Проект “Космические телескопы их виды и модели”

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 

Глава 1.”Самый совершенный космический телескоп”

Глава 2.”Концепция телескопа Джеймс Уэбб”

Глава 3.”Научные инструменты, используемые на данном телескопе”

Глава 4.”Практическая часть”

Литература

Приложения

Глава 1-“Самый совершенный космический телескоп.

Джеймс Уэбб представляет собой орбитальную инфракрасную обсерваторию. Иными словами, ее задачей будет исследование теплового излучения космических объектов. Вспомним, что все тела, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. Среди главных задач будущего телескопа – выявление света первых звезд и галактик, которые появились после Большого взрыва. Это чрезвычайно сложно, так как движущийся в течение миллионов и миллиардов лет свет претерпевает существенные изменения. Так, видимое излучение той или иной звезды может быть полностью поглощено пылевым облаком. У большей части планет средняя температура редко превышает 0°C, а в ряде случаев она может опускаться ниже –100°C. Обнаружить такие объекты очень сложно. Но аппаратура, установленная на телескопе «Джеймс Уэбб», позволит выявлять экзопланеты, температура поверхности которых достигает 300 градусов Кельвина что равняется 26.85 градусам Цельсия, находящиеся дальше 12 астрономических единиц от своих звезд и удаленные от нас на расстояние до 15 световых лет

Всего можно будет наблюдать планеты, расположенные у нескольких десятков звезд, «соседствующих» с нашим Солнцем. Причем «Джеймс Уэбб» сможет увидеть не только сами планеты, но и их спутники. Иными словами, нас может ожидать революция по части изучения экзопланет. И, возможно, даже не одна. Если же говорить о Солнечной системе, то и здесь могут быть новые важные открытия. Дело в том, что чувствительная аппаратура телескопа сможет обнаружить и изучить объекты системы, имеющие температуру –170° С. Как известно, звезды, которые находятся на расстоянии 10 световых лет от нас, мы видим именно такими, какими они были 10 лет назад. Следовательно, расположенные на удалении более 13 млрд световых лет объекты мы наблюдаем в том виде, какими они являлись почти сразу после Большого взрыва, который, как считается, произошел 13,7 млрд лет назад. Приборы, установленные на новом телескопе, позволят увидеть на 800 миллионов дальше, чем «Хаббл», установивший рекорд в своей время. Так что можно будет увидеть Вселенную, какой она была всего лишь через 100 миллионов лет после Большого взрыва. Джеймс Уэбб весит 6.2 тонны, это в 2 раза меньше чем масса телескопа Хаббл. При этом Хаббл был намного меньше по своим размерам. (Приложение 1)

Глава 2 “Концепция телескопа Джеймс Уэбб”

Для изготовления щита была использована особая специальная полимерная пленка, покрытая тонким слоем алюминия с одной стороны и металлическим кремнием с другой. Целью данных шагов является защита от солнечных лучей и охлаждение сверхчувствительных матриц телескопа до –220° C. Без этого телескоп будет «ослеплен» инфракрасным свечением своих деталей и о наблюдении далеких объектов придется забыть. Больше всего в глаза бросается зеркало нового телескопа. Оно необходимо для фокусировки пучков света — зеркало их выпрямляет и создает четкую картину, при этом цветовые искажения убираются. Диаметр зеркала Джеймса Уэбба составляет 6.5 метров. Диаметр основного зеркала для нового телескопа выбран неспроста – именно столько необходимо для измерения света самых далеких галактик.

Для зеркала «Уэбба» использован особый тип бериллия, представляющий собой мелкий порошок. Его помещают в контейнер из нержавеющей стали, после чего прессуют в плоскую форму. После удаления стального контейнера кусок бериллия разрезают на две части, делая заготовки зеркала, каждая из которых используется для создания одного сегмента. Каждый из них стачивают и полируют, а затем охлаждают до температуры –240 °C. Затем происходит уточнение размеров сегмента, его окончательная полировка, а также нанесение золота на переднюю часть. В конце сегмент подвергают повторным испытаниям при криогенных температурах. (Приложение 2)

Учеными было рассмотрено несколько вариантов того, из чего может быть сделано зеркало, но в конечном итоге специалисты остановили свой выбор на бериллии – легком и относительно твердом металле, стоимость которого весьма высока. Одной из причин данного шага стало то, что бериллий сохраняет свою форму в условиях криогенных температур. Само зеркало по форме напоминает круг – это позволяет максимально компактно фокусировать свет на детекторах. Основное зеркало состоит из 18 сегментов, которые раскроются после вывода аппарата на орбиту. Элементы зеркала имеют золотой цвет. За счет позолоты обеспечивается наилучшее отражение света в инфракрасном диапазоне: золото будет эффективно отражать ИК-излучение с длиной волны от 0,6 до 28,5 микрометра. Толщина золотого слоя составляет 100 нанометров, а общий вес покрытия равен 48,25 грамма. 

Глава 3 “Научные инструменты используемые на данном телескопе”

Чтобы телескоп работал как нужно, и фотографировал далёкие созвездия, на нем должны быть следующие научные инструменты:

–NIRCam(камера ближнего инфракрасного диапазона) 
–NIRSpec(спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) 
–MIRI(прибор среднего инфракрасного диапазона) 
– FGS/NIRISS (датчик точного наведения и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф)

NIRCam(Приложение 3)

Камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam – основной блок формирования изображения. Это своего рода «главные глаза» телескопа. Рабочий диапазон камеры – от 0,6 до 5 микрометров. Снимки, сделанные ею, будут впоследствии изучаться другими инструментами. Именно при помощи NIRCam ученые хотят увидеть свет от самых ранних объектов Вселенной на заре их формирования. Кроме этого, за счет инструмента будут изучены молодые звезды нашей Галактики, создана карта темной материи и многое другое. Важная особенность NIRCam – наличие коронографа, позволяющего увидеть планеты вокруг далеких звезд. Это станет возможным благодаря подавлению света последних. 

NIRSpec(Приложение 4)

При помощи спектрографа ближнего инфракрасного диапазона можно будет собирать информацию, касающуюся как физических свойств объектов, так и их химического состава. Спектрография занимает очень много времени, однако при помощи технологии микрозатворов можно будет проводить наблюдения за сотней объектов на площади неба 3×3 угловых минуты. Каждая ячейка микрозатворов NIRSpec имеет крышку, которая открывается и закрывается под влиянием магнитного поля. Ячейка имеет индивидуальное управление: в зависимости от того, закрыта она или открыта, информация об исследуемый части неба предоставляется или же, наоборот, блокируется. 

MIRI(Приложение 5)

Прибор среднего инфракрасного диапазона работает в диапазоне 5–28 микрометров. Данное устройство включает в себя камеру с датчиком, который имеет разрешение 1024×1024 пикселя, а также спектрограф. Три массива мышьяко-кремниевых детекторов делают MIRI самым чувствительным прибором в арсенале телескопа «Джеймс Уэбб». Предполагается, что с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона удастся различить рождающиеся звезды, многие ранее неизвестные объекты пояса Койпера, красное смещение очень далеких галактик, а также загадочную гипотетическую планету X (она же девятая планета Солнечной системы). Номинальной рабочей температурой для MIRI являются 7 К. Одна лишь пассивная система охлаждения не способна ее обеспечить: для этого используются два уровня. Сначала с помощью пульсационной трубы телескоп охлаждается до 18 К, а потом температура понижается до 7 К при помощи теплообменника с адиабатическим дросселированием. 

FGS/NIRISS(Приложение 6)

FGS/NIRISS состоит из двух приборов – датчика точного наведения и устройства формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевого спектрографа. Фактически NIRISS дублирует функции NIRCam и NIRSpec. Работающее в диапазоне 0,8–5,0 микрометров устройство будет обнаруживать «первый свет» от далеких объектов, наводя на них оборудование.

Глава 4 “Практическая часть”

На телескопе будут установлены две антенны работающие в Ka диапазоне до 26 ГГц. Так за день он будет собирать до 58 гб информации, так как в телескопе установлен SSD накопитель объемом всего на 68 гб. Хранилище будет предназначено для краткосрочного использования, так телескоп будет отправлять данные на землю каждый день.

Для того, чтобы телескоп мог работать в то время, когда его топливо закончиться, будут установлены 3 панели солнечных батарей, которые будут снабжать телескоп электроэнергией. Одна солнечная батарея будет снабжать механизмы телескопа, а остальные будут напрямую подключены к системе управления, тогда телескоп сможет прослужить до 25 лет, если не произойдет ЧП в космосе, в виде аварии с астероидом.

Некоторые материалы которые использовались в телескопе будет заменены а именно - это замена основного зеркала, Бериллий с золотым напылением будет заменён на супер сплав с золотым напылением (он был создан основе никеля, обладает высокой прочностью и устойчивостью к повышенным температурам, его название Inconel 625), этот сплав намного дешевле чем бериллий, но он не уступает ему по прочности и надежности.
Цена на Inconnel 625 варьируется от 3 800 руб до 5 700 руб за килограмм

Цена на Бериллий металлический 99,85% варьируется от 130 000 руб до 200 000 руб за килограмм.

Литература

Книжные и учебные пособия:

Максутов Д. Д “Астрономическая оптика” 1979

Пинигин Г.И “Телескопы наземной оптической астрономии” 2000

Роберт Смит, Роберт Киршнер, Дэвид Деворкин. “Космос. Уникальные снимки телескопа Хаббл” 2020

Электронные ресурсы:

“Джеймс Уэбб”: как устроен самый совершенный космический телескоп URL:https://naked-science.ru/article/nakedscience/dzheyms-uebb-kak-ustroen

“Джеймс Уэбб”: 35 лет от задумки до первого снимка URL:https://habr.com/ru/post/670044/

Галерея ресурсов связанных с телескопом URL:https://webbtelescope.org/resource-gallery/images

Космический телескоп Хаббл URL: https://habr.com/ru/post/410735/

История космических телескопов URL: https://www.mirf.ru/science/istoriya-kosmicheskih-teleskopov/

Какие космические телескопы работают в космосе URL: https://hi-news.ru/research-development/kakie-kosmicheskie-teleskopy-rabotayut-v-kosmose.html

Приложение

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6