JWST saavutti L2-pisteen haloradan

NASAn, ESAn ja Kanadan avaruusjärjestön yhteishanke sijoittaa James Webb avaruusteleskooppi Lagrangen L2-pisteen haloradalle on onnistunut. Tarvittava ratakorjaus tehtiin eilen (24.2.2022) käynnistämällä teleskoopin ohjausraketit 297 sekunnin ajaksi. Polton seurauksena JWST:n ratanopeus kasvoi 1,6 m/s ja rata muuttui kiertoradaksi L2-pisteen ympäri. Tällä radalla avaruusteleskooppi pysyy käyttämällä vain vähäisen määrän polttoainetta pieniin ratakorjauksiin.

Kaaviokuva JWST:n radasta ja L2-pisteen haloradalle asettumisesta.
Kuva Steve Sabia/NASA Goddard.

 
James Webb avaruusteleskooppi laukaistiin avaruuteen joulukuun 25 päivänä (2021) Ariane 5 kantoraketilla Kouroun avaruuskeskuksesta Ranskan Guianasta. Laukaisun jälkeen avattiin ensin teleskoopin aurinkokennot ja sen jälkeen pääpeilin osat siirrettiin paikoilleen. Saavuttaakseen päämääränsä, teleskoopille piti tehdä vielä jokunen ratakorjaus, mutta niiden määrä ja kesto oli pienempi kuin mitä suunnitelmissa oli varauduttu. Tästä syystä polttoainetta säätyi merkittävästi ja nyt teleskoopin 5,5 vuoden toiminta-ajaksi lasketaan noin 10 vuotta.

Lagrangen L2-piste muodostuu Auringon ja Maan gravitaation ja keskipakoisvoiman yhdistelmästä noin 1,5 miljoonan km etäisyyteen maapallosta, jonka pisteen ympärille on mahdollisuus muodostaa sinne lähetetuille aluksille ns. halorata. Haloradan keskellä ei ole minkäänlaista massakeskipistettä, vaan se muodostuu ”lähes itsestään” em. gravitaatiovaikutuksen vuoksi. Halorata L2-pisteessä ei kuitenkaan ole stabiili pitkällä aikavälillä, sillä siihen vaikuttaa monia häiritseviä tekijöitä. Ehkä merkittävin häiriön aiheuttaja on Auringon valon paine, joka pyrkii poistamaan aluksen L2-pisteessä ja muutamaan sen tavanomaiseksi Aurinkoa kiertäväksi radaksi.

Halorata on luonteeltaan muutenkin labiili, sillä sen gravitaatiogradientti on käänteinen gravitaatiokuoppaan verrattuna, eli se on muodoltaan satulapintaa muistuttava. Mikään luonnollinen kappale (asteroidi tai meteoroidi) ei voi pysytellä haloradalla kovinkaan pitkään, vaan ne poistuvat viimeistään muutaman vuoden kuluessa, jos ne sinne jostakin syystä päätyvät. Tällaisia luonnollisia satelliitteja havaitaan lyhytaikaisesti silloin tällöin, joskin ne näyttävät useimmiten kiertävän maapalloa ns. kvasiradalla, joka on hieman erilainen kuin halorata.

Nyt kun JWST on sijoitettu tehtävänsä edellyttämälle radalle, insinöörien ja tutkijoiden seuraavat tehtävä on säätää pääpeilin lohkot nanometrin tarkkuudella oikeille paikoilleen. Aikaa tähän arvioidaan tarvittavan noin kolme kuukautta.

JWST pääpeilin avaaminen onnistui

NASA:n [1] James Webb -avaruusteleskooppitiimi avasi 6,4 metrin kullalla päällystetyn pääpeilin onnistuneesti. Ryhmä julisti pääpein avautuneeksi eilen illalla kello 20.17 Suomen aikaa, kolmisen tuntia sen jälkeen, kun peilin vasemman lohkon kääntäminen suoritettiin. Oikea lohko käännettiin edellisenä päivänä. Peililohkojen kääntäminen oli koko suunnitelman kriittisin vaihe, sillä epäonnistuessaan se olisi voinut tuhota koko noin 10 miljardia dollaria kustantaneen ja yli kaksikymmentä vuotta kestäneen hankkeen.

Aurinkosuojan ja pääpeilin avauskaavio. Kuva ESA.

Luonnollisesti peililohkojen onnistunut kääntäminen herätti suurta tyytyväisyyttä pitkään ja huolellisesti tehdyn valmistautumisen jälkeen. Tämä tyytyväisyys näkyi annetuissa lausunnoissa.

"NASA saavutti tänään uuden tekniikan virstanpylvään vuosikymmeniä valmistelun jälkeen. Vaikka tämä matka ei vielä ole päättynyt, Webb-tiimi hengittää jo hieman vapautuneemmin ja odottaa tulevia läpimurtoja, jotka varmasti inspiroivat maailmaa", sanoi NASAn johtaja Bill Nelson. "James Webb -avaruusteleskooppi on ennennäkemätön tehtävä, joka mahdollistaa ensimmäisten galaksien havaitsemisen ja löytää universumimme mysteerit. Jokainen jo saavutettu vaihe ja tulevat saavutukset on osoitus tuhansista innovaattoreista, jotka omistautuivat intohimonsa tähän tehtävään."

"Olen niin ylpeä tiimistä — joka kattaa maanosia ja vuosikymmeniä — ja joka saavutti tämän lajissaan ensimmäisen saavutuksen", sanoi Thomas Zurbuchen, NASAn Washingtonin päämajan Science Mission Directorat -yksikön apulaisvastaava. "Webin onnistunut käyttöönotto on esimerkki NASAn parhaista ominaisuuksista: halukkuus yrittää rohkeita ja haastavia asioita vielä tuntemattomien löytöjen nimissä."

"Kaikkien Webb-avaruusteleskoopin käyttöönottojen onnistunut loppuun saattaminen on historiallista", sanoi Gregory L. Robinson, NASAn päämajan Webb-ohjelman johtaja. "Tämä on ensimmäinen kerta, kun NASAn johtama operaatio on koskaan yrittänyt saattaa päätökseen monimutkaisen sekvenssin avatakseen observatorion avaruudessa - tämä on merkittävä saavutus tiimillemme, NASAlle ja maailmalle."

Seuraavaksi lähitulevaisuudessa JWST tekee kolmannen radankorjauksen, jonka jälkeen avaruusteleskoopin pitäisi asettua Lagrangen L2-pisteen haloradalle 1,5 miljoonan kilometrin etäisyyteen maapallosta.

Tulevien kuukausien aikana pääpeilin 18 kuusikulmaista segmenttiä kohdistetaan oikeisiin asemiin, jotta segmentit muodostaisivat yhtenäisen pääpeilin. Kohdistamista varten jokaisen segmentin takana on seitsemän toimilaitetta, jotka säätävät segmenttien asennon oikeaksi.

Pääpeilin saatua oikean muotonsa tehdään havaintoinstrumenttien kalibroiminen. Kun se tulee tehdyksi, uusi avaruusteleskooppi on valmis tehtäväänsä joskus ensi kesänä. Tätä ennen luultavasti NASA ja ESA julkaisevat joitakin kuvia, varsinkin kalibrointivaiheen loppupuolella.

Katso animoitu video JWSTn laukaisusta ja aurinkosuojan ja pääpeilin avaamisesta.

Huomautukset

[1] James Webb avaruusteleskooppi on NASAn, Euroopan avaruusjärjestön (ESA) ja Kanadan avaruusjärjestön (CSA) yhteishanke joskin NASAn eri osastot ja tutkimuslaitokset ovat olleet päävastuussa tehtävän suunnittelusta, rahoituksesta ja toteuttamisesta.

JWST pääpeili on onnistuneesti avattu

James Webb avaruusteleskoopin molemmat pääpeilin sivulohkot on onnistuneesti avattu. Ensimmäinen lohko avattiin eilen 7.1. ja tänään 8.1. kello 17.30 Suomen aikaan avausprosessi toisen lohko osalta saatiin pääosin suoritettua. Tämän jälkeen pienten peililohkojen asemointi vie vielä jonkin aikaa. Samoin monien instrumenttien käyttöönotto ja kalibrointi vie vielä aikaa kuukausia, joten varsinaiseen havainnointiin JWST:llä päästään vasta ensi kesänä.

Iso asteroidi ohittaa maapallon

Iso asteroidi, 1994 PC1 ohittaa maapallon alle 2 miljoonan kilometrin etäisyydeltä. Etäisyys on noin 5,5 kertaa Kuun keskietäisyys, joten mitään huolta törmäyksestä ei ole. Asteroidin rata tunnetaan 133 km tarkkuudella. Mielenkiintoiseksi ohituksen tekee asteroidin koko, joka on noin 1 052 metriä, siis hyvin paljon suurempi kuin ne asteroidit, jotka päivittäin kulkevat maapallon ohi.

Astroidi 1994 PC1 rata. Maapallonrata on esitetty sinisellä ja asteroidin radan kaltevuuden synnyttämä erotus maapallon ratatasoon pystysuorilla harmailla viivoilla. 

Suuri koko tekee asteroidista myös suhteellisen kirkkaan, joten tähtiharrastajat voivat valokuvata sitä helposti. Kuvaamista helpottaa myös se, että asteroidi kohoaa korkealle pohjoiselle tähtitaivaalle ja kulkee parinkin helposti löydettävän kohteen läheltä. Kuvaamisesta ja havaitsemisesta hieman myöhemmin lisää.

Asteroidin löysi R. H. MacNaught Australian Siding Spring observatoriossa 9.8.1994. Asteroidi kiertää Aurinkoa maapallon radan ulkopuolella kerran 1,5665 vuodessa (572,19 vrk). Perihelietäisyys on 0,904 au ja apheli 1,3488 au. Radan lähin piste maapallon radan kanssa on reilusti alle miljoona kilometriä, jossa se oli viimeksi 17.1.1933, jolloin etäisyyttä oli 810 000 km eli noin 2,5 kertaa Kuun keskietäisyys. Aivan näin lähelle se ei tule ainakaan pariin sataan vuoteen. Asteroidin radan inklinaatio on kohtalaisen suuri, peräti 33,479 astetta, jolloin ohilento tapahtuu hyvin nopeasti. Perihelissä asteroidi on 26.2.2022, jolloin se on 0,904 au (135,3 miljoonan km) etäisyydellä Auringosta.

Asteroidi tulee yötaivaalla havaittavaksi noin 47 vuoden välein. Seuraavan kerran se on maapallon lähellä (0,015 au) 18.1.2105, jolloin se on kuitenkin paljon himmeämpi. Tätä ennen se on yötaivaalla nähtävissä 14.1.2069 mutta etäisyys on jo paljon suurempi 0,07011 au ja se nousee Suomessa näkyviin vasta lähimmän ohituksen jälkeen.

Asteroidi on 19.1. Alpheratzin lähellä ja ehkä helpoimmin löydettävissä. Kuva © Kari A. Kuure.

Havaitsemisesta

Asteroidin ollessa lähinnä Maata, sen kirkkaus on noin 10,2 magnitudia. Illalla 18.1. se on etelässä kello 18.54 noin 24 asteen korkeudella. Asteroidin havaitsemiseen tarvitaan vähintään 152 mm valovoimainen (f/5) kaukoputki, jonka voi kohdistaa ennakkovalittuihin koordinaatteihin. Kohdistusta tarvitaan koska asteroidi liikkuu Vaalan tähdistössä ja tällä alueella ei ole oikein hyviä helposti tunnistettavia kohteita, joita voisi käyttää apuna suuntaamisessa. 

Asteroidi liikkuu noin 2 kaarisekuntia sekunnissa, joten alle minuutissa visuaalisesti havaittuna sen paikka muuttuu jo havaittavasti pienelläkin suurennuksella. Valokuvatessa liike täytyy ottaa huomioon ja suunnata kaukoputki uudelleen lyhyin väliajoin. Jos kaukoputkeen on ohjelmoitu asteroidin rata-alkiot, niin silloin sen pitäisi pystyä seuraamaan kohdetta ongelmitta.

Seuraavana iltana (19.1.2022) asteroidi on jo Andromedan tähdistössä lähellä Alpheratz-tähteä, joka tunnetaan myös Pegasusken neliön vasempana ylätähtenä. Tähti on helposti löydettävissä ja jopa isolla tähtikiikarilla voi yrittää paikantaa asteroidia. Asteroidin kirkkaus on kuitenkin jo pudonnut ja on vain 11,2 magnitudia. Etelämeridiaanin asteroidi ylittää kello 16.58 ja on 55,5 asteen korkeudella Tampereella. Tähän aikaa illasta asteroidi sijaitsee kello 8 suunnassa em. tähdestä mutta illan aikana se liikkuu nopeasti sen ohi. Tuntia myöhemmin se on kello 9 suunnassa ja kello 20 aikoihin se on noin 10.30 kohdalla ja kaikkein lähimpänä em. tähdestä. Kello 23 se on jo siirtynyt tähden ohi sen oikealle puolelle kello 1 suuntaan ja kello 00.00 se on kello 2 suunnassa. 

Asteroidi on Caldwell 19 sumun läheisyydessä 21.1. mutta on jo niin himmeä, että sen havaitsemiseen vaaditaan kookasta kaukoputkea. Kuva © Kari A. Kuure.

Seuraavana päivänä asteroidi kulkee taivaanosan halki, jossa ei juurikaan ole helposti tunnistettavia suunnistuksen apuna käytettäviä kohteita. Sen sijaan 21. päivä kello 21 se on pienen Cocoon nebulan (Caldwell 19) kohdalla tai oikeastaan melkein päällä. Useimpien goto-kaukoputkien kohde valikoimiin ko. nebula kuuluu, joten tänä iltana kello 21 aikaan ja heti sen jälkeen valokuvaamalla asteroidin voisi saada kuvaa, sen kirkkaus on kuitenkin pudonnut jo 13.2 magnitudiin, joten kovin helppo kohde se ei ole.

JWST aurinkosuojat avattiin onnistuneesti

James Webb avaruusteleskoopin aurinkosuojat avattiin eilen tiistaina (4.1.2022) onnistuneesti luotaimen ollessa noin puolivälissä matkallaan kohti Lagrangen L2 pistettä. Aurinkosuoja koostuu viidestä Kapton-kalvosta valmistetusta kerroksesta, joista jokainen avattiin ja kiristettiin erikseen. Kerrosten välissä on rako ja aurinkosuojan mitat ovat 21,2 × 14,2 m.

Avaruusteleskooppi toimintavalmiina taiteilijan näkemyksen mukaan. Kuva NASA.

 

Aurinkosuojan kerroksellinen rakenne varmistaa sen, että itse teleskooppi ja havaintolaitteet pysyvät hyvin matalassa lämpötilassa. Ilman suojaa Auringon säteily kohottaisi laitteiston korkeaan lämpötilaan [1], jolloin se olisi täysin toimintakyvytön. Avauksen sujuminen ilman ongelmia olikin kriittinen vaihe teleskoopin käyttöönotossa.

Seuraavaksi avataan avaruusobservatorion teleskooppi, joka myös on hyvin monimutkainen ja kriittinen tapahtuma. Ensimmäisessä vaiheessa teleskoopin apupeili sijoitetaan kolmen tukivarren avulla oikealla paikalleen. Apupeilin heijastaa teleskoopin pääpeilin keräämän ir-valon havaintolaitteisiin, jotka ovat pääpeilin takana.

Kun apupeili on oikealla paikallaan, seuraa pääpeilin sivulohkojen avaaminen ja lukitseminen paikoilleen. Tämäkin on operaatio, jollaista ei aikaisemmin ole avaruudessa tehty. Tällä kertaa se on välttämätöntä, sillä pääpeilin halkaisija on noin 6,5 metriä ja Ariane 5 kantoraketin lastiruuman halkaisija oli vain noin 4,5 metriä. Jotta teleskooppi mahtuisi siihen, peili oli rakennettava taittuvaksi.

Molemmat peilit on valmistettu berylliumista ja päällystetty kultapinnoitteella. Beryllium on kevyt ja sitkeä metalli, joka mahdollisti pääpeilin massaksi vain 705 kg. Kultapinnoite peileissä mahdollistaa infrapunaisen aallonpituuksien käyttämisen, kullan heijastusominaisuudet ovat suurimmillaan infrapunaisen valon aallonpituuksilla ja paljon parempi kuin muiden pinnoitteiden (alumiini tai hopea).

JWST:n erotuskyvyksi on suunniteltu 0,1 kaarisekuntia. Erotuskyky saattaa tuntua alhaiselta esimerkiksi Hubblen erotuskykyyn (0,05 kaarisekuntia) verrattuna. Kaukoputken erotuskyky määräytyy kuitenkin pääpeilin halkaisijan ja käytetyn aallonpituuden perusteella. Vaikka JWST on paljon suurempi kuin Hubble (n. 2,5 m) niin käytetty aallonpituus infrapunaisilla aallonpituuksilla on myös paljon suurempi, joten aivan Hubblen tarkkuuteen ei päästä. Tarkkuus on kuitenkin suurempi kuin milloinkaan aikaisemmin paljon pienemmillä ir-avaruusobservatorioilla.

Teleskoopin laukaisu joulukuun 25. päivänä 2021 onnistui suunnitelmia paremmin. Ensimmäiseen ratakorjaukseen muutama vuorokausi laukaisun jälkeen kulutti vain noin 1/3 siihen varatusta polttoaineesta, joten säästynyt osa on myöhemmin käytettävissä teleskoopin ohjaamiseen. Tästä syystä suunniteltu toiminta aika (5,5 vuotta) on nyt arviolta noin 10 vuotta, jos mitään yllättävää ei tapahdu ja laitteisto muutoin pysyy toimintakuntoisena.


Huomautukset

[1] Auringonpuoleisen ensimmäisen kerroksen lämpötilaksi on laskettu 383 K eli noin 110 °C. Viidennen kerroksen lämpötila on arviolta 221 — 36 K. Havaintolaitteiden tavoitelämpötila on alle 50 K.