Telescopio spaziale James Webb: cos’è, astronomia a infrarossi

Il James Webb Space Telescope ( JWST ) è un telescopio spaziale che conduce l’astronomia a infrarossi. Essendo il più grande telescopio ottico nello spazio, la sua alta risoluzione e sensibilità gli consentono di visualizzare oggetti troppo vecchi, distanti o deboli per il telescopio spaziale Hubble . Ciò che deriva in molti campi dell’astronomia e della cosmologia , come l’osservazione delle prime galassie e la caratterizzazione atmosferica dettagliata di esopianeti abitabili.

La National Aeronautics and Space Administration (NASA) degli Stati Uniti ha guidato la progettazione e lo sviluppo di JWST e ha collaborato con due agenzie canadese principali: l’ Agenzia spaziale europea (ESA) e l’ Agenzia spaziale (CSA). Il Goddard Space Flight Center (GSFC) della NASA nel Maryland ha gestito lo sviluppo del telescopio, lo Space Telescope Science Institute di Baltimora nell’Homewood Campus della Johns Hopkins University gestisce JWST e l’appaltatore principale dell’era Northrop Grumman . Il telescopio prende il nome daJames E. Webb , che era l’ amministratore della NASA dal 1961 al 1968 durante i programmi Mercury , Gemini e Apollo .

Il James Webb Space Telescope è stato lanciato il 25 dicembre 2021 su un razzo Ariane 5 da Kourou , nella Guyana francese , ed è arrivato al punto Sun-Earth L 2 di Lagrange nel gennaio 2022. La prima immagine JWST è stata rilasciata al pubblico tramite una conferenza stampa l’11 luglio 2022. Dal rilascio della prima immagine JWST, la NASA ha pubblicato settimanalmente nuove immagini del James Webb Telescope.

Lo specchio principale di JWST è costituito da 18 segmenti di specchio esagonali realizzati in berillio placcato in oro , che combinati creano uno specchio di 6,5 metri di diametro (21 piedi), rispetto ai 2,4 m (7 piedi 10 pollici ) di Hubble. Ciò risulta a JWST un’area di raccolta della luce di circa 25 metri quadrati, circa sei volte quella di Hubble. A differenza di Hubble, che osserva nel vicino ultravioletto e nel visibile (da 0,1 a 0,8 μm) e nel vicino infrarosso (0,8–2,5 μm), JWST osserva in un intervallo di frequenza inferiore, dalla luce visibile a lunghezza d’onda lunga (rossa) attraverso medio infrarosso (0,6–28,3 μm). Il telescopio deve essere mantenuto estremamente freddo, al di sotto di 50 K (-223 °C; -370 °F), in modo tale che la lucerossa emessa dal telescopio stesso non interferisca con la luce raccolta. È dispiegato in un’orbita solare vicino al punto Lagrange Sole-Terra L 2 , a circa 1,5 milioni di chilometri (930.000 miglia) dalla Terra, dove il suoscudo solare a cinque strati lo protegge dal riscaldamento del Sole, della Terra e della Luna.

I progetti iniziali per il telescopio, allora chiamato Next Generation Space Telescope , iniziarono nel 1996 . Due studi concettuali sono stati commissionati nel 1999, per un potenziale lancio nel 2007 e un budget di 1 miliardo di dollari. Il programma è stato afflitto da enormi sforamenti e ritardi dei costi; un’importante riprogettazione nel 2005 ha portato all’approccio attuale, con la costruzione completata nel 2016 per un costo totale di 10 miliardi di dollari. La natura ad alto rischio del lancio e la complessità del telescopio sono state sottolineate dai media, dagli strumenti e dagli ingegneri.

Caratteristiche

Il telescopio spaziale James Webb ha una massa che è circa la metà della massa del telescopio spaziale Hubble . Il JWST ha uno specchio primario in berillio rivestito in oro di 6,5 metri (21 piedi) di diametro composto da 18 specchi esagonali separati. Lo specchio ha un’area levigata di 26,3 m 2 (283 piedi quadrati), di cui 0,9 m 2 (9,7 piedi quadrati) sono oscurati dai montanti di supporto secondari, per un’area di raccolta totale di 25,4 m 2 (273 piedi quadrati). Questo è oltre sei volte più grande dell’area di raccolta dello specchio di Hubble del diametro di 2,4 metri (7,9 piedi), che ha un’area di raccolta di 4,0 m 2 (43 piedi quadrati). Lo specchio ha un rivestimento dorato per fornire riflettività agli infrarossi e questo è coperto da un sottile strato di vetro per una maggiore durata.

JWST è progettato principalmente per l’astronomia nel vicino infrarosso , ma può anche vedere la luce visibile arancione e rossa, nonché la regione del medio infrarosso, a seconda dello strumento. Può rilevare oggetti fino a 100 volte più deboli di Hubble e oggetti molto precedenti nella storia dell’universo , tornando al redshift z≈20 (circa 180 milioni di anni dopo il Big Bang ). Per fare un confronto, si pensa che le prime stelle si siano formate tra z≈30 e z≈20 (100–180 milioni di anni di tempo cosmico), e le prime galassie potrebbero essersi formate attorno al redshift z≈15 (circa 270 milioni di anni di tempo cosmico). Hubble non è in grado di vedere più indietro rispetto alla reionizzazione molto precocea circa z≈11,1 (galassia GN-z11 , 400 milioni di anni di tempo cosmico).

Il design enfatizza il vicino e medio infrarosso per diversi motivi:

  • gli oggetti ad alto redshift (molto precoci e distanti) hanno le loro emissioni visibili spostate nell’infrarosso, e quindi la loro luce può essere osservata oggi solo tramite l’ astronomia infrarossa ;
  • la luce infrarossa passa più facilmente attraverso le nuvole di polvere rispetto alla luce visibile;
  • oggetti più freddi come dischi di detriti e pianeti emettono più fortemente nell’infrarosso;
  • queste bande infrarosse sono difficili da studiare da terra o da telescopi spaziali esistenti come Hubble.

Grafico approssimativo dell’assorbimento atmosferico (o opacità) della Terra a varie lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica, inclusa la luce visibile

I telescopi terrestri devono guardare attraverso l’atmosfera terrestre, che è opaca in molte bande dell’infrarosso (vedi figura a destra). Anche dove l’atmosfera è trasparente, molti dei composti chimici target, come acqua, anidride carbonica e metano, esistono anche nell’atmosfera terrestre , complicando enormemente l’analisi. I telescopi spaziali esistenti come Hubble non possono studiare queste bande poiché i loro specchi non sono sufficientemente freddi (lo specchio Hubble viene mantenuto a circa 15 °C [288 K; 59 °F]), il che significa che il telescopio stesso irradia fortemente nelle bande infrarosse pertinenti.

JWST può anche osservare oggetti nel Sistema Solare ad un angolo di oltre 85° dal Sole e con una velocità angolare apparente di movimento inferiore a 0,03 secondi d’arco al secondo. Questo include Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno, Plutone, i loro satelliti e comete , asteroidi e pianeti minori in corrispondenza o oltre l’ orbita di Marte . JWST ha la sensibilità nel vicino e nel medio infrarosso per essere in grado di osservare praticamente tutti gli oggetti della cintura di Kuiper conosciuti . Inoltre, può osservare obiettivi opportunistici e non pianificati entro 48 ore dalla decisione in tal senso, come supernove e lampi di raggi gamma .

Posizione e orbita

JWST opera in un’orbita ad alone , girando attorno a un punto nello spazio noto come punto di Lagrange Sole-Terra L 2 , a circa 1.500.000 km (930.000 mi) oltre l’orbita terrestre attorno al Sole. La sua posizione effettiva varia tra circa 250.000 e 832.000 km (155.000–517.000 mi) da L 2 mentre orbita, mantenendolo fuori dall’ombra della Terra e della Luna. A titolo di confronto, Hubble orbita a 550 km (340 mi) sopra la superficie terrestre e la Luna si trova a circa 400.000 km (250.000 mi) dalla Terra. Gli oggetti vicini a questo punto L2 Sole-Terra possono orbitare attorno al Sole in sincronia con la Terra, consentendo al telescopio di rimanere a una distanza più o meno costante con l’orientamento continuo del suo parasole e del bus dell’attrezzatura verso ilSole , Terra e Luna . In combinazione con la sua ampia orbita che evita le ombre, il telescopio può bloccare contemporaneamente il calore e la luce in entrata da tutti e tre questi corpi ed evitare anche i più piccoli cambiamenti di temperatura dalle ombre della Terra e della Luna che influenzerebbero la struttura, pur mantenendo ininterrotta l’energia solare e Comunicazioni terrestri sul lato rivolto verso il sole. Questa disposizione mantiene la temperatura del veicolo spaziale costante e al di sotto dei 50 K (-223 ° C; -370 ° F) necessari per deboli osservazioni a infrarossi.

Protezione solare

Unità di prova del parasole impilata e ampliata presso lo stabilimento di Northrop Grumman in California, 2014

Per effettuare osservazioni nello spettro infrarosso , JWST deve essere mantenuto al di sotto di 50 K (-223,2 ° C; -369,7 ° F); in caso contrario, la radiazione infrarossa del telescopio stesso travolgerebbe i suoi strumenti. Il suo grande parasole blocca la luce e il calore dal Sole , dalla Terra e dalla Luna , e la sua posizione vicino al Sole-Terra L2 mantiene tutti e tre i corpi sullo stesso lato del veicolo spaziale in ogni momento. La sua orbita di alone attorno al punto L2evita l’ombra della Terra e della Luna, mantenendo un ambiente costante per il parasole e i pannelli solari. La temperatura stabile risultante per le strutture sul lato oscuro è fondamentale per mantenere l’allineamento preciso dei segmenti dello specchio primario.

Il parasole a cinque strati, ogni strato sottile come un capello umano, è realizzato con una pellicola Kapton E , rivestita con alluminio su entrambi i lati e uno strato di silicio drogato sul lato rivolto verso il sole dei due strati più caldi per riflettere il calore del sole indietro nello spazio. Lacerazioni accidentali della delicata struttura della pellicola durante i test di implementazione nel 2018 hanno portato a ulteriori ritardi nel telescopio.

Il parasole è stato progettato per essere piegato dodici volte (stile concertina) in modo da adattarsi alla carenatura del carico utile del razzo Ariane 5 , che ha un diametro di 4,57 m (15,0 piedi) e una lunghezza di 16,19 m (53,1 piedi). Le dimensioni completamente dispiegate dello scudo erano pianificate come 14,162 m × 21,197 m (46,46 piedi × 69,54 piedi).

Mantenersi all’ombra del parasole limita il campo d’ osservazione di JWST in un dato momento. Il telescopio può vedere il 40 percento del cielo da qualsiasi posizione, ma può vedere tutto il cielo in un periodo di sei mesi.

Ottica

Ingegneri che puliscono uno specchio di prova con neve di anidride carbonica , 2015

Gruppo specchietto principale dalla parte anteriore con specchietti primari attaccati, novembre 2016

Picchi di diffrazione dovuti a segmenti speculari e codifica a colori del ragno

Lo specchio principale di JWST è un riflettore in berillio rivestito in oro di 6,5 m (21 piedi) di diametro con un’area di raccolta di 25,4 m 2 (273 piedi quadrati). Se fosse stato progettato come un unico grande specchio, sarebbe stato troppo grande per i veicoli di lancio esistenti. Lo specchio è quindi composto da 18 segmenti esagonali (una tecnica sperimentata da Guido Horn d’Arturo ), che si sono aperti dopo il lancio del telescopio. Il rilevamento del fronte d’onda del piano dell’immagine attraverso il recupero di fase viene utilizzato per posizionare i segmenti dello specchionella posizione corretta utilizzando micromotori molto precisi. Dopo questa configurazione iniziale, necessitano solo di aggiornamenti occasionali ogni pochi giorni per mantenere la concentrazione ottimale. Questo è diverso dai telescopi terrestri, ad esempio i telescopi Keck , che regolano continuamente i loro segmenti speculari usando l’ottica attiva per superare gli effetti del carico gravitazionale e del vento. Il telescopio Webb utilizza 132 piccoli motori (chiamati attuatori ) per posizionare e, occasionalmente, regolare l’ottica. Gli attuatori possono posizionare lo specchio con una  precisione di 10 nanometri .

Il design ottico di JWST è un anastigmat a tre specchi , che utilizza specchi secondari e terziari curvi per fornire immagini prive di aberrazioni ottiche su un ampio campo. Lo specchio secondario ha un diametro di 0,74 m (2,4 piedi). Inoltre, è presente un raffinato specchietto sterzante che può regolare la sua posizione molte volte al secondo per fornire la stabilizzazione dell’immagine . Le fotografie scattate dal JWST hanno sei punte più due più deboli a causa del ragno che sostiene lo specchio secondario.

Strumenti scientifici

NIRCam si è concluso nel 2013

Il gruppo di calibrazione, un componente dello strumento NIRSpec

MIRI

L’ Integrated Science Instrument Module (ISIM) è un framework che fornisce energia elettrica, risorse di calcolo, capacità di raffreddamento e stabilità strutturale al telescopio Webb. È realizzato con un composito grafite-epossidico legato attaccato alla parte inferiore della struttura del telescopio di Webb. L’ISIM contiene i quattro strumenti scientifici e una telecamera guida.

  • NIRCam (Near Infrared Camera) è un imager a infrarossi che ha una copertura spettrale che va dal bordo del visibile (0,6 μm) fino al vicino infrarosso (5 μm). Ci sono 10 sensori ciascuno da 4 megapixel. NIRCam funge da sensore del fronte d’onda dell’osservatorio, necessario per le attività di rilevamento e controllo del fronte d’onda, utilizzato per allineare e mettere a fuoco i segmenti principali dello specchio. NIRCam è stato costruito da un team guidato dall’Università dell’Arizona , con la ricercatrice principale Marcia J. Rieke .
  • NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) esegue la spettroscopia sulla stessa gamma di lunghezze d’onda. È stato costruito dall’Agenzia spaziale europea presso ESTEC a Noordwijk , Paesi Bassi. Il principale team di sviluppo comprende membri di Airbus Defence and Space , Ottobrunn e Friedrichshafen, Germania, e il Goddard Space Flight Center ; con Pierre Ferruit ( École normale supérieure de Lyon) come scienziato del progetto NIRSpec. Il design NIRSpec offre tre modalità di osservazione: una modalità a bassa risoluzione che utilizza un prisma, una modalità multi-oggetto R~1000 e un’unità di campo integrale R~2700 o una modalità di spettroscopia a fessura lunga. Il cambio delle modalità avviene azionando un meccanismo di preselezione della lunghezza d’onda chiamato Filter Wheel Assembly e selezionando un elemento dispersivo corrispondente (prisma o reticolo) usando il meccanismo di Grating Wheel Assembly. Entrambi i meccanismi si basano sui meccanismi di successo delle ruote ISOPHOT dell’Infrared Space Observatory . La modalità multi-oggetto si basa su un complesso meccanismo di micro-otturatore per consentire l’osservazione simultanea di centinaia di singoli oggetti ovunque nel campo visivo di NIRSpec. Ci sono due sensori ciascuno di 4 megapixel.
  • MIRI (Mid-Infrared Instrument) misura la gamma di lunghezze d’onda dell’infrarosso medio-lungo da 5 a 27 μm. Contiene sia una fotocamera a medio infrarosso che uno spettrometro di imaging . MIRI è stato sviluppato come una collaborazione tra la NASA e un consorzio di paesi europei, ed è guidato da George Rieke ( Università dell’Arizona ) e Gillian Wright ( UK Astronomy Technology Center , Edimburgo , Scozia). La temperatura del MIRI non deve superare i 6 K (-267 °C; -449 °F): un dispositivo di raffreddamento meccanico a gas elio situato sul lato caldo dello scudo ambientale fornisce questo raffreddamento.
  • FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph), guidato dall’Agenzia spaziale canadese sotto la guida dello scienziato del progetto John Hutchings ( Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center ), viene utilizzato per stabilizzare la linea di vista dell’osservatorio durante osservazioni scientifiche. Le misurazioni dell’FGS vengono utilizzate sia per controllare l’orientamento generale del veicolo spaziale sia per guidare lo specchio di sterzo fine per la stabilizzazione dell’immagine. L’Agenzia spaziale canadese ha anche fornito un modulo Near Infrared Imager e Slitless Spectrograph (NIRISS) per l’imaging astronomico e la spettroscopia nella gamma di lunghezze d’onda da 0,8 a 5 μm, guidato dal ricercatore principale René Doyon presso l’ Université de Montréal. Sebbene siano spesso indicati insieme come un’unità, il NIRISS e l’FGS hanno scopi completamente diversi, uno è uno strumento scientifico e l’altro è una parte dell’infrastruttura di supporto dell’osservatorio.

NIRCam e MIRI sono dotati di coronografi che bloccano la luce stellare per l’osservazione di deboli bersagli come pianeti extrasolari e dischi circumstellari molto vicini alle stelle luminose.

Autobus di veicoli spaziali

Schema del bus della navicella spaziale . Il pannello solare è in verde e i pannelli viola chiaro sono dei radiatori.

Il bus della navicella spaziale è il componente di supporto principale del telescopio spaziale James Webb, che ospita una moltitudine di parti di calcolo, comunicazione, energia elettrica, propulsione e strutturali. Insieme al parasole, costituisce l’elemento spaziale del telescopio spaziale . L’autobus della navicella si trova sul lato “caldo” rivolto al sole del parasole e opera a una temperatura di circa 300 K (27 ° C; 80 ° F).

La struttura del bus del veicolo spaziale ha una massa di 350 kg (770 libbre) e deve supportare il telescopio spaziale da 6.200 kg (13.700 libbre). È realizzato principalmente in materiale composito di grafite. È stato assemblato in California , l’assemblaggio è stato completato nel 2015 e poi ha dovuto essere integrato con il resto del telescopio spaziale prima del suo lancio nel 2021. Il bus del veicolo spaziale può ruotare il telescopio con una precisione di puntamento di un secondo d’ arco e isola le vibrazioni fino a due milliarco di secondo.

Webb ha due coppie di motori a razzo (una coppia per la ridondanza) per apportare correzioni di rotta sulla strada per L 2 e per mantenere la stazione  , mantenendo la posizione corretta nell’orbita dell’alone. Otto propulsori più piccoli vengono utilizzati per il controllo  dell’assetto, il corretto puntamento del veicolo spaziale. I motori utilizzano carburante idrazina (159 litri o 42 galloni USA al lancio) e tetrossido di diazoto come ossidante (79,5 litri o 21,0 galloni USA al lancio).

Assistenza

JWST non è concepito per essere servito nello spazio. Una missione con equipaggio per riparare o aggiornare l’osservatorio, come è stato fatto per Hubble, non sarebbe attualmente possibile e secondo l’amministratore associato della NASA Thomas Zurbuchen, nonostante i migliori sforzi, una missione remota senza equipaggio è risultata al di là della tecnologia attuale al momento della progettazione di JWST. Durante il lungo periodo di test JWST, i funzionari della NASA hanno fatto riferimento all’idea di una missione di manutenzione, ma non è stato annunciato alcun piano. Dopo il successo del lancio, la NASA ha affermato che tuttavia sono state apportate sistemazioni limitate per facilitare le future missioni di manutenzione. Queste sistemazioni includevano indicatori di guida precisi sotto forma di croci sulla superficie del JWST, da utilizzare per missioni di assistenza a distanza, nonché serbatoi di carburante ricaricabili, protezioni termiche rimovibili e punti di attacco accessibili.

Confronto con altri telescopi

Confronto con lo specchio primario del telescopio spaziale Hubble

Confronto delle dimensioni dello specchio primario tra JWST e Hubble

Il desiderio di un grande telescopio spaziale a infrarossi risale a decenni fa. Negli Stati Uniti, lo Space Infrared Telescope Facility (in seguito chiamato Spitzer Space Telescope ) è stato pianificato mentre lo Space Shuttle era in fase di sviluppo e il potenziale dell’astronomia a infrarossi è stato riconosciuto in quel momento. A differenza dei telescopi terrestri, gli osservatori spaziali erano privi di assorbimento atmosferico di luce infrarossa. Gli osservatori spaziali hanno aperto un “cielo nuovo” per gli astronomi.

L’atmosfera tenue al di sopra dell’altitudine di volo nominale di 400 km non ha assorbimento misurabile, quindi i rivelatori che operano a tutte le lunghezze d’onda da 5 μm a 1000 μm possono raggiungere un’elevata sensibilità radiometrica.

—  SG McCarthy e GW Autio, 1978.

Tuttavia, i telescopi a infrarossi hanno uno svantaggio: devono rimanere estremamente freddi e più lunga è la lunghezza d’onda dell’infrarosso, più freddi devono essere. In caso contrario, il calore di fondo del dispositivo stesso travolge i rilevatori, rendendolo effettivamente cieco. Questo può essere superato con un’attenta progettazione del veicolo spaziale, in particolare posizionando il telescopio in un dewar con una sostanza estremamente fredda, come l’elio liquido . Il liquido di raffreddamento vaporizzerà lentamente, limitando la durata dello strumento da pochi mesi a pochi anni al massimo.

In alcuni casi, è possibile mantenere una temperatura sufficientemente bassa attraverso la progettazione del veicolo spaziale da consentire osservazioni nel vicino infrarosso senza una fornitura di refrigerante, come le missioni estese dello Spitzer Space Telescope e del Wide-field Infrared Survey Explorer , che ha operato a capacità ridotta dopo l’esaurimento del liquido di raffreddamento. Un altro esempio è lo strumento NICMOS ( Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer ) di Hubble, che ha iniziato utilizzando un blocco di ghiaccio di azoto che si è esaurito dopo un paio d’anni, ma è stato poi sostituito durante la missione di manutenzione STS-109 con un criorefrigeratoreche funzionava continuamente. Il James Webb Space Telescope è progettato per raffreddarsi senza un dewar, utilizzando una combinazione di schermi solari e radiatori, con lo strumento a medio infrarosso che utilizza un criorefrigeratore aggiuntivo.

Telescopi e strumenti spaziali selezionati
Nome Anno di lancio Lunghezza d’onda
(μm)
Apertura
(m)
Raffreddamento
Telescopio a infrarossi Spacelab (IRT) 1985 1.7–118 0,15 Elio
Osservatorio spaziale a infrarossi (ISO) 1995 2,5–240 0,60 Elio
Spettrografo per immagini del telescopio spaziale Hubble ( STIS) 1997 0,115–1,03 2.4 Passivo
Hubble Near Infrared Camera e spettrometro multioggetto (NICMOS) 1997 0,8–2,4 2.4 Azoto, poi criorefrigeratore
Telescopio spaziale Spitzer 2003 3–180 0,85 Elio
Hubble Wide Field Camera 3 (WFC3) 2009 0,2–1,7 2.4 Passivo e termoelettrico
Osservatorio spaziale Herschel 2009 55–672 3.5 Elio
Telescopio spaziale James Webb 2021 0,6–28,5 6.5 Passivo e criorefrigeratore (MIRI)

I ritardi e gli aumenti dei costi di JWST sono stati paragonati a quelli del suo predecessore, il telescopio spaziale Hubble . Quando Hubble iniziò formalmente nel 1972, aveva un costo di sviluppo stimato di 300 milioni di dollari (o circa 1 miliardo di dollari nel 2006 in dollari costanti), ma quando fu mandato in orbita nel 1990, il costo era circa quattro volte quello. Inoltre, nuovi strumenti e missioni di manutenzione hanno aumentato il costo fino ad almeno 9 miliardi di dollari entro il 2006.

Storia dello sviluppo

Contesto (sviluppo fino al 2003)

Traguardi importanti
Anno Pietra miliare
1996 Proposta per la prima volta il progetto Next Generation Space Telescope (dimensioni dello specchio: 8 m)
2001 Cancellato il telescopio spaziale NEXUS, un precursore del telescopio spaziale di nuova generazione
2002 Progetto proposto ribattezzato James Webb Space Telescope, (dimensioni dello specchio ridotte a 6 m)
2003 Northrop Grumman si aggiudica l’appalto per la costruzione di un telescopio
2007 Firmato il protocollo d’intesa tra la NASA e l’ESA
2010 Superato il Mission Critical Design Review (MCDR).
2011 Proposta di annullamento
2016 Assemblaggio finale completato
2021 Lancio

Le discussioni su un seguito di Hubble sono iniziate negli anni ’80, ma una pianificazione seria è iniziata all’inizio degli anni ’90. Il concetto di telescopio Hi-Z è stato sviluppato tra il 1989 e il 1994: un telescopio a infrarossi con apertura di 4 m (13 piedi) completamente sconcertato che si sarebbe ritirato su un’orbita a 3 unità astronomiche (AU). Questa orbita lontana avrebbe beneficiato della riduzione del rumore luminoso della polvere zodiacale . Altri primi piani prevedevano una missione del telescopio precursore NEXUS.

La correzione dell’ottica difettosa del telescopio spaziale Hubble nei suoi primi anni ha svolto un ruolo significativo nella nascita del JWST. Nel 1993, la NASA ha condotto STS-61 , la missione dello Space Shuttle che ha sostituito la telecamera dell’HST e ha installato un retrofit per il suo spettrografo di imaging per compensare l’ aberrazione sferica nel suo specchio primario .

L’HST & Beyond Committee è stato formato nel 1994 “per studiare possibili missioni e programmi per l’astronomia ottico-ultravioletta nello spazio per i primi decenni del 21° secolo”. Incoraggiato dal successo dell’HST, il suo rapporto del 1996 ha esplorato il concetto di un telescopio sensibile all’infrarosso più grande e molto più freddo che potrebbe tornare indietro nel tempo cosmico fino alla nascita delle prime galassie. Questo obiettivo scientifico ad alta priorità era al di là delle capacità dell’HST perché, essendo un telescopio caldo, è accecato dall’emissione infrarossa del proprio sistema ottico. Oltre alle raccomandazioni per estendere la missione HST al 2005 e per sviluppare tecnologie per trovare pianeti intorno ad altre stelle, la NASA ha abbracciato la raccomandazione principale di HST & Beyond per un grande telescopio spaziale freddo (raffreddato per radiazione molto al di sotto di 0 °C),

La preparazione per l’ Astronomy and Astrophysics Decadal Survey del 2000 (una revisione della letteratura prodotta dal National Research Council degli Stati Uniti che include l’identificazione delle priorità di ricerca e la formulazione di raccomandazioni per il prossimo decennio) includeva l’ulteriore sviluppo del programma scientifico per quello che divenne noto come Next Generation Space Telescopio e progressi nelle tecnologie pertinenti da parte della NASA. Man mano che maturava, studiando la nascita delle galassie nel giovane universo e cercando pianeti attorno ad altre stelle, gli obiettivi principali si unirono quando “Origini” di HST & Beyond divennero importanti.

Come sperato, l’NGST ha ricevuto il punteggio più alto nel Decadal Survey 2000.

Un amministratore della NASA , Dan Goldin , ha coniato l’espressione ” più veloce, migliore, più economico “, e ha optato per il prossimo grande cambiamento di paradigma per l’astronomia, ovvero rompere la barriera di un singolo specchio. Ciò significava passare da “eliminare le parti mobili” a “imparare a convivere con le parti mobili” (cioè l’ottica segmentata). Con l’obiettivo di ridurre di dieci volte la densità di massa, è stato inizialmente esaminato il carburo di silicio con uno strato molto sottile di vetro sulla parte superiore, ma alla fine è stato selezionato il berillio .

L’era della metà degli anni ’90 del “più veloce, migliore, più economico” ha prodotto il concetto NGST, con un’apertura di 8 m (26 piedi) per volare su L2 , stimata approssimativamente in un costo di 500 milioni di dollari. Nel 1997, la NASA ha collaborato con il Goddard Space Flight Center, Ball Aerospace & Technologies e TRW per condurre studi sui requisiti tecnici e sui costi dei tre diversi concetti e nel 1999 ha selezionato Lockheed Martin e TRW per studi concettuali preliminari. Il lancio era previsto a quel tempo per il 2007, ma la data di lancio è stata posticipata molte volte (vedi tabella più in basso ).

Nel 2002, il progetto è stato ribattezzato in onore del secondo amministratore della NASA (1961–1968), James E. Webb (1906–1992). Webb ha guidato l’agenzia durante il programma Apollo e ha stabilito la ricerca scientifica come attività centrale della NASA.

Nel 2003, la NASA ha assegnato a TRW il contratto principale da 824,8 milioni di dollari per JWST. Il progetto prevedeva uno specchio primario senza mirino da 6,1 m (20 piedi) e una data di lancio nel 2010. Nello stesso anno, TRW è stata acquisita da Northrop Grumman con un’offerta ostile ed è diventata Northrop Grumman Space Technology.

Sviluppo iniziale e riprogrammazione (2003-2007)

Primo modello in scala reale in mostra al Goddard Space Flight Center della NASA (2005)

Lo sviluppo è stato gestito dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, con John C. Mather come scienziato del progetto. L’appaltatore principale era Northrop Grumman Aerospace Systems, responsabile dello sviluppo e della costruzione dell’elemento del veicolo spaziale, che includeva il bus satellitare , lo schermo solare, il Deployable Tower Assembly (DTA) che collega l’ elemento del telescopio ottico al bus del veicolo spaziale e il Mid Boom Assembly (MBA). ) che aiuta a dispiegare i grandi schermi solari in orbita, mentre Ball Aerospace & Technologies è stata subappaltata per sviluppare e costruire l’OTE stesso e l’ Integrated Science Instrument Module (ISIM).

La crescita dei costi rivelata nella primavera del 2005 ha portato a una riprogrammazione dell’agosto 2005. I principali risultati tecnici della riprogrammazione sono stati cambiamenti significativi nei piani di integrazione e test, un ritardo di lancio di 22 mesi (dal 2011 al 2013) e l’eliminazione dei test a livello di sistema per le modalità di osservazione a lunghezze d’onda inferiori a 1,7 μm. Altre caratteristiche principali dell’osservatorio sono rimaste invariate. Dopo la riprogettazione, il progetto è stato rivisto in modo indipendente nell’aprile 2006.

Nella riprogrammazione del 2005, il costo del ciclo di vita del progetto è stato stimato in 4,5 miliardi di dollari. Ciò comprendeva circa 3,5 miliardi di dollari per la progettazione, lo sviluppo, il lancio e la messa in servizio e circa 1,0 miliardi di dollari per dieci anni di attività. L’ESA ha accettato nel 2004 di contribuire con circa 300 milioni di euro, compreso il lancio. L’ Agenzia spaziale canadese ha promesso 39 milioni di dollari canadesi nel 2007 e nel 2012 ha fornito i suoi contributi in apparecchiature per puntare il telescopio e rilevare le condizioni atmosferiche su pianeti lontani.

Progettazione dettagliata e costruzione (2007–2021)

Un segmento mirror JWST, 2010
Segmenti speculari sottoposti a test criogenici presso la struttura a raggi X e criogenica del Marshall Space Flight Center

Il telescopio assemblato dopo i test ambientali

Nel gennaio 2007, nove dei dieci elementi di sviluppo tecnologico del progetto hanno superato con successo una revisione da parte di non avvocati. Queste tecnologie sono state ritenute sufficientemente mature per ritirare rischi significativi nel progetto. Il restante elemento di sviluppo tecnologico (il criorefrigeratore MIRI ) ha completato la sua pietra miliare di maturazione tecnologica nell’aprile 2007. Questa revisione tecnologica ha rappresentato la fase iniziale del processo che alla fine ha spostato il progetto nella sua fase di progettazione dettagliata (Fase C). Entro maggio 2007, i costi erano ancora in linea con l’obiettivo. Nel marzo 2008, il progetto ha completato con successo la Preliminary Design Review (PDR). Nell’aprile 2008, il progetto ha superato la Non-Advocate Review. Altre revisioni passate includono la revisione dell’Integrated Science Instrument Module nel marzo 2009, ilLa revisione dell’elemento del telescopio ottico è stata completata nell’ottobre 2009 e la revisione dello scudo solare è stata completata nel gennaio 2010.

Nell’aprile 2010, il telescopio ha superato la parte tecnica della sua Mission Critical Design Review (MCDR). Il superamento dell’MCDR significava che l’osservatorio integrato può soddisfare tutti i requisiti scientifici e ingegneristici per la sua missione. L’MCDR comprendeva tutte le precedenti revisioni del design. Il programma del progetto è stato rivisto durante i mesi successivi all’MCDR, in un processo chiamato Independent Comprehensive Review Panel, che ha portato a una riprogrammazione della missione con l’obiettivo di un lancio nel 2015, ma non più tardi del 2018. Entro il 2010, i costi sono stati eccessivi. le corse hanno avuto un impatto su altri progetti, sebbene lo stesso JWST sia rimasto nei tempi previsti.

Entro il 2011, il progetto JWST era nella fase finale di progettazione e fabbricazione (Fase C).

L’assemblaggio dei segmenti esagonali dello specchio primario, che è stato effettuato tramite un braccio robotico, è iniziato nel novembre 2015 ed è stato completato il 3 febbraio 2016. Lo specchio secondario è stato installato il 3 marzo 2016. La costruzione finale del telescopio Webb è stata completata nel novembre 2016 , dopo di che sono iniziate le procedure di test approfondite.

Nel marzo 2018, la NASA ha ritardato il lancio di JWST di altri 2 anni a maggio 2020 dopo che il parasole del telescopio si è strappato durante un dispiegamento di prova e i cavi del parasole non si sono serrati sufficientemente. Nel giugno 2018, la NASA ha ritardato il lancio di altri 10 mesi a marzo 2021, sulla base della valutazione del comitato di revisione indipendente convocato dopo il fallimento del test di marzo 2018. La revisione ha identificato che il lancio e il dispiegamento di JWST avevano 344 potenziali guasti in un singolo punto , attività che non avevano alternative o mezzi di ripristino in caso di esito negativo e quindi dovevano avere successo affinché il telescopio funzionasse. Nell’agosto 2019 è stata completata l’integrazione meccanica del telescopio, cosa che doveva essere eseguita 12 anni prima nel 2007.

Dopo il completamento della costruzione, JWST è stato sottoposto ai test finali presso uno stabilimento Northrop Grumman a Redondo Beach, in California. Una nave che trasportava il telescopio ha lasciato la California il 26 settembre 2021, ha attraversato il Canale di Panama ed è arrivata nella Guyana francese il 12 ottobre 2021.

Problemi di costi e orari

Il costo della vita della NASA per il progetto dovrebbe essere di 9,7 miliardi di dollari, di cui 8,8 miliardi di dollari sono stati spesi per la progettazione e lo sviluppo di veicoli spaziali e 861 milioni di dollari sono previsti per supportare cinque anni di operazioni di missione. I rappresentanti di ESA e CSA hanno dichiarato che i loro contributi ai progetti ammontano rispettivamente a circa 700 milioni di euro e 200 milioni di dollari canadesi.

Uno studio del 1984 dello Space Science Board ha stimato che costruire in orbita un osservatorio a infrarossi di prossima generazione costerebbe 4 miliardi di dollari (7 miliardi di dollari nel 2006 o 10 miliardi di dollari nel 2020). Sebbene questo si avvicinasse al costo finale di JWST, il primo progetto della NASA considerato alla fine degli anni ’90 era più modesto, puntando a un prezzo di $ 1 miliardo in 10 anni di costruzione. Nel tempo questo progetto si è ampliato, ha aggiunto finanziamenti per gli imprevisti e ha avuto ritardi nella programmazione.

Lancio pianificato e budget totale
Anno Lancio pianificato Piano di budget
(miliardi di dollari)
1998 2007 1
2000 2009 1.8
2002 2010 2.5
2003 2011 2.5
2005 2013 3
2006 2014 4.5
2008: Revisione preliminare del progetto
2008 2014 5.1
2010: Revisione del design critico
2010 2015-2016 6.5
2011 2018 8.7
2017 2019 8.8
2018 2020 ≥8,8
2019 marzo 2021 9.66
2021 dicembre 2021 9.70

Nel 2008, quando il progetto è stato sottoposto alla revisione preliminare del progetto ed è stato formalmente confermato per la costruzione, oltre 1 miliardo di dollari era già stato speso per lo sviluppo del telescopio e il budget totale era stimato a circa 5 miliardi di dollari (equivalenti a 6,94 miliardi di dollari nel 2021). Nell’estate 2010, la missione ha superato la Critical Design Review (CDR) con voti eccellenti su tutte le questioni tecniche, ma all’epoca la senatrice americana del Maryland Barbara Mikulski ha spinto la senatrice statunitense del Marylandchiedere una revisione esterna del progetto. L’Independent Comprehensive Review Panel (ICRP) presieduto da J. Casani (JPL) ha rilevato che la prima data di lancio possibile era alla fine del 2015 a un costo aggiuntivo di 1,5 miliardi di dollari (per un totale di 6,5 miliardi di dollari). Hanno anche sottolineato che ciò avrebbe richiesto finanziamenti aggiuntivi nell’esercizio 2011 e nell’esercizio 2012 e che qualsiasi data di lancio successiva comporterebbe un costo totale più elevato.

Il 6 luglio 2011, il comitato per gli stanziamenti della Camera dei rappresentanti degli Stati Uniti per il commercio, la giustizia e la scienza si è mosso per annullare il progetto James Webb proponendo un budget per l’esercizio 2012 che ha rimosso 1,9 miliardi di dollari dal budget complessivo della NASA, di cui circa un quarto era per JWST. Erano stati spesi 3 miliardi di dollari e il 75% del suo hardware era in produzione. Questa proposta di bilancio è stata approvata dal voto di sottocommissione il giorno successivo. Il comitato ha accusato il progetto di “miliardi di dollari fuori budget e afflitto da una cattiva gestione”. In risposta, l’ American Astronomical Societyha rilasciato una dichiarazione a sostegno del JWST, così come il senatore Mikulski. Anche nel 2011 sono apparsi sulla stampa internazionale numerosi editoriali a sostegno di JWST. Nel novembre 2011, il Congresso ha annullato i piani per annullare JWST e ha invece limitato i finanziamenti aggiuntivi per completare il progetto a 8 miliardi di dollari.

Sebbene problemi simili avessero interessato altri importanti progetti della NASA come il telescopio Hubble, alcuni scienziati hanno espresso preoccupazione per l’aumento dei costi e i ritardi nella pianificazione del telescopio Webb, preoccupati che il suo budget potesse essere in competizione con quelli di altri programmi di scienze spaziali. Un articolo di Nature del 2010 descriveva il JWST come “il telescopio che ha mangiato l’astronomia”. La NASA ha continuato a difendere il budget e la tempistica del programma al Congresso.

Nel 2018, Gregory L. Robinson è stato nominato nuovo direttore del programma Webb. A Robinson è stato attribuito il merito di aver aumentato l’efficienza del programma del programma (quante misure sono state completate in tempo) dal 50% al 95%. Per il suo ruolo nel migliorare le prestazioni del programma Webb, il supervisore di Robinsons, Thomas Zurbuchen , lo ha definito “il leader di missione più efficace che abbia mai visto nella storia della NASA”. Nel luglio 2022, dopo che il processo di messa in servizio di Webb è stato completato e ha iniziato a trasmettere i suoi primi dati, Robinson si è ritirato dopo una carriera di 33 anni alla NASA.

Il 27 marzo 2018, la NASA ha posticipato il lancio a maggio 2020 o più tardi, con una stima dei costi finale che arriverà dopo che una nuova finestra di lancio è stata determinata con l’ Agenzia spaziale europea (ESA). Nel 2019, il suo tetto ai costi della missione è stato aumentato di 800 milioni di dollari. Dopo che le finestre di lancio sono state sospese nel 2020 a causa della pandemia di COVID-19, JWST è stato finalmente lanciato alla fine del 2021, con un budget totale di poco meno di 10 miliardi di dollari.

Collaborazione

La NASA, l’ESA e la CSA collaborano al telescopio dal 1996. La partecipazione dell’ESA alla costruzione e al lancio è stata approvata dai suoi membri nel 2003 e un accordo è stato firmato tra l’ESA e la NASA nel 2007. In cambio della piena collaborazione, rappresentanza e accesso all’osservatorio per i suoi astronomi, l’ESA fornisce lo strumento NIRSpec, l’Optical Bench Assembly dello strumento MIRI, un lanciatore Ariane 5 ECA e manodopera per supportare le operazioni. Il CSA ha fornito il sensore di guida fine e lo spettrografo a fessura per immagini nel vicino infrarosso e la manodopera a supporto delle operazioni.

Diverse migliaia di scienziati, ingegneri e tecnici in 15 paesi hanno contribuito alla costruzione, al test e all’integrazione del JWST. Al progetto pre-lancio hanno partecipato 258 aziende, agenzie governative e istituzioni accademiche; 142 dagli Stati Uniti, 104 da 12 paesi europei (di cui 21 dal Regno Unito, 16 dalla Francia, 12 dalla Germania e 7 internazionali) e 12 dal Canada. Altri paesi come partner della NASA, come l’Australia, sono stati coinvolti nelle operazioni post-lancio.

Paesi partecipanti:

  •  Austria
  •  Belgio
  •  Canada
  •  Repubblica Ceca
  •  Danimarca
  •  Finlandia
  •  Francia
  •  Germania
  •  Grecia
  •  Irlanda
  •  Italia
  •  Lussemburgo
  •  Olanda
  •  Norvegia
  •  Portogallo
  •  Spagna
  •  Svezia
  •  Svizzera
  •  Regno Unito
  •  stati Uniti

Polemica sul nome

In 2002, NASA administrator (2001–2004) Sean O’Keefe made the decision to name the telescope after James E. Webb, the administrator of NASA from 1961 to 1968 during the Mercury, Gemini, and much of the Apollo programs.

In 2015, concerns were raised around Webb’s role in the lavender scare, the mid-20th-century persecution by the U.S. government targeting homosexuals in federal employment.

Mission goals

The James Webb Space Telescope has four key goals:

  • to search for light from the first stars and galaxies that formed in the universe after the Big Bang
  • to study galaxy formation and evolution
  • to understand star formation and planet formation
  • to study planetary systems and the origins of life

These goals can be accomplished more effectively by observation in near-infrared light rather than light in the visible part of the spectrum. For this reason, JWST’s instruments will not measure visible or ultraviolet light like the Hubble Telescope, but will have a much greater capacity to perform infrared astronomy. JWST will be sensitive to a range of wavelengths from 0.6 to 28 μm (corresponding respectively to orange light and deep infrared radiation at about 100 K or −173 °C).

JWST può essere utilizzato per raccogliere informazioni sulla luce fioca della stella KIC 8462852 , che è stata scoperta nel 2015 e ha alcune proprietà anormali di curva della luce.

Inoltre, sarà in grado di dire se un esopianeta ha metano nella sua atmosfera, consentendo agli astronomi di determinare se il metano è o meno una biofirma .

Disegno dell’orbita

JWST non si trova esattamente nel punto L 2 , ma gli gira attorno in un’orbita di alone .

Viste alternative del telescopio spaziale Hubble della nebulosa della Carina , confrontando l’astronomia ultravioletta e visibile (in alto) e infrarossa (in basso). In quest’ultimo sono visibili molte più stelle.

JWST orbita attorno al Sole vicino al secondo punto di Lagrange (L 2 ) del sistema Sole-Terra, che è 1.500.000 km (930.000 mi) più lontano dal Sole dell’orbita terrestre e circa quattro volte più lontano dell’orbita della Luna. Normalmente un oggetto che orbita attorno al Sole più lontano della Terra impiegherebbe più di un anno per completare la sua orbita. Ma vicino al punto L2 , l’attrazione gravitazionale combinata della Terra e del Sole consente a un veicolo spaziale di orbitare attorno al Sole nello stesso tempo in cui impiega la Terra. Stare vicino alla Terra consente alle velocità dei dati di essere molto più veloci per una determinata dimensione dell’antenna.

Il telescopio gira attorno al punto Sole-Terra L 2 in un’orbita ad alone , che è inclinata rispetto all’eclittica , ha un raggio che varia tra circa 250.000 km (160.000 mi) e 832.000 km (517.000 mi), e impiega circa mezzo anno da completare. Poiché L 2 è solo un punto di equilibrio senza attrazione gravitazionale, un’orbita di alone non è un’orbita nel senso comune: il veicolo spaziale è effettivamente in orbita attorno al Sole e l’orbita di alone può essere considerata come una deriva controllata per rimanere nel in prossimità del punto L 2 . Ciò richiede un certo mantenimento della stazione : circa all’anno dal totale ∆vbilancio di . Due serie di propulsori costituiscono il sistema di propulsione dell’osservatorio. Poiché i propulsori si trovano esclusivamente sul lato dell’osservatorio rivolto verso il sole, tutte le operazioni di mantenimento della stazione sono progettate per ridurre leggermente la quantità di spinta richiesta per evitare di spingere il JWST oltre il punto semistabile L2 , una situazione che potrebbe essere irrecuperabile. Randy Kimble, l’Integration and Test Project Scientist per il James Webb Space Telescope, ha paragonato il preciso mantenimento della stazione del JWST a ” Sisyphus […] che fa rotolare questa roccia su per il dolce pendio vicino alla cima della collina – non vogliamo mai rotolare sulla cresta e allontanarsi da lui”.

Animazione della traiettoria del telescopio spaziale James Webb
Vista dall’alto
Vista laterale
Vista laterale dal sole

Astronomia a infrarossi

Le osservazioni a infrarossi possono vedere oggetti nascosti nella luce visibile, come l’ HUDF-JD2 mostrato qui.

Finestre atmosferiche nell’infrarosso: gran parte di questo tipo di luce è bloccata se vista dalla superficie terrestre. Sarebbe come guardare un arcobaleno ma vedere solo un colore.

JWST è il successore formale del telescopio spaziale Hubble (HST) e poiché la sua enfasi principale è sull’astronomia a infrarossi , è anche un successore del telescopio spaziale Spitzer . JWST supererà di gran lunga entrambi questi telescopi, essendo in grado di vedere molte più stelle e galassie molto più antiche. L’osservazione nello spettro infrarosso è una tecnica chiave per raggiungere questo obiettivo, a causa del redshift cosmologico, e perché penetra meglio oscurando polvere e gas. Ciò consente l’osservazione di oggetti più deboli e più freddi. Poiché il vapore acqueo e l’anidride carbonica nell’atmosfera terrestre assorbono fortemente la maggior parte degli infrarossi, l’astronomia a infrarossi da terra è limitata a intervalli di lunghezze d’onda ristretti in cui l’atmosfera assorbe meno fortemente. Inoltre, l’atmosfera stessa irradia nello spettro infrarosso, spesso sovraccaricando la luce dall’oggetto osservato. Ciò rende preferibile un telescopio spaziale per l’osservazione a infrarossi.

Più un oggetto è distante, più giovane appare; la sua luce ha impiegato più tempo per raggiungere gli osservatori umani. Poiché l’ universo si sta espandendo , mentre la luce viaggia diventa rossa spostata e gli oggetti a distanze estreme sono quindi più facili da vedere se visti nell’infrarosso. Si prevede che le capacità a infrarossi di JWST gli consentiranno di vedere indietro nel tempo le prime galassie che si sono formate solo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang.

La radiazione infrarossa può passare più liberamente attraverso regioni di polvere cosmica che disperdono la luce visibile. Le osservazioni nell’infrarosso consentono lo studio di oggetti e regioni dello spazio che sarebbero oscurate da gas e polvere nello spettro visibile , come le nubi molecolari dove nascono le stelle, i dischi circumstellari che danno origine ai pianeti e i nuclei delle galassie attive .

Gli oggetti relativamente freddi (temperature inferiori a diverse migliaia di gradi) emettono la loro radiazione principalmente nell’infrarosso, come descritto dalla legge di Planck . Di conseguenza, la maggior parte degli oggetti più freddi delle stelle viene studiata meglio nell’infrarosso. Ciò include le nuvole del mezzo interstellare , le nane brune , i pianeti sia nel nostro che in altri sistemi solari, comete e oggetti della fascia di Kuiper che saranno osservati con il Mid-Infrared Instrument (MIRI).

Some of the missions in infrared astronomy that impacted JWST development were Spitzer and the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Spitzer showed the importance of mid-infrared, which is helpful for tasks such as observing dust disks around stars. Also, the WMAP probe showed the universe was “lit up” at redshift 17, further underscoring the importance of the mid-infrared. Both these missions were launched in the early 2000s, in time to influence JWST development.

Ground support and operations

The Space Telescope Science Institute (STScI), in Baltimore, Maryland, on the Homewood Campus of Johns Hopkins University, was selected in 2003 as the Science and Operations Center (S&OC) for JWST with an initial budget of US$162.2 million intended to support operations through the first year after launch. In this capacity, STScI was to be responsible for the scientific operation of the telescope and delivery of data products to the astronomical community. Data was to be transmitted from JWST to the ground via the NASA Deep Space Network, processed and calibrated at STScI, and then distributed online to astronomers worldwide. Similar to how Hubble is operated, anyone, anywhere in the world, will be allowed to submit proposals for observations. Each year several committees of astronomers will peer review the submitted proposals to select the projects to observe in the coming year. The authors of the chosen proposals will typically have one year of private access to the new observations, after which the data will become publicly available for download by anyone from the online archive at STScI.

The bandwidth and digital throughput of the satellite is designed to operate at 458 gigabits of data per day for the length of the mission (equivalent to a sustained rate of 5.42 Mbps). Most of the data processing on the telescope is done by conventional single-board computers. The digitization of the analog data from the instruments is performed by the custom SIDECAR ASIC (System for Image Digitization, Enhancement, Control And Retrieval Application Specific Integrated Circuit). NASA stated that the SIDECAR ASIC will include all the functions of a 9.1 kg (20 lb) instrument box in a 3 cm (1.2 in) package and consume only 11 milliwatts of power. Since this conversion must be done close to the detectors, on the cold side of the telescope, the low power dissipation is crucial for maintaining the low temperature required for optimal operation of JWST.

Micrometeoroid strike

The C3 mirror segment suffered a micrometeoroid strike from a large dust mote-sized particle between 23 and 25 May, the fifth and largest strike since launch, reported 8 June 2022, which required engineers to compensate for the strike using a mirror actuator. Despite the strike, a NASA characterization report states “all JWST observing modes have been reviewed and confirmed to be ready for science use” as of July 10, 2022.

From launch through commissioning

Launch

The launch (designated Ariane flight VA256) took place as scheduled at 12:20 UTC on 25 December 2021 on an Ariane 5 rocket that lifted off from the Guiana Space Centre in French Guiana. The telescope was confirmed to be receiving power, starting a two-week deployment phase of its parts and traveling to its target destination. The telescope was released from the upper stage 27 minutes 7 seconds after launch, beginning a 30-day adjustment to place the telescope in a Lissajous orbit around the L2 Lagrange point.

The telescope was launched with slightly less speed than needed to reach its final orbit, and slowed down as it travelled away from Earth, in order to reach L2 with only the velocity needed to enter its orbit there. The telescope reached L2 on 24 January 2022. The flight included three planned course corrections to adjust its speed and direction. This is because the observatory could recover from underthrust (going too slowly), but could not recover from overthrust (going too fast) – to protect highly temperature-sensitive instruments, the sunshield must remain between telescope and Sun, so the spacecraft could not turn around or use its thrusters to slow down.

Transit and structural deployment

Structural deployment timeline

JWST was released from the rocket upper stage 27 minutes after a flawless launch. Starting 31 minutes after launch, and continuing for about 13 days, JWST began the process of deploying its solar array, antenna, sunshield, and mirrors. Nearly all deployment actions are commanded by the Space Telescope Science Institute in Baltimore, except for two early automatic steps, solar panel unfolding and communication antenna deployment. The mission was designed to give ground controllers flexibility to change or modify the deployment sequence in case of problems.

Structural deployment sequence

At 7:50p.m. EST on 25 December 2021, about 12 hours after launch, the telescope’s pair of primary rockets began firing for 65 minutes to make the first of three planned mid-course corrections. On day two, the high gain communication antenna deployed automatically.

On 27 December 2021, at 60 hours after launch, Webb’s rockets fired for nine minutes and 27 seconds to make the second of three mid-course corrections for the telescope to arrive at its L2 destination. On 28 December 2021, three days after launch, mission controllers began the multi-day deployment of Webb’s all-important sunshield. On 30 December 2021, controllers successfully completed two more steps in unpacking the observatory. First, commands deployed the aft “momentum flap”, a device that provides balance against solar pressure on the sunshield, saving fuel by reducing the need for thruster firing to maintain Webb’s orientation.

On 31 December 2021, the ground team extended the two telescoping “mid booms” from the left and right sides of the observatory. The left side deployed in 3 hours and 19 minutes; the right side took 3 hours and 42 minutes. Commands to separate and tension the membranes followed between 3 and 4 January and were successful. On 5 January 2022, mission control successfully deployed the telescope’s secondary mirror, which locked itself into place to a tolerance of about one and a half millimeters.

The last step of structural deployment was to unfold the wings of the primary mirror. Each panel consists of three primary mirror segments and had to be folded to allow the space telescope to be installed in the fairing of the Ariane rocket for the launch of the telescope. On 7 January 2022, NASA deployed and locked in place the port-side wing, and on 8 January, the starboard-side mirror wing. This successfully completed the structural deployment of the observatory.

On 24 January 2022, at 2:00p.m. EST, nearly a month after launch, a third and final course correction took place, inserting JWST into its planned halo orbit around the Sun–Earth L2 point.

The MIRI instrument has four observing modes—imaging, low-resolution spectroscopy, medium-resolution spectroscopy and coronagraphic imaging. “ On Aug. 24, a mechanism that supports medium-resolution spectroscopy (MRS), exhibited what appears to be increased friction during setup for a science observation. This mechanism is a grating wheel that allows scientists to select between short, medium, and longer wavelengths when making observations using the MRS mode,” said NASA in a press statement.

Animation of JWST’s halo orbit

Commissioning and testing

On 12 January 2022, while still in transit, mirror alignment began. The primary mirror segments and secondary mirror were moved away from their protective launch positions. This took about 10 days, because the 132 actuator motors are designed to fine-tune the mirror positions at microscopic accuracy (10 nanometer increments) and must each move over 1.2 million increments (12.5 mm) during initial alignment.

Mirror alignment requires each of the 18 mirror segments, and the secondary mirror, to be positioned to within 50 nanometers. NASA compares the required accuracy by analogy: “If the Webb primary mirror were the size of the United States, each [mirror] segment would be the size of Texas, and the team would need to line the height of those Texas-sized segments up with each other to an accuracy of about 1.5 inches”.

Mirror alignment was a complex operation split into seven phases, that had been repeatedly rehearsed using a 1:6 scale model of the telescope. Once the mirrors reached 120 K (−153 °C; −244 °F), NIRCam targeted the 6th magnitude star HD 84406 in Ursa Major. To do this, NIRCam took 1560 images of the sky and used these wide-ranging images to determine where in the sky each segment of the main mirror initially pointed. At first, the individual primary mirror segments were greatly misaligned, so the image contained 18 separate, blurry, images of the star field, each containing an image of the target star. The 18 images of HD 84406 are matched to their respective mirror segments, and the 18 segments are brought into approximate alignment centered on the star (“Segment Image Identification”). Each segment was then individually corrected of its major focusing errors, using a technique called phase retrieval, resulting in 18 separate good quality images from the 18 mirror segments (“Segment Alignment”). The 18 images from each segment, were then moved so they precisely overlap to create a single image (“Image Stacking”).

With the mirrors now positioned for almost correct images, they had to be fine tuned to their operational accuracy of 50 nanometers, less than one wavelength of the light that will be detected. A technique called dispersed fringe sensing was used to compare images from 20 pairings of mirrors, allowing most of the errors to be corrected (“Coarse Phasing”), and then introduced light defocus to each segment’s image, allowing detection and correction of almost all remaining errors (“Fine Phasing”). These two processes were repeated three times, and Fine Phasing will be routinely checked throughout the telescope’s operation. After three rounds of Coarse and Fine Phasing, the telescope was well aligned at one place in the NIRCam field of view. Measurements will be made at various points in the captured image, across all instruments, and corrections calculated from the detected variations in intensity, giving a well-aligned outcome across all instruments (“Telescope Alignment Over Instrument Fields of View”). Finally, a last round of Fine Phasing and checks of image quality on all instruments was performed, to ensure that any small residual errors remaining from the previous steps, were corrected (“Iterate Alignment for Final Correction”). The telescope’s mirror segments were then aligned and able to capture precise focused images.

In preparation for alignment, NASA announced at 19:28 UTC on 3 February 2022, that NIRCam had detected the telescope’s first photons (although not yet complete images). On 11 February 2022, NASA announced the telescope had almost completed phase 1 of alignment, with every segment of its primary mirror having located and imaged the target star HD 84406, and all segments brought into approximate alignment. Phase 1 alignment was completed on 18 February 2022, and a week later, phases 2 and 3 were also completed. This meant the 18 segments were working in unison, however until all 7 phases are complete, the segments were still acting as 18 smaller telescopes rather than one larger one. At the same time as the primary mirror was being commissioned, hundreds of other instrument commissioning and calibration tasks were also ongoing.

Allocation of observation time

JWST observing time is allocated through a General Observers (GO) program, a Guaranteed Time Observations (GTO) program, and a Director’s Discretionary Early Release Science (DD-ERS) program. The GTO program provides guaranteed observing time for scientists who developed hardware and software components for the observatory. The GO program provides all astronomers the opportunity to apply for observing time and will represent the bulk of the observing time. GO programs are selected through peer review by a Time Allocation Committee (TAC), similar to the proposal review process used for the Hubble Space Telescope.

Early Release Science program

In November 2017, the Space Telescope Science Institute announced the selection of 13 Director’s Discretionary Early Release Science (DD-ERS) programs, chosen through a competitive proposal process. The observations for these programs were to be obtained during the first five months of JWST science operations after the end of the commissioning period. A total of 460 hours of observing time was awarded to these 13 programs, which span science topics including the Solar System, exoplanets, stars and star formation, nearby and distant galaxies, gravitational lenses, and quasars. These 13 ERS programs were to use a total of 242.8 hours of observing time on the telescope (not including JWST observing overheads and slew time).

Early Release Science programs
Name Principal Investigator Category Observation time (hours)
Radiative Feedback from Massive Stars as Traced by Multiband Imaging and Spectroscopic Mosaics Olivier Berné Stellar Physics 8.3
IceAge: Chemical Evolution of Ices during Star Formation Melissa McClure Stellar Physics 13.4
Through the Looking GLASS: A JWST Exploration of Galaxy Formation and Evolution from Cosmic Dawn to Present Day Tommaso Treu Galaxies and the IGM 24.3
A JWST Study of the Starburst-AGN Connection in Merging LIRGs Lee Armus Galaxies and the IGM 8.7
The Resolved Stellar Populations Early Release Science Program Daniel Weisz Stellar Populations 20.3
Q-3D: Imaging Spectroscopy of Quasar Hosts with JWST Analyzed with a Powerful New PSF Decomposition and Spectral Analysis Package Dominika Wylezalek Massive Black Holes and their Galaxies 17.4
The Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey Steven Finkelstein Galaxies and the IGM 36.6
Establishing Extreme Dynamic Range with JWST: Decoding Smoke Signals in the Glare of a Wolf-Rayet Binary Ryan Lau Stellar Physics 6.5
TEMPLATES: Targeting Extremely Magnified Panchromatic Lensed Arcs and Their Extended Star Formation Jane Rigby Galaxies and the IGM 26.0
Nuclear Dynamics of a Nearby Seyfert with NIRSpec Integral Field Spectroscopy Misty Bentz Massive Black Holes and their Galaxies 1.5
The Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program Natalie Batalha Planets and Planet Formation 52.1
ERS observations of the Jovian System as a Demonstration of JWST’s Capabilities for Solar System Science Imke de Pater Solar System 9.3
High Contrast Imaging of Exoplanets and Exoplanetary Systems with JWST Sasha Hinkley Planets and Planet Formation 18.4

General Observer Program

For GO Cycle 1 there were 6,000 hours of observation time available to allocate, and 1,173 proposals were submitted requesting a total of 24,500 hours of observation time. Selection of Cycle 1 GO programs was announced on 30 March 2021, with 266 programs approved. These include 13 large programs and treasury programs producing data for public access. JWST science observations are nominally scheduled in weekly increments, observation plan for every week is published on Mondays by the Space Telescope Science Institute.

Scientific results

Hubble (2017) compared to Webb (2022)
Deep Field – Galaxy cluster
SMACS J0723.3-7327

The first full-color images and spectroscopic data were released on 12 July 2022, which also marked the official beginning of Webb’s general science operations; President Joe Biden revealed the first image, Webb’s First Deep Field, on 11 July 2022. NASA announced the list of observations targeted for release:

  • Carina Nebula – young, star-forming region called NGC 3324 displaying “Cosmic Cliffs” about 8500 light-years from Earth.
  • WASP-96b – including an analysis of atmosphere with evidence of water around a giant gas planet orbiting a distant star 1120 light-years from Earth.
  • Southern Ring Nebula – clouds of gas and dust expelled by a dying star 2500 light-years from Earth.
  • Stephan’s Quintet – a visual display of five galaxies with colliding gas and dust clouds creating new stars; four central galaxies are 290 million light-years from Earth.
  • SMACS J0723.3-7327 – a gravitationally lensed view called Webb’s First Deep Field 4.6 billion light-years from Earth, with distant galaxies as far away as 13.1 billion light-years. Sometimes abbreviated as SMACS 0723.

On 14 July 2022, NASA presented images of Jupiter and related areas captured, for the first time, and including infrared views, by the James Webb Space Telescope.

In a preprint released around the same time, NASA, ESA and CSA scientists stated that “almost across the board, the science performance of JWST is better than expected”. The document described a series of observations during the commissioning, when the instruments captured spectra of transiting exoplanets with a precision better than 1000 ppm per data point and tracked moving objects with speeds up to 67 milliarcseconds/second, more than twice as fast as the requirement. It also obtained the spectra of hundreds of stars simultaneously in a dense field towards the Galactic Center. Other targets described in the document:

  • Moving targets: Jupiter (including rings and the moons Europa, Thebe and Metis), asteroids 2516 Roman, 118 Peitho, 6481 Tenzing, 1773 Rumpelstilz, 216 Kleopatra, 2035 Stearns, 4015 Wilson-Harrington and 2004 JX20
  • NIRCam grism time-series, NIRISS SOSS and NIRSpec BOTS mode: the Jupiter-sized planet HAT-P-14b
  • NIRISS aperture masking interferometry (AMI): A clear detection of the very low-mass companion star AB Doradus C, which had a separation of only 0.3 arcseconds to the primary. This observation was the first demonstration of AMI in space.
  • MIRI low-resolution spectroscopy (LRS): a hot super-Earth planet L 168-9 b (TOI-134) around a bright M-dwarf star

Within two weeks of the first Webb images, several preprint papers described a wide range of early galaxies believed to date from 235 million years (z=16.7) to 280 million years after the Big Bang, far earlier than previously known. The results await peer review. On 17 August 2022, NASA released a large mosaic image of 690 individual frames taken by the Near Infrared Camera (NIRCam) on JWST of numerous very early galaxies. Some early galaxies observed by JWST like CEERS-93316, which has an estimated redshift of approximately z=16.7 corresponding to 235.8 million years after the Big Bang, are high redshift galaxy candidates.

On 24 August 2022, astronomers published the first detailed scientific result for the telescope on the detection of carbon dioxide in the atmosphere of the gas giant exoplanet WASP-39b from transmission spectroscopy observations obtained with JWST as part of the Early Release Science program (ERS). It was the first confirmed detection of carbon dioxide on a planet outside the Solar System.

Gallery


https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope

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