyprávím svůj příběh a jsem rád, že to chcete s námi říct. Myslel jsem, že by mohl být čas mluvit o tom, co děláme, protože se začínají objevovat vzrušující věci. Dějí se nádherné věci. Nyní máme nahoře Keplerovu observatoř a doufejme, že najdou hrst planet podobných Zemi, které budou sledovat, a my se na ně blíže podíváme.
