Một quan niệm của một nghệ sĩ (2015) về kính thiên văn không gian James Webb sẽ trông như thế nào khi hoàn thành và triển khai thành công. Tín dụng hình ảnh: Northrop Grumman.

Một cái nhìn hậu trường về việc xây dựng kính viễn vọng vĩ đại nhất trong tất cả

Kính thiên văn vũ trụ James Webb đã được chế tạo như thế nào.

Cách này hay cách khác, những ngôi sao đầu tiên phải có ảnh hưởng đến lịch sử của chúng ta, bắt đầu bằng việc khuấy động mọi thứ và sản xuất các nguyên tố hóa học khác bên cạnh hydro và helium. Vì vậy, nếu chúng ta thực sự muốn biết các nguyên tử của chúng ta đến từ đâu và hành tinh nhỏ Trái đất có khả năng hỗ trợ sự sống như thế nào, chúng ta cần phải đo lường những gì đã xảy ra lúc ban đầu. -John Mather

Vì vậy, bạn muốn thấy trở lại vũ trụ xa hơn bao giờ hết? Để khám phá làm thế nào nó lớn lên; để đo các ngôi sao và thiên hà đầu tiên; để xem nó theo một cách mới và độ chính xác cao hơn bao giờ hết? Về nguyên tắc, đó là một thách thức đơn giản. Chỉ cần chế tạo một gương chính lớn hơn để thu thập nhiều ánh sáng hơn bao giờ hết, nhạy cảm với các bước sóng ánh sáng dài hơn Hubble để thấy ánh sáng sớm nhất được kéo dài bởi Vũ trụ đang giãn nở, với một loạt các thiết bị tiên tiến để tối đa hóa thông tin thu được từ ánh sáng, được làm mát để nhiệt độ đông lạnh để giảm thiểu ô nhiễm. Ồ, và làm tất cả trong không gian, với quy mô bạn chưa từng làm trước đây. Đó không chỉ là khoa học và các công cụ khoa học sẽ đưa bạn đến đó, mà là một câu chuyện kỹ thuật đáng chú ý về cách dự đoán những điều chưa biết và vượt qua thách thức. Để đạt được điều đó, bạn phải xem mọi thứ khác với cách mà ngay cả một nhà khoa học cũng sẽ xem chúng. Tôi đã có cơ hội ngồi xuống với Jon Arenberg, Kỹ sư trưởng của Kính viễn vọng Không gian James Webb của Northrup Grummon, và nhận được một gợi ý về cách thức hoạt động của nó qua đôi mắt của anh ấy.

Sự ra mắt của STS-93, tàu con thoi Columbia, năm 1999. Tín dụng hình ảnh: NASA.

Hãy nhìn vào bức tranh trên, và bạn thấy gì? Có lẽ bạn nhìn thấy tàu con thoi. Có lẽ bạn nhìn thấy tàu con thoi Columbia, phóng vào ban đêm. Nhưng với Jon, anh nhìn thấy một thứ khác: tàu con thoi phóng lên với vệ tinh của mình trên nó. Trước khi bắt đầu làm việc với James Webb, Jon đã giúp xây dựng Đài quan sát tia X Chandra, hoạt động thành công trong 18 năm qua. Một trong những thách thức bạn không nghĩ tới với kính viễn vọng không gian là nó phải nằm gọn trong xe phóng, điều này đặt ra những hạn chế bổ sung đối với việc sản xuất, lắp đặt, thiết kế vỏ và thiết kế cơ điện của mọi thứ trên tàu. Bạn phải lập kế hoạch cho mọi giai đoạn - thiết kế được sắp xếp, khởi chạy, giải nén, triển khai, tiếp xúc với khoảng trống của không gian và thời gian hoạt động - ngay từ đầu. Và mỗi dự án đều có những thách thức riêng.

Các kỹ thuật viên và nhà khoa học kiểm tra một trong hai gương bay đầu tiên của kính viễn vọng Webb trong phòng sạch tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA. Tín dụng hình ảnh: NASA / Chris Gunn.

Đối với Kính viễn vọng Không gian James Webb, dường như mọi thách thức đều là duy nhất. Kiến trúc của kính viễn vọng hoàn toàn mới đối với không gian vũ trụ. Kiến trúc mở để làm mát, trong đó tàu được làm mát thụ động và được che chắn khỏi Mặt trời, là mới. Kính râm năm lớp là mới, và phải được thiết kế từ đầu. Đây là chiếc gương nhiều phân đoạn đầu tiên trong không gian, có nghĩa là không chỉ là thiết kế độc đáo, mà việc triển khai cũng đòi hỏi một thiết kế hoàn toàn mới. Và hoạt động của kính thiên văn - trình tự mở ra - bản thân nó là một điều kỳ diệu của kỹ thuật.

Thiết kế và xây dựng một kính thiên văn như thế này, đầy rẫy những thách thức mới lạ mà loài người chưa từng đối mặt, là một thách thức không chỉ là ý nghĩa kỹ thuật. Bạn cần ước tính bao nhiêu thời gian, tiền bạc và tài nguyên bạn cần để xây dựng nó. Bạn không thể tin tưởng vào những thứ hoạt động theo cách bạn thiết kế chúng lần đầu tiên; bạn không thể tin tưởng vào công việc ban đầu của bạn vượt qua tất cả các bài kiểm tra căng thẳng; bạn không thể tin tưởng vào sự tích hợp trơn tru với một hệ thống chưa được thiết kế. Bạn cần ước tính những ẩn số chưa biết của Norton khi bạn lần đầu tiên thiết kế ngân sách của mình và bạn cần xây dựng một nhóm không chỉ vượt trội về những gì họ làm mà còn vượt trội trong việc xác định và giải quyết các vấn đề mà họ không lường trước được sẽ tồn tại .

Các thiết bị khoa học trên mô-đun ISIM được hạ xuống và cài đặt vào tổ hợp chính của JWST năm 2016. Tín dụng hình ảnh: NASA / Chris Gunn.

Ngoài ra, các thành phần khác nhau đều đạt đến giai đoạn hoàn thành vào các thời điểm khác nhau. Bốn công cụ khoa học chính đều được xây dựng độc lập, bởi các đối tác quốc tế của Mỹ, Canada, Châu Âu và các quốc gia khác. Mô-đun ISIM được chế tạo tại Goddard và tích hợp tất cả các thiết bị với phần còn lại của tàu vũ trụ. Tiền thưởng khoa học trong vùng hồng ngoại gần, trong quang phổ, khả năng chỉ điểm tốt hơn bao giờ hết (tốt hơn một phần triệu độ), và độ nhạy sẽ là vô song. Nhưng các thành phần khác - gương, kính râm và lắp ráp - tất cả đều có một loạt các thách thức độc đáo, mà bạn có thể không bao giờ nghĩ về việc phải đối mặt.

Việc cài đặt phân khúc thứ 18 và cuối cùng của gương chính JWST. Các vỏ màu đen bảo vệ các phân khúc gương phủ vàng. Tín dụng hình ảnh: NASA / Chris Gunn.

Gương. Khi bạn chế tạo gương kính viễn vọng trên Trái đất, bạn có thể chế tạo nó trong cùng điều kiện bạn sẽ sử dụng nó. Nhưng trong không gian, ở bước sóng hồng ngoại, bạn cần chế tạo một cấu trúc phân đoạn hoạt động như một bề mặt đơn, nhẵn đến dung sai 20 nanomet. Nó cần phải có trọng lượng nhẹ để khởi động, và nó cần phải có cấu trúc âm thanh. Để tạo ra những chiếc gương này, họ chế tạo một bề mặt nhẵn ở nhiệt độ phòng, nhưng thiết kế nó để có các tính chất cần thiết ở nhiệt độ dưới nitơ lỏng. Họ chế tạo nó dưới lực hấp dẫn của Trái đất, nhưng ở quy mô này, thậm chí sự biến dạng của các vấn đề trọng lực; các gương sẽ hoạt động trong môi trường không trọng lực của không gian. Chúng tạo ra bề mặt nhẵn, bóng, tráng ở phía trước nhưng cách xa 92% mặt sau, tạo ra bề mặt rộng 25 mét vuông chỉ với 6,25 tấn vật liệu: lớn hơn bảy lần so với Hubble nhưng chỉ bằng 55% của Hubble khối lượng. Thách thức cơ bản là bạn chỉ có thể thực hiện các phép đo trong môi trường và định hướng do chính bạn kiểm soát, nhưng bạn cần chế tạo các gương để hoạt động trong điều kiện không gian. Một khi bạn tạo ra những chiếc gương thành công đầu tiên - những chiếc gương vượt qua tất cả các bài kiểm tra trong điều kiện vận hành - những chiếc gương sẽ xuất hiện với sự đều đặn đáng kinh ngạc.

Thử nghiệm mở đầu thành công đầu tiên của cả năm lớp được thực hiện vào năm 2014 và đã cung cấp những bài học quý giá giúp đảm bảo thành công của JWST trong quá trình khởi động và triển khai. Tín dụng hình ảnh: Northrop Grumman / Alex Evers.

Kính râm. Luôn luôn là một thách thức để phát triển một yếu tố kiến ​​trúc hoàn toàn mới lạ. Cho đến khi JWST, tất cả các kính viễn vọng không gian hồng ngoại đã được làm mát tích cực: bạn mang một ít chất làm mát và đặt kính thiên văn của bạn vào một bộ làm mát lạnh. Nhưng kính thiên văn này quá lớn cho điều đó! Vì vậy, thay vào đó họ đã thiết kế và chế tạo một loạt các tấm khiên xếp lớp để che chắn vĩnh viễn kính viễn vọng khỏi Mặt trời: JWST sẽ có một mặt trời nắng mà mặt kính và tấm mặt trời, và một mặt bóng râm, nơi chứa tất cả các thiết bị và gương. Đầu nóng của mặt nóng là 350º C (662º F), hoặc đủ nóng để làm tan chảy chì, trong khi mặt mát, ở đầu kia của năm lớp, cần lạnh hơn nitơ lỏng (77 K). Những thách thức hoành tráng bao gồm làm thế nào để thoát hơi nóng (ra khỏi các bên), làm thế nào để sơ tán hết không khí trong khi phóng mà không làm vỡ tấm khiên, làm thế nào để tạo ra các lỗ thẳng hàng trong khi nó được xếp nhưng không chồng chéo trong khi triển khai và cách gấp lại tấm chắn nắng để loại bỏ khả năng xảy ra sự cố trong quá trình triển khai. Thiết kế cuối cùng thành công là một đỉnh cao và sự kết hợp của các mô phỏng / tính toán hiện đại, và các kỹ thuật chế tạo / cánh buồm / trang phục lỗi thời; nó là sự pha trộn độc đáo của công nghệ tiên tiến và nghệ thuật. Cuối cùng, nó chỉ là năm lớp nhựa tráng, nhưng nếu nó hoạt động như thiết kế, nó sẽ giữ James Webb hoạt động lâu hơn tuổi thọ năm năm được thiết kế của nó.

Bộ tản nhiệt ISIM cố định, vừa hoàn thành năm ngoái, tỏa nhiệt ra khỏi mô-đun thiết bị (ISIM), dụng cụ khoa học và dây đai nhiệt. Tín dụng hình ảnh: NASA / Northrop Grumman.

Hội. Đây là những gì bạn thường nghĩ về chính tàu vũ trụ. Việc lắp ráp giữ toàn bộ đài quan sát khi khởi động, nó điều khiển và chỉ ra tất cả các dụng cụ, gương, râu khác nhau và hơn thế nữa. Nó chịu trách nhiệm về dữ liệu được thu thập, nhận và truyền; nó chịu trách nhiệm xử lý và chỉ tàu vũ trụ. Nhưng một thách thức duy nhất mà nó phải đối mặt là chạy điện qua chính tổ hợp và di chuyển các bộ phận khác nhau của tàu vũ trụ tạo ra nhiệt, và nó tạo ra nhiệt ở phía bên trái của tấm chắn nắng! Kính viễn vọng đang hướng ra xa Mặt trời, vì vậy bạn không thể thải nhiệt thải của mình ở đó, trong khi không có bóng râm (và không có nơi để tỏa nhiệt) ở phía mặt trời. Giải pháp liên quan đến việc phát triển một loạt các sắc thái để bảo vệ các phần quan trọng của đài quan sát - những phần phải được giữ mát - khỏi các phần khác của tàu vũ trụ. Tìm kiếm, thiết kế và thực hiện thành công giải pháp tối ưu là một trong những sự hồi hộp lớn nhất mà một kỹ sư có thể trải nghiệm trong sự nghiệp của họ.

Một loạt các thiên hà lớn về màu sắc, hình thái, tuổi tác và quần thể sao vốn có có thể được nhìn thấy trong hình ảnh trường sâu này. Tín dụng hình ảnh: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley và M. Rutkowski (Đại học bang Arizona, Tempe), R. O'Connell (Đại học Virginia), P. McCarthy (Đài quan sát Carnegie), N. Hathi (Đại học California, Riverside), R. Ryan (Đại học California, Davis), H. Yan (Đại học bang Ohio) và A. Koekemoer (Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian).

Vâng, khoa học sẽ là không thể tin được. Như Garth Illingsworth đã nói về kính viễn vọng này, chúng ta sẽ học hỏi nhiều hơn trong một ngày từ Kính viễn vọng Không gian James Webb so với nhân loại hiện đang biết về các thiên hà đầu tiên trong Vũ trụ. Giống như Dự án chính Hub Hubble, thậm chí còn không phải là phát hiện lớn nhất mà Kính thiên văn vũ trụ Hubble tạo ra, có lẽ với khả năng độc đáo của nó, JWST sẽ tiết lộ những bí mật sâu sắc hơn về Vũ trụ so với những gì chúng ta biết để tìm kiếm. Trong vòng chưa đầy hai năm, chúng tôi sẽ bắt đầu tìm hiểu. Nhưng nếu không có đội ngũ kỹ sư thiết kế, chế tạo và thực hiện tất cả những điều này đến độ chính xác tinh tế, chúng tôi sẽ không có bất kỳ thứ gì trong số đó. Và sau tháng 10 năm 2018, Jon Arenberg và tất cả những người từng làm việc trên James Webb sẽ có một bức ảnh mới để chia sẻ.

Một tên lửa Ariane 5 trên bệ phóng, ngay trước khi ra mắt vào tháng 10 năm 2014, sẽ cực kỳ giống với lần phóng của James Webb vào tháng 10 năm 2018. Tín dụng hình ảnh: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

Một tên lửa Ariane 5, phóng vào lúc bình minh, sẽ mang James Webb dưới ánh sáng mặt trời đến đích: điểm Lagrange L2, vượt ra khỏi bóng của cả Trái đất và Mặt trăng. Chỉ trong 32 phút, James Webb sẽ sử dụng pin; sau đó, các mảng năng lượng mặt trời triển khai và nó sẽ mãi mãi ở trong ánh sáng mặt trời trực tiếp. Nhiệm vụ của nó là tiết lộ Vũ trụ sẽ bắt đầu, và mọi nhà khoa học và kỹ sư đã giúp thiết kế và xây dựng nó sẽ có được khoảnh khắc kỷ niệm của cả cuộc đời.

Bài đăng này lần đầu tiên xuất hiện tại Forbes và được những người ủng hộ Patreon của chúng tôi mang đến cho bạn quảng cáo miễn phí. Nhận xét trên diễn đàn của chúng tôi, và mua cuốn sách đầu tiên của chúng tôi: Beyond The Galaxy!