Astronomy

JWST Deployment

#043 · 5 min read

A golden, geometric structure with intricate patterns and reflective surfaces symbolizes the deployment of the James Webb Space Telescope, highlighting its complex and delicate assembly in space.

The James Webb Space Telescope had to unfold itself a million miles from Earth, through 344 mechanisms that had never been tested together under the conditions that mattered. There was no second attempt.

On Christmas morning 2021, an Ariane 5 rocket lifted off from Kourou in French Guiana with a folded telescope in its nose cone. The launch was clean. Inside the fairing, packed like a closed parasol, was a $10 billion instrument that was about to do something no spacecraft had ever attempted: assemble itself, in stages, while travelling outward to a point four times further away than the Moon.

The engineers on the ground had a phrase for the next twenty-nine days. They called it the period of single-point failures. A single-point failure is a part with no redundancy — if it jams, the mission ends. A typical Mars lander has perhaps seventy. The James Webb Space Telescope had three hundred and forty-four.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

This is because Webb was too big for any rocket that exists. The primary mirror, gold-coated beryllium, is 6.5 metres across — wider than the five-metre fairing of the Ariane. The sunshield, which keeps the instruments cold enough to see infrared light, is the size of a tennis court. To fit any of it on a launch vehicle, Northrop Grumman and NASA spent the better part of two decades designing a telescope that could fold.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

The sunshield

The hardest part came first. Webb sees in the infrared, which means it has to be cold — under 50 kelvin, around minus 223 Celsius. To get that cold while sitting in direct sunlight, it carries a five-layer shield of Kapton, each layer thinner than a human hair, separated by vacuum gaps that radiate heat sideways into space. Folded for launch, the membranes were pinned down by 107 release devices. Unfolded, they had to be tensioned by 90 cables running through 400 pulleys, driven by eight motors, with no possibility of a hand reaching in to free a snag.

Inside the Ariane 5 fairing integration hall Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The deployment of the sunshield took eight days. Mission control at the Space Telescope Science Institute in Baltimore watched the telemetry in shifts. There were no cameras on the spacecraft pointed at the shield. Engineers were inferring the geometry from motor currents, temperature gradients, and the angle of the booms. On day five, a tensioning pause stretched longer than expected; the team held the sequence for a day to study sun-angle and thermal data before resuming. The membranes deployed without a single tear.

Caption: During cryogenic testing, the mirrors will be subjected to temperatures dipping to 24 Kelvins, permitting engineers to measure in e NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given · Public domain

Eighteen mirrors

The primary mirror is made of eighteen hexagonal segments, each about 1.3 metres across. For launch, three segments on each side were folded back, like the wings of a paper crane. On day fourteen the side wings unlatched and swung into place, and the mirror, for the first time, looked like a mirror.

Webb's sunshield unfolds in space as a five-layer Kapton structure Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Then began the slow part. Each segment sits on seven actuators — six that move it in space, one that bends its surface — and each actuator can step in increments of about ten nanometres, roughly one ten-thousandth the width of a human hair. Over the following three months the eighteen segments were walked into a single optical surface, accurate across its full sweep to within fifty nanometres. The alignment relied on a star — HD 84406, an unremarkable yellow dwarf in Ursa Major — whose image was tracked through eighteen separate dots until they merged into one. The procedure had a name out of a fairy tale: "phase retrieval."

The primary mirror of NASA's James Webb Space Telescope consisting of 18 hexagonal mirrors looks like a giant puzzle piece standing in the m Chris Gunn · CC BY 2.0

What we still don't know

We do not know, in detail, why nothing failed. Webb was tested on the ground at Johnson Space Center in a vacuum chamber chilled to operating temperature, but gravity on Earth distorts a structure built for zero-g. Engineers compensate with off-loaders — cables and counterweights that mimic weightlessness — but every off-loader is itself a fiction. Some deployments could only be partially rehearsed. Some, like the full five-layer sunshield tensioning, could not be rehearsed at all in a single coherent test. That every one worked the first time is, in part, an answer to a question the program never quite resolved: how good is good enough, when you cannot try twice?

An extreme close view of a JWST hexagonal mirror segment shows gold-coated beryllium refle Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

We also do not know how long Webb will last. The original mission was a five-year baseline, with ten as a goal. Because the launch was so precise, the spacecraft used less fuel than budgeted on its mid-course corrections, and current estimates put the propellant supply at something over twenty years. The mirrors will degrade slowly under micrometeoroid impacts — one larger-than-expected strike was recorded in May 2022 — but the optics have margin.

NASA engineer Ernie Wright looks on as the first six flight ready James Webb Space Telescope's primary mirror segments are prepped to begin NASA/MSFC/David Higginbotham · Public domain

And we do not yet know what Webb will find that nobody planned for. The deep field released in July 2022 contained galaxies redder, and so older, than the predicted population at that depth. The early-universe results have already forced theorists to revisit how quickly the first galaxies could have assembled. The instrument was designed to answer specific questions about first light, exoplanet atmospheres, and star formation. It is the surprises that will define it.

At the Sun-Earth L2 point, Webb sits in the shadow of its own sunshield, looking outward. There is no one within a million miles who could touch it.

詹姆斯·韦伯空间望远镜必须在距地球百万英里之遥的深空独自展开。这依靠344个机械装置的协同运作，而它们从未在至关重要的真实环境下接受过整体考验。此行，没有第二次机会。

2021年圣诞节早晨，一枚Ariane 5火箭从法属圭亚那的Kourou升空，其整流罩内载有一台折叠的望远镜。发射过程圆满顺利。在整流罩内，这台价值100亿美元的仪器像一把收拢的遮阳伞一样紧凑地排列着，它即将完成一项前所未有的壮举：在向比月球远四倍的空间点行进的过程中，分阶段完成自我组装。

地面工程师用一个词组来形容接下来的29天：单点故障期。所谓单点故障，是指没有冗余设计的部件——如果它卡住了，任务就宣告终结。典型的火星着陆器大约有70个单点故障，而James Webb Space Telescope则有344个。

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

这是因为韦布望远镜相对于现有的任何火箭都太大了。其主镜由镀金铍制成，直径达6.5米，超过了阿丽亚娜火箭5米宽的整流罩。用于保持仪器足够冷却以观测红外光的遮阳罩，足有一个网球场那么大。为了将其塞进运载火箭，Northrop Grumman和NASA花了近20年的时间，设计出一款可以折叠的望远镜。

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

遮阳罩

最难的部分最先开始。韦布望远镜观测红外波段，这意味着它必须保持极低温——低于50开尔文，约零下223摄氏度。为了在直射阳光下达到这种低温，它携带了一个由五层Kapton材质组成的遮阳罩，每一层都比人的发丝还要薄，层与层之间被真空空隙隔开，将热量向两侧辐射到太空。发射时呈折叠状态的薄膜由107个释放装置固定。展开后，它们必须由经过400个滑轮的90根电缆加压拉紧，由8台电机驱动，且没有任何人工干预来清理可能出现的挂钩或故障。

遮阳罩的部署耗时8天。位于巴尔的摩Space Telescope Science Institute的任务控制中心轮班监测着遥测数据。航天器上没有对准遮阳罩的摄像头。工程师们通过电机电流、温度梯度和支杆的角度来推断其几何形态。在第五天，一次拉紧过程的暂停时间超出了预期；团队中止了后续程序一天，以研究太阳角度和热数据，随后才恢复。最终，薄膜成功展开，未出现任何撕裂。

18面镜片

主镜由18个六边形分镜组成，每个分镜直径约为1.3米。发射时，两侧各有三个分镜向后折叠，就像纸鹤的翅膀。在第14天，侧翼解锁并旋转到位，这面主镜有史以来第一次呈现出完整的镜面形态。

随后进入了缓慢的调整阶段。每个分镜安装在七个致动器上——六个用于空间位移，一个用于微调镜面曲率。每个致动器的步进精度约为10纳米，大致相当于人发直径的万分之一。在接下来的三个月里，这18个分镜被逐步校准成一个单一的光学表面，在其整个跨度内的精度达到了50纳米以内。对齐过程依赖于一颗恒星——HD 84406，大熊座中一颗平凡的黄矮星。它的图像起初是18个独立的亮点，直到被追踪并合而为一。这一过程有一个如同童话般的名字：“相位检索”（phase retrieval）。

我们仍然未知的事

我们并不清楚为什么没有发生任何故障。韦布曾在Johnson Space Center的真空室中，在冷却至工作温度的条件下进行过地面测试，但地球重力会使原本为零重力环境设计的结构发生形变。工程师们使用卸载装置——模拟失重状态的电缆和配重——进行补偿，但每一个卸载装置本身都是一种模拟。有些部署环节只能进行部分预演。而有些环节，例如完整的五层遮阳罩拉紧，根本无法在一次完整的测试中进行预演。每一项部署都能在第一次尝试时成功，这在一定程度上回答了该项目从未完全解决的一个问题：当无法尝试第二次时，做到多好才算足够好？

我们也不知道韦布能维持多久。最初的任务基准是5年，目标是10年。由于发射极为精准，航天器在轨道校正中消耗的燃料比预算少得多，目前的估计显示推进剂供应可维持20年以上。镜面会因微流星体的撞击而缓慢降解——2022年5月记录到一次超出预期的撞击——但光学系统留有余量。

我们还不知道韦布会发现哪些意料之外的事。2022年7月发布的深场图像包含了比预测群体更红、因此也更古老的星系。关于早期宇宙的观测结果已经迫使理论学家重新审视第一批星系形成的速度。这台仪器原本是为了回答有关“第一缕光”、系外行星大气和恒星形成的特定问题。但最终定义它的，将是那些惊喜。

在Sun-Earth L2点，韦布静候在自身遮阳罩的阴影中，凝视着远方。在方圆一百万英里的范围内，再无人能触及它。

توجب على تلسكوب جيمس ويب الفضائي أن يبسط أجزاءه على بعد مليون ميل من الأرض، عبر 344 آلية لم يسبق اختبارها مجتمعة قط في ظل الظروف الحاسمة. لم تكن هناك محاولة ثانية.

صبيحة يوم عيد الميلاد لعام 2021، انطلق صاروخ Ariane 5 من قاعدة Kourou في غويانا الفرنسية حاملاً تلسكوباً مطوياً في مقدمته. كان الإطلاق متقناً؛ فداخل غطاء الحمولة، كان يرقدُ جهازٌ تبلغ قيمته عشرة مليارات دولار، مطوياً كمظلة مغلقة، وهو على وشك القيام بمهمة لم يسبق لمركبة فضائية أن حاولت تنفيذها: تجميع نفسه، على مراحل، بينما يرحل مبتعداً إلى نقطة تقع وراء القمر بأربعة أمثال المسافة.

كان لدى المهندسين على الأرض عبارة تصف الأيام التسعة والعشرين التالية؛ أطلقوا عليها "فترة أعطال النقطة الواحدة". وعطل النقطة الواحدة هو جزء لا يمتلك بديلاً احتياطياً؛ فإذا تعطل، انتهت المهمة. تشتمل مركبات الهبوط التقليدية على المريخ على نحو سبعين نقطة من هذا النوع، أما تلسكوب James Webb Space Telescope الفضائي فكان يضم ثلاثمئة وأربعاً وأربعين نقطة.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

والسبب في ذلك أن "ويب" كان أكبر من أن يستوعبه أي صاروخ متاح. فالمرآة الرئيسية، المصنوعة من البريليوم والمطلية بالذهب، يبلغ قطرها 6.5 متر، وهو ما يتجاوز قطر غطاء حمولة صاروخ "أريان" البالغ خمسة أمتار. أما درع الشمس، الذي يحافظ على برودة الأجهزة بما يكفي لرصد الأشعة تحت الحمراء، فيقارب حجمه مساحة ملعب تنس. ولكي يتسنى وضع أي جزء منه في مركبة إطلاق، أمضت شركتا Northrop Grumman وNASA الجزء الأكبر من عقدين في تصميم تلسكوب قابل للطي.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

درع الشمس

جاء الجزء الأصعب أولاً. يرى "ويب" في نطاق الأشعة تحت الحمراء، مما يعني ضرورة بقائه بارداً؛ تحت 50 كلفن، أو حوالي 223 درجة مئوية تحت الصفر. ولتحقيق هذه البرودة بينما يقبع في ضوء الشمس المباشر، يحمل التلسكوب درعاً من خمس طبقات من مادة الـKapton، كل طبقة منها أرق من شعرة الإنسان، تفصل بينها فجوات مفرغة تشع الحرارة جانبياً نحو الفضاء. وأثناء طيه للإطلاق، كانت أغشية الدرع مثبتة بـ 107 أجهزة تحرير. وعند انفراجه، كان لزاماً شدّها بواسطة 90 كبلاً تمر عبر 400 بكرة، تحركها ثمانية محركات، دون أدنى إمكانية لتدخل يدٍ بشرية لتخليص أي تعثر.

استغرقت عملية نشر درع الشمس ثمانية أيام. كان مركز التحكم بالمهمة في Space Telescope Science Institute في بالتيمور يراقب بيانات القياس عن بعد عبر نوبات عمل متواصلة. لم تكن هناك كاميرات مثبتة على المركبة موجهة نحو الدرع، لذا كان المهندسون يستنتجون الشكل الهندسي من تيار المحركات، وتدرجات الحرارة، وزاوية الأذرع. وفي اليوم الخامس، طال التوقف المخصص لعملية الشد أكثر مما كان متوقعاً؛ فأوقف الفريق التسلسل ليوم كامل لدراسة زاوية الشمس والبيانات الحرارية قبل الاستئناف. وفي النهاية، انفرجت الأغشية دون حدوث تمزق واحد.

ثماني عشرة مرآة

تتكون المرآة الرئيسية من ثمانية عشر قطعة سداسية الأضلاع، يبلغ عرض كل منها حوالي 1.3 متر. ومن أجل الإطلاق، طُويت ثلاث قطع على كل جانب إلى الخلف، كأجنحة طائر كركي ورقي مطوي. وفي اليوم الرابع عشر، تحررت الأجنحة الجانبية واستدارت لتستقر في مكانها، ولأول مرة، بدا التلسكوب كمرآة حقيقية.

ثم بدأت المرحلة البطيئة. تقبع كل قطعة فوق سبعة محركات ميكانيكية دقيقة؛ ستة منها لتحريكها في الفضاء، وواحد لثني سطحها. ويمكن لكل محرك أن يتحرك بخطوات تبلغ عشرة نانومترات تقريبًا، أي ما يعادل واحداً من عشرة آلاف من عرض شعرة الإنسان. وعلى مدار الأشهر الثلاثة التالية، سُيِّرت القطع الثماني عشرة لتشكل سطحاً بصرياً واحداً، بدقة تصل إلى حدود خمسين نانومتراً عبر كامل اتساعها. واعتمدت عملية المحاذاة على نجم يُدعى HD 84406، وهو قزم أصفر متواضع في كوكبة الدب الأكبر، حيث تم تتبع صورته عبر ثماني عشرة نقطة منفصلة حتى اندمجت جميعاً في نقطة واحدة. حمل هذا الإجراء اسماً يبدو وكأنه مستوحى من القصص الخيالية: "استرجاع الطور".

ما لا نعرفه بعد

لا نعرف، بالتفصيل، لماذا لم يفشل أي شيء. لقد اختُبر "ويب" على الأرض في Johnson Space Center داخل غرفة مفرغة مبردة إلى درجة حرارة التشغيل، لكن الجاذبية على الأرض تشوه هيكلاً بُني ليعمل في بيئة انعدام الجاذبية. يعوض المهندسون ذلك بـ "أجهزة تخفيف الأحمال"؛ وهي كبلات وأوزان موازنة تحاكي انعدام الوزن، لكن كل جهاز منها هو في حد ذاته محض محاكاة افتراضية. بعض عمليات النشر لم يكن من الممكن التدرب عليها إلا بشكل جزئي، وبعضها الآخر، مثل شد درع الشمس ذي الطبقات الخمس بالكامل، لم يكن من الممكن التدرب عليه إطلاقاً في اختبار واحد متكامل. إن نجاح كل منها من المرة الأولى هو، في جانب منه، إجابة على سؤال لم يحسمه البرنامج قط: ما هو مستوى الجودة الذي يُعد "جيداً بما يكفي"، عندما لا تملك رفاهية المحاولة الثانية؟

لا نعرف أيضاً كم من الوقت سيدوم "ويب". كانت الخطة الأصلية للمهمة هي خمس سنوات كحد أدنى، مع جعل عشر سنوات هدفاً منشوداً. ولأن الإطلاق كان دقيقاً للغاية، استهلكت المركبة وقوداً أقل مما كان مرصوداً في تصحيحات المسار، وتشير التقديرات الحالية إلى أن إمدادات الوقود قد تكفي لأكثر من عشرين عاماً. ستتدهور المرايا ببطء تحت تأثير اصطدامات النيازك الدقيقة؛ وقد سُجلت ضربة واحدة أكبر من المتوقع في مايو 2022، لكن الأنظمة البصرية تمتلك هامشاً كبيراً للمقاومة.

ولا نعرف بعد ما الذي سيكتشفه "ويب" مما لم يخطط له أحد. فقد احتوى الحقل العميق الذي نُشر في يوليو 2022 على مجرات أكثر احمراراً، وبالتالي أكثر قدماً، مما كان متوقعاً عند ذلك العمق. وقد أجبرت نتائج الكون المبكر المنظرين بالفعل على مراجعة تصوراتهم حول السرعة التي يمكن أن تكون قد تشكلت بها المجرات الأولى. لقد صُمم هذا الجهاز للإجابة على أسئلة محددة حول الضوء الأول، وأغلفة الكواكب الخارجية، وتكون النجوم، لكن المفاجآت هي التي ستصيغ هويته الحقيقية.

عند نقطة Sun-Earth L2، يقبع "ويب" في ظل درع الشمس الخاص به، متطلعاً نحو الخارج. لا يوجد أحد على بعد مليون ميل يمكنه أن يلمسه.

O Telescópio Espacial James Webb teve de se desdobrar a um milhão de milhas da Terra, através de 344 mecanismos que nunca haviam sido testados em conjunto nas condições que importavam. Não havia segunda tentativa.

Na manhã de Natal de 2021, um foguetão Ariane 5 descolou de Kourou, na Guiana Francesa, com um telescópio dobrado na sua coifa. O lançamento foi impecável. Dentro da carenagem, acondicionado como um guarda-sol fechado, estava um instrumento de 10 mil milhões de dólares que se preparava para fazer algo que nenhuma nave espacial alguma vez tentara: montar-se a si próprio, por fases, enquanto viajava para um ponto quatro vezes mais distante do que a Lua.

Os engenheiros em terra tinham uma frase para os vinte e nove dias seguintes. Chamavam-lhe o período de falhas de ponto único. Uma falha de ponto único é uma peça sem redundância — se encrava, a missão termina. Uma sonda de aterragem em Marte tem talvez setenta. O James Webb Space Telescope tinha trezentas e quarenta e quatro.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

Isto porque o Webb era demasiado grande para qualquer foguetão existente. O espelho primário, de berílio revestido a ouro, tem 6,5 metros de largura — mais largo do que a coifa de cinco metros do Ariane. O escudo solar, que mantém os instrumentos suficientemente frios para detetar a luz infravermelha, tem o tamanho de um campo de ténis. Para que coubesse num veículo de lançamento, a Northrop Grumman e a NASA passaram a maior parte de duas décadas a projetar um telescópio que pudesse ser dobrado.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

O escudo solar

A parte mais difícil veio primeiro. O Webb observa no infravermelho, o que significa que tem de estar frio — abaixo de 50 kelvin, cerca de 223 graus Celsius negativos. Para atingir essa temperatura enquanto recebe luz solar direta, transporta um escudo de cinco camadas de Kapton, cada camada mais fina do que um cabelo humano, separadas por vácuo que irradia o calor lateralmente para o espaço. Dobradas para o lançamento, as membranas foram fixadas por 107 dispositivos de libertação. Desdobradas, tinham de ser tensionadas por 90 cabos que passavam por 400 roldanas, movidos por oito motores, sem qualquer possibilidade de uma mão humana intervir para libertar um eventual bloqueio.

A implantação do escudo solar demorou oito dias. O controlo da missão no Space Telescope Science Institute, em Baltimore, vigiou a telemetria em turnos. Não havia câmaras na nave apontadas para o escudo. Os engenheiros inferiam a geometria a partir das correntes dos motores, dos gradientes de temperatura e do ângulo das hastes. No quinto dia, uma pausa na tensão prolongou-se mais do que o esperado; a equipa suspendeu a sequência durante um dia para estudar o ângulo solar e os dados térmicos antes de retomar. As membranas abriram-se sem um único rasgão.

Dezoito espelhos

O espelho primário é composto por dezoito segmentos hexagonais, cada um com cerca de 1,3 metros de largura. Para o lançamento, três segmentos de cada lado foram dobrados para trás, como as asas de um grou de papel. No décimo quarto dia, as abas laterais soltaram-se e rodaram para o lugar, e o espelho, pela primeira vez, assemelhou-se a um espelho.

Começou então a parte lenta. Cada segmento assenta em sete atuadores — seis que o movem no espaço, um que curva a sua superfície — e cada atuador pode avançar em incrementos de cerca de dez nanómetros, aproximadamente um décimo milésimo da espessura de um cabelo humano. Ao longo dos três meses seguintes, os dezoito segmentos foram alinhados até formarem uma única superfície ótica, com uma precisão em toda a sua extensão de cinquenta nanómetros. O alinhamento baseou-se numa estrela — HD 84406, uma anã amarela comum na Ursa Maior — cuja imagem foi seguida através de dezoito pontos distintos até estes convergirem num só. O procedimento tinha um nome de conto de fadas: "recuperação de fase".

O que ainda não sabemos

Não sabemos, em detalhe, por que razão nada falhou. O Webb foi testado em terra no Johnson Space Center, numa câmara de vácuo arrefecida até à temperatura de operação, mas a gravidade na Terra distorce uma estrutura construída para a ausência de peso. Os engenheiros compensam com sistemas de descarga — cabos e contrapesos que mimetizam a microgravidade — mas cada um destes sistemas é, em si mesmo, uma ficção. Algumas etapas da implantação só puderam ser ensaiadas parcialmente. Outras, como o tensionamento total das cinco camadas do escudo solar, não puderam sequer ser ensaiadas num único teste coerente. O facto de tudo ter funcionado à primeira é, em parte, a resposta a uma pergunta que o programa nunca resolveu totalmente: quão bom é o suficientemente bom, quando não se pode tentar uma segunda vez?

Também não sabemos quanto tempo o Webb irá durar. A missão original previa um período base de cinco anos, com dez como objetivo. Como o lançamento foi tão preciso, a nave utilizou menos combustível do que o orçamentado nas correções de trajetória, e as estimativas atuais apontam para reservas de propelente para mais de vinte anos. Os espelhos degradar-se-ão lentamente sob o impacto de micrometeoritos — um impacto maior do que o esperado foi registado em maio de 2022 — mas a ótica tem margem de manobra.

E ainda não sabemos o que o Webb irá encontrar que ninguém planeou. O campo profundo divulgado em julho de 2022 continha galáxias mais vermelhas, e portanto mais antigas, do que a população prevista para aquela profundidade. Os resultados sobre o universo primitivo já forçaram os teóricos a rever a rapidez com que as primeiras galáxias se poderiam ter formado. O instrumento foi concebido para responder a perguntas específicas sobre a primeira luz, atmosferas de exoplanetas e formação estelar. Serão as surpresas a defini-lo.

No ponto Sun-Earth L2, o Webb situa-se na sombra do seu próprio escudo solar, olhando para o exterior. Não há ninguém num raio de um milhão de milhas que lhe possa tocar.

Teleskop Luar Angkasa James Webb harus membentangkan dirinya sejauh sejuta mil dari Bumi, melalui 344 mekanisme yang belum pernah diuji bersama dalam kondisi yang menentukan. Tak ada kesempatan kedua.

Pada pagi Natal 2021, sebuah roket Ariane 5 meluncur dari Kourou di Guyana Prancis dengan sebuah teleskop yang terlipat di dalam kerucut hidungnya. Peluncuran itu berjalan mulus. Di dalam selubung pelindung, terkemas bak payung tertutup, terdapat instrumen senilai $10 miliar yang hendak melakukan sesuatu yang belum pernah dicoba oleh wahana antariksa mana pun: merakit dirinya sendiri, secara bertahap, sembari menempuh perjalanan menuju titik yang jaraknya empat kali lebih jauh daripada Bulan.

Para insinyur di darat memiliki istilah tersendiri bagi dua puluh sembilan hari berikutnya. Mereka menyebutnya periode kegagalan titik tunggal. Kegagalan titik tunggal adalah sebuah komponen tanpa redundansi—jika ia macet, misi berakhir. Sebuah pendarat Mars pada umumnya mungkin memiliki sekitar tujuh puluh titik tersebut. James Webb Space Telescope memiliki tiga ratus empat puluh empat.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

Hal ini dikarenakan ukuran Webb terlalu besar bagi roket apa pun yang ada saat ini. Cermin utamanya, yang terbuat dari berilium berlapis emas, memiliki diameter 6,5 meter—lebih lebar daripada selubung pelindung Ariane yang berdiameter lima meter. Pelindung mataharinya, yang menjaga instrumen agar tetap cukup dingin untuk melihat cahaya inframerah, berukuran sebesar lapangan tenis. Agar semuanya bisa muat ke dalam kendaraan peluncur, Northrop Grumman dan NASA menghabiskan sebagian besar waktu selama dua dekade untuk merancang teleskop yang bisa dilipat.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

Pelindung matahari

Bagian tersulit datang pertama kali. Webb melihat dalam spektrum inframerah, yang berarti ia harus berada dalam kondisi dingin—di bawah 50 kelvin, atau sekitar minus 223 derajat Celsius. Untuk mencapai suhu sedingin itu sembari terpapar sinar matahari langsung, wahana ini mengusung pelindung lima lapis yang terbuat dari Kapton, dengan setiap lapisan yang lebih tipis dari helai rambut manusia, dipisahkan oleh celah hampa udara yang meradiasikan panas ke samping menuju ruang angkasa. Saat terlipat untuk peluncuran, membran-membran tersebut dikunci oleh 107 perangkat pelepas. Saat dibentangkan, mereka harus ditegangkan oleh 90 kabel yang melewati 400 katrol, digerakkan oleh delapan motor, tanpa kemungkinan adanya tangan yang bisa menjangkau ke dalam untuk melepaskan bagian yang tersangkut.

Proses pembentangan pelindung matahari ini memakan waktu delapan hari. Pusat kendali misi di Space Telescope Science Institute di Baltimore mengawasi telemetri dalam sistem giliran kerja. Tidak ada kamera pada wahana antariksa yang diarahkan ke pelindung tersebut. Para insinyur menyimpulkan geometrinya berdasarkan arus motor, gradien suhu, dan sudut lengan penyangga. Pada hari kelima, jeda penegangan berlangsung lebih lama dari yang diperkirakan; tim menghentikan urutan prosedur selama sehari untuk mempelajari data sudut matahari dan termal sebelum melanjutkan kembali. Membran-membran tersebut terbentang tanpa satu pun robekan.

Delapan belas cermin

Cermin utamanya terdiri dari delapan belas segmen heksagonal, yang masing-masing berdiameter sekitar 1,3 meter. Untuk peluncuran, tiga segmen di setiap sisi dilipat ke belakang, seperti sayap burung jenjang kertas. Pada hari keempat belas, sayap samping tersebut terlepas kuncinya dan berayun ke tempatnya, dan cermin itu, untuk pertama kalinya, tampak seperti sebuah cermin utuh.

Kemudian dimulailah bagian yang lambat. Setiap segmen bertumpu pada tujuh aktuator—enam yang menggerakkannya di ruang angkasa, satu yang melengkungkan permukaannya—dan setiap aktuator dapat bergerak dalam peningkatan sekitar sepuluh nanometer, kira-kira sepersepuluh ribu lebar sehelai rambut manusia. Selama tiga bulan berikutnya, kedelapan belas segmen tersebut diselaraskan menjadi satu permukaan optik tunggal, dengan tingkat akurasi di seluruh bentangannya hingga dalam rentang lima puluh nanometer. Penyelarasan ini mengandalkan sebuah bintang—HD 84406, sebuah bintang katai kuning biasa di rasi Ursa Major—yang citranya dilacak melalui delapan belas titik terpisah hingga mereka melebur menjadi satu. Prosedur ini memiliki nama yang terdengar seperti dari negeri dongeng: "pengambilan fase."

Apa yang masih belum kita ketahui

Kita tidak tahu, secara mendetail, mengapa tidak ada satu pun yang gagal. Webb telah diuji di darat di Johnson Space Center di dalam ruang hampa udara yang didinginkan hingga suhu operasional, namun gravitasi di Bumi mendistorsi struktur yang dibangun untuk kondisi tanpa gravitasi. Para insinyur menyiasatinya dengan *off-loader*—kabel dan penyeimbang yang meniru kondisi tanpa bobot—namun setiap *off-loader* itu sendiri merupakan sebuah rekayasa. Beberapa proses pembentangan hanya bisa dilatih sebagian. Beberapa lainnya, seperti penegangan penuh kelima lapisan pelindung matahari, sama sekali tidak bisa dilatih dalam satu pengujian koheren yang utuh. Bahwa setiap bagian bekerja pada percobaan pertama merupakan, sebagian, jawaban atas pertanyaan yang tidak pernah benar-benar diselesaikan oleh program ini: seberapa baik dianggap cukup baik, ketika Anda tidak bisa mencoba untuk kedua kalinya?

Kita juga tidak tahu berapa lama Webb akan bertahan. Misi aslinya memiliki garis dasar lima tahun, dengan sepuluh tahun sebagai target. Karena peluncurannya sangat presisi, wahana antariksa ini menggunakan lebih sedikit bahan bakar daripada yang dianggarkan pada koreksi jalur tengahnya, dan perkiraan saat ini menempatkan persediaan propelan pada angka lebih dari dua puluh tahun. Cermin-cermin tersebut akan terdegradasi secara perlahan akibat hantaman mikrometeoroid—satu hantaman yang lebih besar dari perkiraan tercatat pada Mei 2022—namun sistem optiknya memiliki margin ketahanan.

Dan kita belum tahu apa yang akan ditemukan Webb yang tidak pernah direncanakan oleh siapa pun. Citra medan dalam yang dirilis pada Juli 2022 memuat galaksi-galaksi yang lebih merah, dan karena itu lebih tua, daripada populasi yang diprediksi pada kedalaman tersebut. Hasil dari alam semesta awal telah memaksa para teoris untuk meninjau kembali seberapa cepat galaksi-galaksi pertama dapat terbentuk. Instrumen ini dirancang untuk menjawab pertanyaan spesifik tentang cahaya perdana, atmosfer eksoplanet, dan pembentukan bintang. Kejutan-kejutan itulah yang nantinya akan mendefinisikan eksistensinya.

Di titik Sun-Earth L2, Webb berada di bawah bayang-bayang pelindung mataharinya sendiri, menatap jauh ke luar. Tidak ada seorang pun dalam radius sejuta mil yang bisa menyentuhnya.

Le télescope spatial James Webb a dû se déployer à un million de milles de la Terre, au travers de 344 mécanismes qui n’avaient jamais été testés ensemble dans les conditions qui importaient. Il n’y avait pas de seconde chance.

Le matin de Noël 2021, une fusée Ariane 5 a décollé de Kourou, en Guyane française, emportant un télescope replié dans sa coiffe. Le lancement fut impeccable. Sous le carénage, compacté comme un parasol fermé, se trouvait un instrument de 10 milliards de dollars sur le point d'accomplir ce qu'aucun engin spatial n'avait jamais tenté : s'assembler lui-même, par étapes, tout en voguant vers un point quatre fois plus éloigné que la Lune.

Les ingénieurs au sol avaient une expression pour désigner les vingt-neuf jours suivants. Ils parlaient de la période des « points de défaillance unique ». Un point de défaillance unique est un composant dépourvu de redondance : s'il se bloque, la mission prend fin. Un atterrisseur martien typique en compte environ soixante-dix. Le James Webb Space Telescope en dénombrait trois cent quarante-quatre.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

Car Webb était trop vaste pour n'importe quelle fusée existante. Le miroir primaire, en béryllium plaqué or, mesure 6,5 mètres de diamètre — plus large que la coiffe de cinq mètres d'Ariane. Le bouclier thermique, qui maintient les instruments à une température assez basse pour percevoir la lumière infrarouge, fait la taille d'un court de tennis. Pour faire tenir l'ensemble dans un lanceur, Northrop Grumman et la NASA ont passé la majeure partie de deux décennies à concevoir un télescope capable de se plier.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

Le bouclier thermique

La partie la plus délicate vint en premier. Webb observe dans l'infrarouge, ce qui signifie qu'il doit rester froid — sous les 50 kelvins, soit environ moins 223 degrés Celsius. Pour atteindre cette température tout en étant exposé directement au soleil, il transporte un bouclier composé de cinq couches de Kapton, chacune plus fine qu'un cheveu humain, séparées par des vides qui irradient la chaleur latéralement vers l'espace. Repliées pour le lancement, les membranes étaient maintenues par 107 dispositifs de libération. Une fois déployées, elles devaient être mises sous tension par 90 câbles passant par 400 poulies, entraînés par huit moteurs, sans aucune possibilité d'intervention humaine pour décoincer un éventuel accroc.

Le déploiement du bouclier thermique dura huit jours. Le centre de contrôle de la mission au Space Telescope Science Institute à Baltimore surveillait la télémétrie par roulements. Le vaisseau ne possédait aucune caméra orientée vers le bouclier. Les ingénieurs déduisaient la géométrie à partir des courants des moteurs, des gradients de température et de l'angle des mâts. Au cinquième jour, une pause de mise sous tension s'étira plus longtemps que prévu ; l'équipe suspendit la séquence pendant vingt-quatre heures pour étudier l'angle d'ensoleillement et les données thermiques avant de reprendre. Les membranes se déployèrent sans la moindre déchirure.

Dix-huit miroirs

Le miroir primaire se compose de dix-huit segments hexagonaux, mesurant chacun environ 1,3 mètre de large. Pour le lancement, trois segments de chaque côté étaient rabattus vers l'arrière, tels les ailes d'une grue en papier. Au quatorzième jour, les ailes latérales se déverrouillèrent et pivotèrent pour se mettre en place, et le miroir, pour la première fois, ressembla enfin à un miroir.

Alors commença la phase la plus lente. Chaque segment repose sur sept actionneurs — six pour le déplacer dans l'espace, un pour courber sa surface — et chaque actionneur peut avancer par incréments d'environ dix nanomètres, soit à peu près un dix-millième de l'épaisseur d'un cheveu. Au cours des trois mois suivants, les dix-huit segments furent ajustés pour former une surface optique unique, précise sur toute son étendue à cinquante nanomètres près. L'alignement s'appuyait sur une étoile — HD 84406, une naine jaune banale de la Grande Ourse — dont l'image fut suivie à travers dix-huit points distincts jusqu'à ce qu'ils fusionnent en un seul. La procédure portait un nom digne d'un conte de fées : la « récupération de phase ».

Ce que nous ignorons encore

Nous ne savons pas, dans le détail, pourquoi rien n'a échoué. Webb a été testé au sol au Johnson Space Center dans une chambre à vide refroidie à sa température de fonctionnement, mais la gravité terrestre déforme une structure conçue pour l'apesanteur. Les ingénieurs compensent avec des dispositifs de décharge — des câbles et des contrepoids mimant l'impesanteur — mais chaque déchargeur est lui-même une fiction. Certains déploiements n'ont pu être répétés que partiellement. D'autres, comme la mise sous tension complète des cinq couches du bouclier, n'ont jamais pu faire l'objet d'une répétition globale en un seul test cohérent. Que chaque étape ait fonctionné du premier coup est, en partie, une réponse à une question que le programme n'a jamais tout à fait tranchée : quel niveau de perfection suffit, quand on n'a pas droit à une seconde chance ?

Nous ignorons également combien de temps Webb durera. La mission initiale prévoyait une base de cinq ans, avec dix ans pour objectif. Le lancement ayant été d'une précision extrême, le vaisseau a consommé moins de carburant que prévu lors de ses corrections de trajectoire à mi-parcours, et les estimations actuelles évaluent les réserves de propergol à plus de vingt ans. Les miroirs se dégraderont lentement sous l'impact des micrométéoroïdes — un choc plus important que prévu a été enregistré en mai 2022 — mais l'optique dispose d'une marge de sécurité.

Enfin, nous ne savons pas encore ce que Webb découvrira de totalement imprévu. Le champ profond révélé en juillet 2022 contenait des galaxies plus rouges, et donc plus anciennes, que la population prédite à cette profondeur. Les résultats sur l'univers primitif ont déjà forcé les théoriciens à reconsidérer la vitesse à laquelle les premières galaxies ont pu s'assembler. L'instrument a été conçu pour répondre à des questions spécifiques sur la première lumière, les atmosphères des exoplanètes et la formation des étoiles. Ce sont les surprises qui le définiront.

Au point Sun-Earth L2, Webb se tient dans l'ombre de son propre bouclier thermique, tourné vers le lointain. Il n'y a personne à un million de milles à la ronde qui puisse le toucher.

地球から100万マイル。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、本番の条件下で一度も統合テストを経験していない344もの機構を介し、自らの身を展開させねばならなかった。そこに、二度目の試行は存在しなかった。

2021年のクリスマスの朝、Ariane 5ロケットが、そのノーズコーンに折り畳まれた望遠鏡を載せ、仏領ギアナのKourouから飛び立った。打ち上げは完璧だった。フェアリングの内部に、閉じた日傘のように格納されていたのは、100億ドルの巨費を投じた観測機器である。それは、これまでの宇宙機が一度も試みたことのない離れ業を演じようとしていた。月よりも4倍も遠い地点へと向かいながら、段階的に自らを組み上げていくという挑戦である。

地上の技術者たちは、その後の29日間をある言葉で表現した。彼らはそれを「シングル・ポイント・フェイリヤー（単一故障点）の期間」と呼んだ。シングル・ポイント・フェイリヤーとは、冗長性のない部品を指し、それが一度でも故障すれば、その時点でミッションは終わる。一般的な火星着陸機では、その数はおそらく70ほどだ。対して、James Webb Space Telescopeには344もの箇所が存在した。

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

これは、ウェッブが既存のどのロケットに載せるにも大きすぎたためである。金でコーティングされたベリリウム製の主鏡は、直径6.5メートル。アリアンの5メートル幅のフェアリングよりも大きい。赤外線を捉えるために計器を極低温に保つサンシールド（遮光幕）は、テニスコートほどの広さがある。これを打ち上げ車両に収めるため、Northrop GrummanとNASAは20年近い歳月を費やし、折り畳み可能な望遠鏡を設計した。

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

サンシールド

最も困難な行程が最初に訪れた。ウェッブは赤外線で観測するため、50ケルビン（マイナス223度）以下の極低温に保たれなければならない。直射日光にさらされながらこの温度を実現するため、望遠鏡は5層のKapton膜からなるシールドを備えている。各層は人間の髪の毛よりも薄く、その間に設けられた真空の隙間が熱を宇宙空間へと放射する。打ち上げのために折り畳まれていた膜は、107個の解除装置で固定されていた。展開時には、8つのモーターに駆動された400個のプーリーと90本のケーブルによって張力をかけなければならない。何かが引っかかったとしても、人の手で助け出すことは不可能だった。

サンシールドの展開には8日間を要した。ボルチモアにあるSpace Telescope Science Institute（宇宙望遠鏡科学研究所）の運用管制室では、交代制でテレメトリが監視された。機体にはシールドを捉えるカメラは設置されていない。技術者たちは、モーターの電流値や温度勾配、ブームの角度からその形状を推測するしかなかった。5日目、張力調整の休止時間が予定より長引いた。チームはシーケンスを1日中断し、太陽角と熱データを精査した上で作業を再考し、再開した。膜は、ただの一箇所の破れもなく展開された。

18枚の鏡

主鏡は18枚の六角形セグメントで構成され、各セグメントの幅は約1.3メートルである。打ち上げ時には、折り紙の鶴の翼のように、両側の3枚ずつが後ろに折り畳まれていた。14日目、サイドウィングのロックが外れて所定の位置に収まると、鏡は初めて「鏡」としての形を成した。

そこから、気の遠くなるような作業が始まった。各セグメントは7つのアクチュエータ（位置調整装置）の上に載っている。6つが空間内での動きを制御し、1つが鏡の表面を湾曲させる。各アクチュエータは、人間の髪の毛の幅の約1万分の1に相当する、およそ10ナノメートルの刻みで動かすことができる。その後の3ヶ月をかけて、18枚のセグメントは一つの光学面へと調整され、その全面にわたって50ナノメートル以内の精度にまで磨き上げられた。この光軸合わせの基準となったのは、おおぐま座にある何の変哲もない黄色主系列星、HD 84406である。18個の点として映っていたその姿は、一つに重なるまで追跡された。この工程には、「フェーズ・リトリーバル（位相回復）」というおとぎ話のような名が付けられていた。

未だ知られざるもの

なぜ一つとして失敗が起きなかったのか、その詳細を私たちは知らない。ウェッブは地上のJohnson Space Centerにある、動作温度まで冷却された真空チャンバー内でテストされた。しかし、無重力下で機能するように設計された構造体は、地球の重力によって歪んでしまう。技術者たちは、無重力を模したケーブルや重りである「オフローダー」を用いてこれを補正したが、すべてのオフローダーはそれ自体が擬制にすぎない。一部の展開作業は部分的なリハーサルしかできず、5層のサンシールド全体に張力をかけるような作業にいたっては、一連の統合テストとしてリハーサルを行うことすら不可能だった。すべての工程が初回で成功した事実は、このプログラムが最後まで解決しなかった問いへの答えでもある。すなわち、「やり直しがきかない状況において、どこまで突き詰めれば『十分』と言えるのか」という問いである。

また、ウェッブがいつまで稼働し続けるかも分かっていない。当初のミッション期間は5年を基本とし、10年を目標としていた。しかし打ち上げが極めて正確だったため、軌道修正に使用する燃料が予定より少なくて済み、現在の推定では20年以上分の推進剤が残っているとされる。鏡は微小隕石の衝突によって徐々に劣化していくだろう（2022年5月には、予想を上回る大きさの衝撃が1回記録されている）。だが、光学系には十分な余裕がある。

そして、誰も予期しなかった何をウェッブが発見するのかも、まだ未知数だ。2022年7月に公開されたディープ・フィールドには、その深さにおける予測を上回る、赤く、すなわち古い銀河が含まれていた。初期宇宙に関するこれらの結果は、すでに理論家たちに対し、最初の銀河がいかに迅速に形成されたかという再考を迫っている。この観測機器は、「ファースト・ライト」、系外惑星の大気、そして星形成に関する特定の疑問に答えるために設計された。しかし、この望遠鏡を定義づけるのは、そうした予期せぬ驚きの方だろう。

Sun-Earth L2において、ウェッブは自らのサンシールドの影に潜み、外宇宙を見つめている。そこから100万マイル以内の圏内に、それに触れられる者は誰もいない。

Das James-Webb-Weltraumteleskop musste sich eine Million Meilen von der Erde entfernt entfalten, durch 344 Mechanismen, die niemals zuvor unter jenen Bedingungen, auf die es ankam, gemeinsam getestet worden waren. Einen zweiten Versuch gab es nicht.

Am Weihnachtsmorgen 2021 hob eine Ariane 5-Rakete von Kourou in Französisch-Guayana ab, mit einem zusammengefalteten Teleskop in ihrer Bugverkleidung. Der Start verlief reibungslos. Unter der Nutzlastverkleidung, verpackt wie ein geschlossener Sonnenschirm, befand sich ein 10 Milliarden Dollar teures Instrument, das kurz davor stand, etwas zu vollbringen, das noch nie ein Raumschiff gewagt hatte: sich in Etappen selbst zusammenzusetzen, während es zu einem Punkt reiste, der viermal weiter entfernt ist als der Mond.

Die Ingenieure am Boden hatten einen Begriff für die nächsten neunundzwanzig Tage. Sie nannten sie die Phase der Single-Point-Failures. Ein Single-Point-Failure ist eine Komponente ohne Redundanz – wenn sie klemmt, ist die Mission beendet. Ein typischer Mars-Lander hat vielleicht siebzig davon. Das James Webb Space Telescope hatte dreihundertvierundvierzig.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

Das lag daran, dass Webb zu groß für jede existierende Rakete war. Der Hauptspiegel aus goldbeschichtetem Beryllium misst 6,5 Meter im Durchmesser – breiter als die fünf Meter messende Nutzlastverkleidung der Ariane. Der Sonnenschutz, der die Instrumente kalt genug hält, um Infrarotlicht wahrzunehmen, hat die Größe eines Tennisplatzes. Um all das auf einem Trägerfahrzeug unterzubringen, verbrachten Northrop Grumman und die NASA den Großteil zweier Jahrzete damit, ein Teleskop zu entwerfen, das sich falten ließ.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

Der Sonnenschutz

Der schwierigste Teil kam zuerst. Webb sieht im Infrarotbereich, was bedeutet, dass es kalt sein muss – unter 50 Kelvin, etwa minus 223 Grad Celsius. Um diese Kälte zu erreichen, während es im direkten Sonnenlicht steht, trägt es einen fünfschichtigen Schutz aus Kapton. Jede Schicht ist dünner als ein menschliches Haar, getrennt durch Vakuumspalten, die die Hitze seitlich in den Weltraum abstrahlen. Für den Start zusammengefaltet, wurden die Membranen von 107 Auslösevorrichtungen fixiert. Entfaltet mussten sie von 90 Kabeln gespannt werden, die über 400 Seilrollen liefen und von acht Motoren angetrieben wurden – ohne die Möglichkeit, dass eine Hand eingreift, um eine Verhakung zu lösen.

Die Entfaltung des Sonnenschutzes dauerte acht Tage. Die Missionskontrolle am Space Telescope Science Institute in Baltimore beobachtete die Telemetrie in Schichten. Es gab keine Kameras auf dem Raumschiff, die auf den Schutz gerichtet waren. Die Ingenieure leiteten die Geometrie aus Motorströmen, Temperaturgradienten und dem Winkel der Ausleger ab. Am fünften Tag dauerte eine Pause beim Spannen länger als erwartet; das Team hielt die Sequenz für einen Tag an, um Sonnenwinkel- und Thermaldaten zu studieren, bevor es fortfuhr. Die Membranen entfalteten sich ohne einen einzigen Riss.

Achtzehn Spiegel

Der Hauptspiegel besteht aus achtzehn hexagonalen Segmenten, von denen jedes etwa 1,3 Meter breit ist. Für den Start waren drei Segmente auf jeder Seite zurückgeklappt, wie die Flügel eines Papierkranichs. Am vierzehnten Tag entriegelten sich die Seitenflügel und schwangen in Position, und der Spiegel sah zum ersten Mal wie ein Spiegel aus.

Dann begann der langsame Teil. Jedes Segment sitzt auf sieben Aktoren – sechs, die es im Raum bewegen, einer, der seine Oberfläche krümmt –, und jeder Aktor kann sich in Schritten von etwa zehn Nanometern bewegen, was grob einem Zehntausendstel der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Über die folgenden drei Monate wurden die achtzehn Segmente zu einer einzigen optischen Oberfläche zusammengeführt, die über ihre gesamte Spannweite bis auf fünfzig Nanometer genau war. Die Ausrichtung stützte sich auf einen Stern – HD 84406, ein unscheinbarer Gelber Zwerg im Großen Bären –, dessen Bild durch achtzehn einzelne Punkte verfolgt wurde, bis sie zu einem verschmolzen. Das Verfahren trug einen Namen wie aus einem Märchen: „Phasenrückgewinnung“.

Was wir noch immer nicht wissen

Wir wissen nicht im Detail, warum nichts schiefging. Webb wurde am Boden im Johnson Space Center in einer auf Betriebstemperatur heruntergekühlten Vakuumkammer getestet, aber die Schwerkraft auf der Erde verzerrt eine Struktur, die für die Schwerelosigkeit gebaut wurde. Ingenieure kompensieren dies mit Entlastungsvorrichtungen – Kabeln und Gegengewichten, die die Schwerelosigkeit imitieren –, doch jede Entlastung ist selbst eine Fiktion. Einige Entfaltungsschritte konnten nur teilweise geprobt werden. Manche, wie das vollständige Spannen des fünfschichtigen Sonnenschutzes, konnten in einem einzigen zusammenhängenden Test überhaupt nicht geprobt werden. Dass jeder einzelne Schritt beim ersten Mal funktionierte, ist zum Teil eine Antwort auf eine Frage, die das Programm nie ganz klärte: Wie gut ist gut genug, wenn man keinen zweiten Versuch hat?

Wir wissen auch nicht, wie lange Webb halten wird. Die ursprüngliche Mission war auf fünf Jahre ausgelegt, mit zehn Jahren als Ziel. Da der Start so präzise erfolgte, verbrauchte das Raumschiff bei seinen Kurskorrekturen weniger Treibstoff als veranschlagt, und aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass der Vorrat an Treibmittel für mehr als zwanzig Jahre reicht. Die Spiegel werden durch Mikrometeoriteneinschläge langsam degradieren – ein Einschlag, der größer als erwartet war, wurde im Mai 2022 verzeichnet –, aber die Optik verfügt über Spielraum.

Und wir wissen noch nicht, was Webb finden wird, womit niemand gerechnet hat. Das im Juli 2022 veröffentlichte Deep-Field-Bild enthielt Galaxien, die röter und damit älter waren, als die vorhergesagte Population in dieser Tiefe vermuten ließ. Die Ergebnisse aus dem frühen Universum haben Theoretiker bereits dazu gezwungen, zu überdenken, wie schnell sich die ersten Galaxien geformt haben könnten. Das Instrument wurde entwickelt, um spezifische Fragen zum ersten Licht, zu Exoplanetenatmosphären und zur Sternentstehung zu beantworten. Es sind die Überraschungen, die es definieren werden.

Am Sun-Earth L2-Punkt befindet sich Webb im Schatten seines eigenen Sonnenschutzes und blickt nach außen. Es gibt niemanden im Umkreis von einer Million Meilen, der es berühren könnte.

El telescopio espacial James Webb tuvo que desplegarse a un millón de millas de la Tierra, mediante 344 mecanismos que jamás se habían puesto a prueba juntos bajo las condiciones que importaban. No había un segundo intento.

En la mañana de Navidad de 2021, un cohete Ariane 5 despegó desde Kourou, en la Guayana Francesa, con un telescopio plegado en su cofia. El lanzamiento fue impecable. Dentro del carenado, guardado como un parasol cerrado, se encontraba un instrumento de 10.000 millones de dólares que estaba a punto de intentar algo que ninguna nave espacial había pretendido jamás: ensamblarse a sí mismo, por etapas, mientras viajaba hacia un punto cuatro veces más lejano que la Luna.

Los ingenieros en tierra tenían una frase para los siguientes veintinueve días. Lo llamaban el periodo de fallos de punto único. Un fallo de punto único es una pieza sin redundancia: si se encalla, la misión termina. Un módulo de aterrizaje en Marte típico tiene quizás setenta. El James Webb Space Telescope tenía trescientos cuarenta y cuatro.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

Esto se debe a que el Webb era demasiado grande para cualquier cohete existente. El espejo primario, de berilio recubierto de oro, mide 6,5 metros de diámetro, más que los cinco metros del carenado del Ariane. El escudo térmico, que mantiene los instrumentos lo suficientemente fríos para ver la luz infrarroja, tiene el tamaño de una pista de tenis. Para lograr que cupiera en un vehículo de lanzamiento, Northrop Grumman y la NASA dedicaron la mayor parte de dos décadas a diseñar un telescopio que pudiera plegarse.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

El escudo térmico

La parte más difícil fue la primera. El Webb observa en el infrarrojo, lo que significa que debe estar frío: por debajo de los 50 kelvin, unos 223 grados Celsius bajo cero. Para alcanzar esa temperatura mientras se encuentra bajo la luz directa del sol, lleva un escudo de cinco capas de Kapton, cada una más fina que un cabello humano, separadas por huecos de vacío que irradian el calor lateralmente hacia el espacio. Plegadas para el lanzamiento, las membranas estaban sujetas por 107 dispositivos de liberación. Desplegadas, debían ser tensadas por 90 cables que pasaban a través de 400 poleas, accionadas por ocho motores, sin posibilidad de que una mano pudiera intervenir para liberar un enganche.

El despliegue del escudo térmico duró ocho días. El control de la misión en el Space Telescope Science Institute de Baltimore vigiló la telemetría por turnos. No había cámaras en la nave espacial que apuntaran al escudo. Los ingenieros deducían la geometría a partir de las corrientes de los motores, los gradientes de temperatura y el ángulo de los mástiles. En el quinto día, una pausa en el tensado se alargó más de lo previsto; el equipo detuvo la secuencia durante un día para estudiar el ángulo del sol y los datos térmicos antes de reanudarla. Las membranas se desplegaron sin un solo desgarro.

Dieciocho espejos

El espejo primario se compone de dieciocho segmentos hexagonales, cada uno de unos 1,3 metros de ancho. Para el lanzamiento, tres segmentos de cada lado se plegaron hacia atrás, como las alas de una grulla de papel. En el decimocuarto día, las alas laterales se desbloquearon y giraron hasta su posición, y el espejo, por primera vez, pareció un espejo.

Entonces comenzó la parte lenta. Cada segmento descansa sobre siete actuadores —seis que lo mueven en el espacio, uno que curva su superficie— y cada actuador puede avanzar en incrementos de unos diez nanómetros, aproximadamente una diezmilésima parte del grosor de un cabello humano. Durante los tres meses siguientes, los dieciocho segmentos se fueron ajustando hasta formar una única superficie óptica, con una precisión en todo su barrido de cincuenta nanómetros. La alineación se basó en una estrella —HD 84406, una enana amarilla corriente en la Osa Mayor— cuya imagen fue rastreada a través de dieciocho puntos distintos hasta que se fundieron en uno solo. El procedimiento tenía un nombre propio de un cuento de hadas: «recuperación de fase».

Lo que aún no sabemos

No sabemos, en detalle, por qué no falló nada. El Webb fue probado en tierra, en el Johnson Space Center, en una cámara de vacío enfriada hasta la temperatura de funcionamiento, pero la gravedad terrestre distorsiona una estructura construida para la gravedad cero. Los ingenieros lo compensan con descargadores de peso —cables y contrapesos que imitan la ingravidez—, pero cada descargador es en sí mismo una ficción. Algunos despliegues solo pudieron ensayarse parcialmente. Otros, como el tensado completo de las cinco capas del escudo térmico, no pudieron ensayarse en absoluto en una única prueba coherente. El hecho de que todos funcionaran a la primera es, en parte, la respuesta a una pregunta que el programa nunca llegó a resolver: ¿qué tan bueno es lo suficientemente bueno cuando no puedes intentarlo dos veces?

Tampoco sabemos cuánto durará el Webb. La misión original tenía una base de cinco años, con diez como objetivo. Dado que el lanzamiento fue tan preciso, la nave consumió menos combustible del presupuestado en sus correcciones de trayectoria, y las estimaciones actuales sitúan el suministro de propulsor en algo más de veinte años. Los espejos se degradarán lentamente bajo los impactos de micrometeoritos —se registró un impacto mayor de lo esperado en mayo de 2022—, pero la óptica cuenta con margen de seguridad.

Y aún no sabemos qué descubrirá el Webb que nadie haya planeado. El campo profundo publicado en julio de 2022 contenía galaxias más rojas y, por tanto, más antiguas que la población prevista a esa profundidad. Los resultados del universo temprano ya han obligado a los teóricos a revisar la rapidez con la que pudieron ensamblarse las primeras galaxias. El instrumento fue diseñado para responder preguntas específicas sobre la primera luz, las atmósferas de los exoplanetas y la formación estelar. Serán las sorpresas las que lo definan.

En el punto Sun-Earth L2, el Webb reposa a la sombra de su propio escudo térmico, mirando hacia afuera. No hay nadie en un millón de millas que pueda tocarlo.

제임스 웹 우주 망원경은 지구에서 100만 마일 떨어진 곳에서, 실전과 같은 조건 하에 단 한 번도 함께 시험된 적 없는 344개의 메커니즘을 거쳐 스스로를 펼쳐야 했다. 두 번째 시도란 없었다.

2021년 크리스마스 아침, 프랑스령 기아나의 Kourou에서 접이식 망원경을 노즈콘에 실은 Ariane 5 로켓이 솟아올랐다. 발사는 매끄러웠다. 페어링 내부에는 마치 접힌 양산처럼 100억 달러짜리 기기가 담겨 있었고, 이 기기는 지금까지 그 어떤 우주선도 시도하지 않았던 일을 막 시작하려던 참이었다. 바로 달보다 4배나 먼 지점을 향해 나아가며 단계적으로 스스로를 조립하는 일이었다.

지상의 엔지니어들은 이후 29일간의 여정을 가리키는 용어를 가지고 있었다. 그들은 이 시기를 '단일 장애점(single-point failure)의 기간'이라 불렀다. 단일 장애점이란 예비 장치가 없는 부품을 의미하며, 만약 이것이 하나라도 작동하지 않으면 미션은 그대로 종료된다. 전형적인 화성 착륙선에는 이러한 지점이 약 70개 정도 있다. James Webb Space Telescope에는 344개가 있었다.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

이는 웹 망원경이 현존하는 그 어떤 로켓에 싣기에도 너무 컸기 때문이다. 금으로 코팅된 베릴륨 재질의 주경은 지름이 6.5미터에 달하는데, 이는 아리안 로켓의 5미터 페어링보다 넓다. 망원경의 기기들이 적외선을 포착할 수 있을 만큼 차가운 상태를 유지해 주는 선실드(차광막)는 테니스 코트만 한 크기다. 이를 발사체에 집어넣기 위해 Northrop Grumman과 NASA는 접을 수 있는 망원경을 설계하는 데 20년 가까운 시간을 보냈다.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

선실드

가장 어려운 관문이 먼저 찾아왔다. 웹은 적외선 영역을 관측하므로 본체가 매우 차가워야 한다. 온도가 50켈빈(섭씨 영하 약 223도) 미만으로 유지되어야 하는 것이다. 직사광선을 받으면서도 이토록 낮은 온도를 유지하기 위해, 웹은 인간의 머리카락보다 얇은 Kapton 막 다섯 겹을 두르고 있다. 각 층 사이에는 진공 층이 있어 열을 우주 공간으로 방출한다. 발사를 위해 접혀 있을 당시 이 막들은 107개의 분리 장치로 고정되어 있었다. 이를 펼칠 때는 8개의 모터가 작동하여 400개의 도르래를 지나는 90개의 케이블을 당겨 팽팽하게 고정해야 했는데, 도중에 어딘가 걸리더라도 직접 손을 뻗어 풀어줄 방법은 전혀 없었다.

선실드를 전개하는 데는 8일이 걸렸다. 볼티모어에 위치한 Space Telescope Science Institute의 관제 센터는 교대로 근무하며 원격 측정 데이터를 지켜봤다. 우주선 내부에는 선실드를 비추는 카메라가 없었다. 엔지니어들은 모터에 흐르는 전류, 온도 구배, 붐(boom)의 각도 등을 통해 전개 형상을 추론해야 했다. 5일째 되는 날, 장력을 조절하기 위한 일시 정지 시간이 예상보다 길어지자 연구팀은 태양 각도와 열 데이터를 분석하기 위해 전체 공정을 하루 동안 중단했다가 재개했다. 결국 선실드 막은 단 한 곳의 찢어짐도 없이 완벽하게 펼쳐졌다.

18개의 거울

주경은 각각 지름이 약 1.3미터인 18개의 육각형 조각으로 이루어져 있다. 발사 시에는 종이학의 날개처럼 양옆의 거울 조각 세 개씩이 뒤로 접혀 있었다. 14일째 되는 날, 측면 날개들이 잠금 해제되어 제자리로 회전해 들어갔고, 망원경은 처음으로 거울다운 모습을 갖추었다.

그다음부터는 느린 작업의 연속이었다. 각 거울 조각 뒤에는 7개의 액추에이터(구동기)가 달려 있다. 6개는 공간상에서 거울을 움직이고, 하나는 거울 표면을 미세하게 굽히는 역할을 한다. 각 액추에이터는 머리카락 굵기의 약 1만 분의 1에 해당하는 10나노미터 단위로 움직일 수 있다. 이후 3개월에 걸쳐 18개의 조각들은 하나의 광학 표면으로 정렬되었으며, 전체 면적에 걸친 오차 범위는 50나노미터 이내로 정밀하게 맞춰졌다. 이 정렬 작업에는 큰곰자리의 평범한 황색 왜성인 HD 84406이 지표로 사용되었다. 18개의 별 점으로 보이던 이미지는 하나로 합쳐질 때까지 추적되었다. 이 절차에는 마치 동화 속 이야기 같은 '위상 복원(phase retrieval)'이라는 이름이 붙었다.

우리가 아직 알지 못하는 것들

우리는 왜 그 무엇도 실패하지 않았는지 그 상세한 이유를 다 알지 못한다. 웹은 Johnson Space Center의 진공 챔버에서 운용 온도까지 냉각된 상태로 지상 테스트를 거쳤지만, 지구의 중력은 무중력 상태를 상정하고 설계된 구조물에 변형을 일으킨다. 엔지니어들은 케이블과 평형추를 이용해 무중력 상태를 모사하는 '오프로더(off-loaders)' 장치로 이를 보완했지만, 모든 오프로더는 그 자체로 실제와는 거리가 있는 가공의 설정일 뿐이다. 어떤 전개 과정은 부분적으로만 연습할 수 있었고, 다섯 층의 선실드 전체에 장력을 가하는 작업 같은 일부 과정은 단 한 번의 통합 테스트로도 연습해 볼 수 없었다. 모든 과정이 단 한 번에 성공했다는 사실은, 이 프로젝트가 끝내 명확히 결론 내리지 못했던 질문에 대한 하나의 답이 될 것이다. 다시 시도할 기회가 주어지지 않을 때, '충분히 훌륭하다'는 기준은 어디까지여야 하는가?

웹 망원경이 얼마나 오래 버틸지도 아직은 알 수 없다. 원래 미션의 기본 설계 수명은 5년이었고 목표는 10년이었다. 하지만 발사가 워낙 정밀하게 이루어진 덕분에 우주선은 궤도 수정에 계획보다 적은 연료를 소모했고, 현재 추정치에 따르면 추진제 잔량은 20년 이상 버틸 수 있는 수준이다. 거울은 미세 유성체 충돌로 인해 서서히 노화될 것이다. 실제로 2022년 5월에는 예상보다 큰 충돌이 하나 기록되기도 했다. 하지만 광학계에는 아직 성능상의 여유가 있다.

또한 우리는 웹이 계획하지 않았던 어떤 것들을 발견하게 될지도 아직 모른다. 2022년 7월에 공개된 딥 필드 이미지에는 해당 깊이에서 예측되었던 집단보다 더 붉고, 따라서 더 오래된 은하들이 포함되어 있었다. 이 초기 우주 관측 결과는 이미 이론가들로 하여금 최초의 은하들이 얼마나 빨리 형성될 수 있었는지에 대해 다시 검토하게 만들고 있다. 이 기기는 태초의 빛, 외계 행성의 대기, 그리고 별의 형성에 관한 특정한 질문에 답하기 위해 설계되었다. 그러나 결국 이 망원경을 정의하는 것은 우리가 예상치 못한 놀라운 발견들이 될 것이다.

Sun-Earth L2 지점에서 웹은 자신의 선실드가 만든 그림자 속에 앉아 먼 우주를 바라보고 있다. 그곳에서 백만 마일 이내에는 그의 몸체에 손을 닿게 할 수 있는 그 누구도 존재하지 않는다.

जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप को पृथ्वी से दस लाख मील दूर 344 ऐसे तंत्रों के ज़रिए स्वयं को खोलना था, जिन्हें उन निर्णायक परिस्थितियों में कभी एक साथ परखा नहीं गया था। दूसरे प्रयास की कोई गुंजाइश नहीं थी।

2021 की क्रिसमस की सुबह, फ्रेंच गयाना के Kourou से एक Ariane 5 रॉकेट ने अपने नोज कोन के भीतर एक मुड़े हुए टेलीस्कोप को लेकर उड़ान भरी। प्रक्षेपण एकदम सटीक रहा। रॉकेट के ऊपरी हिस्से के भीतर, एक बंद छतरी की तरह सिमटा हुआ, 10 अरब डॉलर का वह उपकरण था जो कुछ ऐसा करने जा रहा था जिसका प्रयास पहले किसी भी अंतरिक्ष यान ने नहीं किया था: चंद्रमा से चार गुना अधिक दूरी पर स्थित एक बिंदु की ओर बढ़ते हुए, चरणों में खुद को जोड़कर तैयार करना।

ज़मीन पर मौजूद इंजीनियरों के पास अगले उनतीस दिनों के लिए एक वाक्यांश था। वे इसे 'एकल-बिंदु विफलताओं' की अवधि कहते थे। एकल-बिंदु विफलता वह हिस्सा है जिसमें कोई वैकल्पिक व्यवस्था नहीं होती — यदि वह जाम हो जाए, तो मिशन समाप्त हो जाता है। एक सामान्य मंगल लैंडर में शायद सत्तर ऐसी विफलताएँ हो सकती हैं। James Webb Space Telescope में इनकी संख्या तीन सौ चौवालीस थी।

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

ऐसा इसलिए था क्योंकि वेब वर्तमान में मौजूद किसी भी रॉकेट के हिसाब से बहुत बड़ा था। सोने की परत चढ़े बेरिलियम से बना इसका मुख्य दर्पण 6.5 मीटर चौड़ा है — जो एरियान के पांच मीटर के फेयरिंग से भी अधिक चौड़ा है। इसकी सनशील्ड, जो उपकरणों को इन्फ्रारेड प्रकाश देखने के लिए पर्याप्त ठंडा रखती है, एक टेनिस कोर्ट के आकार की है। इसे किसी प्रक्षेपण यान में समाहित करने के लिए, Northrop Grumman और NASA ने लगभग दो दशक एक ऐसा टेलीस्कोप डिजाइन करने में बिताए जिसे मोड़ा जा सके।

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

सनशील्ड

सबसे कठिन हिस्सा सबसे पहले आया। वेब इन्फ्रारेड में देखता है, जिसका अर्थ है कि इसे ठंडा रहना होगा — 50 केल्विन से नीचे, यानी लगभग शून्य से 223 डिग्री सेल्सियस कम। सीधी धूप में रहते हुए भी इतना ठंडा रहने के लिए, इसमें Kapton की पांच-परत वाली ढाल लगी है, जिसकी प्रत्येक परत इंसानी बाल से भी पतली है, और जो शून्य अंतराल द्वारा अलग की गई है ताकि गर्मी अंतरिक्ष में बाहर की ओर निकल सके। प्रक्षेपण के लिए मुड़ी हुई इन झिल्लियों को 107 रिलीज उपकरणों द्वारा बांधा गया था। खुलने पर, उन्हें 400 पुली से होकर गुजरने वाले 90 केबलों द्वारा तनाव दिया जाना था, जिन्हें आठ मोटरें चला रही थीं, और किसी भी अड़चन को दूर करने के लिए वहां किसी इंसान का हाथ पहुंचना नामुमकिन था।

सनशील्ड को पूरी तरह खुलने में आठ दिन लगे। बाल्टीमोर स्थित Space Telescope Science Institute के मिशन कंट्रोल ने पारियों में टेलीमेट्री पर नज़र रखी। अंतरिक्ष यान पर ढाल की ओर संकेत करने वाला कोई कैमरा नहीं था। इंजीनियर मोटर करंट, तापमान के उतार-चढ़ाव और बूम के कोणों से उसकी आकृति का अनुमान लगा रहे थे। पांचवें दिन, तनाव देने की प्रक्रिया में उम्मीद से अधिक समय लगा; टीम ने सौर-कोण और थर्मल डेटा का अध्ययन करने के लिए इस क्रम को एक दिन के लिए रोक दिया और फिर से शुरू किया। झिल्लियाँ बिना किसी खरोंच के खुल गईं।

अठारह दर्पण

मुख्य दर्पण अठारह षट्कोणीय खंडों से बना है, जिनमें से प्रत्येक लगभग 1.3 मीटर चौड़ा है। प्रक्षेपण के लिए, प्रत्येक तरफ के तीन खंडों को पीछे की ओर मोड़ा गया था, जैसे कि कागज के सारस के पंख हों। चौदहवें दिन इसके किनारे वाले हिस्से खुले और अपनी जगह पर आ गए, और दर्पण पहली बार वास्तव में एक दर्पण की तरह दिखने लगा।

फिर इसका धीमा हिस्सा शुरू हुआ। प्रत्येक खंड सात एक्चुएटर्स पर टिका है — छह जो इसे अंतरिक्ष में घुमाते हैं, और एक जो इसकी सतह को मोड़ता है — और प्रत्येक एक्चुएटर लगभग दस नैनोमीटर के अंतराल में आगे बढ़ सकता है, जो मोटे तौर पर इंसानी बाल की चौड़ाई का दस-हज़ारवां हिस्सा है। अगले तीन महीनों में उन अठारह खंडों को एक एकल प्रकाशीय सतह के रूप में संरेखित किया गया, जो अपने पूरे विस्तार में पचास नैनोमीटर की सटीकता के साथ सटीक थी। यह संरेखण एक तारे — HD 84406 पर निर्भर था, जो उर्सा मेजर का एक साधारण पीला बौना तारा है — जिसकी छवि को अठारह अलग-अलग बिंदुओं के माध्यम से तब तक ट्रैक किया गया जब तक कि वे एक में विलीन नहीं हो गए। इस प्रक्रिया का नाम किसी परी कथा जैसा था: "फेज रिट्रीवल"।

वह जो हम अब भी नहीं जानते

हम विस्तार से नहीं जानते कि आखिर कुछ भी विफल क्यों नहीं हुआ। वेब का परीक्षण ज़मीन पर Johnson Space Center में एक वैक्यूम चैंबर में किया गया था जिसे इसके संचालन तापमान तक ठंडा किया गया था, लेकिन पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण शून्य-गुरुत्वाकर्षण के लिए बनी संरचना को विकृत कर देता है। इंजीनियर इसे ऑफ-लोडर्स के माध्यम से संतुलित करते हैं — केबल और काउंटरवेट जो भारहीनता का अनुकरण करते हैं — लेकिन हर ऑफ-लोडर अपने आप में एक कल्पना है। कुछ तैनाती प्रक्रियाओं का केवल आंशिक पूर्वाभ्यास ही किया जा सकता था। कुछ, जैसे पूरी पांच-परत वाली सनशील्ड को तनाव देना, एक ही सुसंगत परीक्षण में कभी भी पूर्वाभ्यास के रूप में नहीं किया जा सका। यह कि हर एक प्रक्रिया पहली बार में ही सफल रही, उस सवाल का एक आंशिक जवाब है जिसे यह कार्यक्रम कभी पूरी तरह सुलझा नहीं पाया: जब आप दोबारा प्रयास नहीं कर सकते, तो 'कितना अच्छा' पर्याप्त रूप से अच्छा होता है?

हम यह भी नहीं जानते कि वेब कितने समय तक चलेगा। मूल मिशन का आधार पांच साल का था, जिसमें दस साल का लक्ष्य रखा गया था। चूंकि प्रक्षेपण बहुत सटीक था, इसलिए अंतरिक्ष यान ने अपने मार्ग सुधारों में बजट से कम ईंधन खर्च किया, और वर्तमान अनुमानों के अनुसार ईंधन की आपूर्ति बीस साल से कुछ अधिक समय तक चलेगी। सूक्ष्म उल्कापिंडों के टकराने से दर्पण धीरे-धीरे खराब होंगे — मई 2022 में उम्मीद से बड़े एक प्रहार को दर्ज किया गया था — लेकिन इसके प्रकाश विज्ञान में पर्याप्त मार्जिन है।

और हम अभी यह भी नहीं जानते कि वेब ऐसी क्या खोज करेगा जिसकी किसी ने योजना नहीं बनाई थी। जुलाई 2022 में जारी किए गए डीप फील्ड में ऐसी आकाशगंगाएँ शामिल थीं जो उस गहराई पर अनुमानित आबादी की तुलना में अधिक लाल, और इसलिए अधिक पुरानी थीं। प्रारंभिक ब्रह्मांड के परिणामों ने पहले ही सिद्धांतकारों को यह दोबारा सोचने पर मजबूर कर दिया है कि पहली आकाशगंगाएँ कितनी जल्दी बन सकती थीं। यह उपकरण प्रकाश की उत्पत्ति, सौरमंडल के बाहर के ग्रहों के वायुमंडल और तारों के निर्माण के बारे में विशिष्ट प्रश्नों का उत्तर देने के लिए डिज़ाइन किया गया था। लेकिन इसकी पहचान वे आश्चर्य होंगे जो अभी सामने आने बाकी हैं।

Sun-Earth L2 बिंदु पर, वेब अपनी ही सनशील्ड की छाया में बैठकर बाहर की ओर देख रहा है। दस लाख मील के दायरे में ऐसा कोई नहीं है जो इसे छू सके।

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» должен был развернуться в миллионе миль от Земли, задействовав 344 механизма, которые никогда не испытывались вместе в условиях, имевших решающее значение. Второй попытки не было.

Утром в день Рождества 2021 года ракета Ariane 5 стартовала с космодрома Kourou во Французской Гвиане с телескопом, сложенным в головном обтекателе. Запуск прошел безупречно. Внутри обтекателя, упакованный подобно закрытому зонту, находился прибор стоимостью 10 миллиардов долларов, которому предстояло совершить то, чего никогда не пытался сделать ни один космический аппарат: собраться по частям в процессе полета к точке, расположенной вчетверо дальше Луны.

У инженеров на Земле было название для последующих двадцати девяти дней. Они называли это «периодом единичных точек отказа». Единичная точка отказа — это деталь, не имеющая дублирующей системы: если ее заклинит, миссия окончена. В типичном спускаемом аппарате для Марса таких точек может быть около семидесяти. У James Webb Space Telescope их было триста сорок четыре.

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael M · Public domain

Так произошло потому, что «Уэбб» был слишком велик для любой из существующих ракет. Его основное зеркало из бериллия с золотым напылением достигает 6,5 метров в поперечнике — это шире пятиметрового обтекателя «Ариана». Солнцезащитный экран, который поддерживает температуру приборов на уровне, необходимом для фиксации инфракрасного света, размером с теннисный корт. Чтобы уместить всё это в ракету-носитель, компании Northrop Grumman и NASA потратили почти два десятилетия на разработку конструкции складного телескопа.

The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" GSFC · NASA / Public Domain

Солнцезащитный экран

Самое сложное было впереди. «Уэбб» видит в инфракрасном диапазоне, а значит, он должен быть холодным — ниже 50 кельвинов, что составляет примерно минус 223 градуса по Цельсию. Чтобы достичь такой температуры, находясь под прямыми солнечными лучами, он несет пятислойный экран из Kapton; каждый его слой тоньше человеческого волоса, и они разделены вакуумными зазорами, которые отводят тепло в стороны, в открытый космос. В сложенном для запуска состоянии мембраны удерживались 107 фиксирующими устройствами. В развернутом виде их должны были натянуть 90 тросов, проходящих через 400 роликов и приводимых в движение восемью двигателями — и всё это без малейшей возможности высвободить заевшую деталь вручную.

Развертывание экрана заняло восемь дней. Специалисты центра управления миссией в Space Telescope Science Institute в Балтиморе следили за телеметрией по сменам. На аппарате не было камер, направленных на экран. Инженеры восстанавливали геометрию по току двигателей, температурным градиентам и углам наклона балок. На пятый день пауза для натяжения затянулась дольше ожидаемого; команда на сутки остановила процесс, чтобы изучить данные об угле падения солнечных лучей и тепловых параметрах, прежде чем продолжить. Мембраны развернулись без единого разрыва.

Восемнадцать зеркал

Основное зеркало состоит из восемнадцати шестиугольных сегментов шириной около 1,3 метра каждый. При запуске по три сегмента с каждой стороны были откинуты назад, подобно крыльям бумажного журавлика. На четырнадцатый день боковые крылья разблокировались и встали на место, и зеркало впервые стало выглядеть как зеркало.

Затем началась самая медленная часть. Каждый сегмент опирается на семь актуаторов: шесть перемещают его в пространстве, а один изгибает поверхность. Каждый привод может совершать шаги величиной около десяти нанометров — это примерно одна десятитысячная ширины человеческого волоса. В течение следующих трех месяцев восемнадцать сегментов сводились в единую оптическую поверхность, точность которой на всем протяжении не превышала пятидесяти нанометров. Юстировка проводилась по звезде HD 84406 — непримечательному желтому карлику в созвездии Большой Медведицы, — изображение которой отслеживалось в виде восемнадцати отдельных точек, пока они не слились в одну. Эта процедура носила почти сказочное название: «восстановление фазы».

Чего мы до сих пор не знаем

Мы не знаем в деталях, почему ни один узел не вышел из строя. «Уэбб» испытывали на Земле в Johnson Space Center в вакуумной камере, охлажденной до рабочих температур, однако земная гравитация искажает конструкцию, созданную для невесомости. Инженеры компенсировали это с помощью систем разгрузки — тросов и противовесов, имитирующих отсутствие веса, — но любое разгрузочное устройство само по себе является фикцией. Некоторые этапы развертывания можно было отрепетировать лишь частично. Другие, такие как полное натяжение всех пяти слоев экрана, и вовсе невозможно было проверить в рамках единого связного испытания. То, что всё сработало с первого раза, — отчасти ответ на вопрос, который так и не был окончательно решен в ходе программы: насколько «хорошо» является «достаточным», если у тебя нет второй попытки?

Мы также не знаем, как долго прослужит «Уэбб». Первоначальный план миссии составлял пять лет, целью были десять. Поскольку запуск был чрезвычайно точным, аппарат израсходовал меньше топлива на коррекцию траектории, чем планировалось, и, по текущим оценкам, запаса горючего хватит более чем на двадцать лет. Зеркала будут постепенно деградировать под ударами микрометеороидов — одно столкновение, оказавшееся сильнее ожидаемого, было зафиксировано в мае 2022 года, — но у оптики есть запас прочности.

И мы еще не знаем, какие открытия совершит «Уэбб» из того, что никто не планировал. На «глубоком поле», опубликованном в июле 2022 года, были запечатлены галактики более красные, а значит, и более старые, чем предполагалось увидеть на такой глубине. Результаты исследований ранней Вселенной уже заставили теоретиков пересмотреть взгляды на то, как быстро могли сформироваться первые галактики. Прибор создавался для поиска ответов на конкретные вопросы о «первом свете», атмосферах экзопланет и звездообразовании. Но именно сюрпризы станут его истинным наследием.

В точке Sun-Earth L2 «Уэбб» парит в тени собственного солнцезащитного экрана, вглядываясь в пустоту. В радиусе миллиона миль нет никого, кто мог бы к нему прикоснуться.

Image sources & licenses (8)

James-Webb-Space-Telescope-Deployment-Sequence- Nominal (animation) — NASA; Adriana Manrique Gutierrez (Visualizations), Michael McClare (Production), Public domain. Source (commons)
The Secrets of NASA's Webb Telescope’s "Deployable Tower Assembly" — GSFC, NASA / Public Domain. Source (nasa)
Caption: During cryogenic testing, the mirrors will be subjected to temperatures dipping to 24 Kelvins, permitting engineers to measure in e — NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given, Public domain. Source (commons)
The primary mirror of NASA's James Webb Space Telescope consisting of 18 hexagonal mirrors looks like a giant puzzle piece standing in the m — Chris Gunn, CC BY 2.0. Source (commons)
NASA engineer Ernie Wright looks on as the first six flight ready James Webb Space Telescope's primary mirror segments are prepped to begin — NASA/MSFC/David Higginbotham, Public domain. Source (commons)
Gravity assist — Phoenix7777, CC BY-SA 4.0. Source (wikipedia)
Jupiter dominates the black background of space. The image is a composite, and shows Jupiter in enhanced color, featuring the planet’s turbu — NASA's James Webb Space Telescope. Image processing by Judy Schmidt., Public domain. Source (commons)
This side-by-side comparison shows observations of the Southern Ring Nebula in near-infrared light (L) and mid-infrared light (R), from NASA — Image: National Aeronautics and Space Administration (a U.S. federal government , Public domain. Source (commons)

Mentioned in this article

Sources

Gardner, J. P. et al. (2023). "The James Webb Space Telescope Mission." Publications of the Astronomical Society of the Pacific 135, 068001.
Menzel, M. et al. (2023). "Design and Engineering Overview of the James Webb Space Telescope." PASP 135, 058002.
McElwain, M. W. et al. (2023). "The James Webb Space Telescope Mission: Optical Telescope Element Design, Development, and Performance." PASP 135, 058001.
Lightsey, P. A. et al. (2012). "Optical transmission for the James Webb Space Telescope." Proc. SPIE 8442, 84423B.
NASA/Goddard Space Flight Center (2022). James Webb Space Telescope Deployment and Commissioning mission documentation.

Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

The James Webb Space Telescope had three hundred forty-four parts that could have failed. One stuck hinge, and ten billion dollars dies in space. Every single one worked. Let me show you the most nerve-wracking two weeks in space history. Webb was too big for any rocket. Its mirror spans twenty-one feet - wider than any spacecraft that's ever flown. So engineers designed it to fold like origami and unfold itself a million miles from Earth where no one could fix it. The deployment sequence took twenty-nine days. Three hundred forty-four single points of failure. First, the sunshield - a tennis-court-sized membrane thinner than a human hair. It had to unfold perfectly through hundreds of pulleys, cables, and release mechanisms. Any tangle, any snag, mission over. Then the mirrors. Eighteen hexagonal segments had to align to within nanometers - one fifty-thousandth the width of a human hair. Each segment has seven motors making microscopic adjustments. Engineers watched helplessly from mission control as each deployment step completed. They had tested everything possible on Earth, but gravity hides problems that only appear in space. Every morning brought another milestone. Sunshield tensioning - success. Primary mirror deployment - success. Two weeks of perfect execution. Here's what makes this extraordinary. Most space missions have backup systems. Webb had none. Every part had to work the first time. This wasn't just engineering. This was twenty-five years of human dedication folded into a machine that would show us the first light of the universe. And it opened perfectly.

HI script

James Webb Space Telescope mein teen sau chawalees parts the jo fail ho sakte the. Ek hinge atak jaata, aur das billion dollars space mein khatam. Har ek single part ne kaam kiya.

James Webb Space Telescope mein teen sau chawalees parts the jo fail ho sakte the. Ek hinge atak jaata, aur das billion dollars space mein khatam. Har ek single part ne kaam kiya. Main aapko space history ke sabse nerve-wracking do hafte dikhata hoon. Webb kisi bhi rocket ke liye bahut bada tha. Iska mirror ekkees feet span karta hai - kisi bhi spacecraft se wider jo kabhi udha hai. Toh engineers ne ise origami ki tarah fold hone aur Earth se das lakh miles door khud unfold hone ke liye design kiya jahan koi fix nahi kar sakta tha. Deployment sequence mein untees din lage. Teen sau chawalees single points of failure. Pehle, sunshield - tennis-court-sized membrane human hair se patli. Ise saikdon pulleys, cables, aur release mechanisms ke through perfectly unfold hona tha. Koi bhi tangle, koi bhi snag, mission over. Phir mirrors. Atharah hexagonal segments ko nanometers ke andar align hona tha - human hair ki width ka pachaas hazaarvan hissa. Har segment mein microscopic adjustments karte hue saat motors hain. Engineers mission control se bebassi se dekhte rahe jab har deployment step complete hua. Unhone Earth pe sab possible test kiya tha, but gravity problems chhupa leti hai jo sirf space mein dikhte hain. Har subah ek naya milestone laati thi. Sunshield tensioning - success. Primary mirror deployment - success. Do hafte ki perfect execution. Yeh extraordinary kyun hai. Zyada tar space missions mein backup systems hote hain. Webb mein koi nahi tha. Har part ko pehli baar mein kaam karna tha. Yeh sirf engineering nahi thi. Yeh pachchees saal ki human dedication thi jo ek machine mein fold hui thi jo humein universe ki pehli light dikhayegi. Aur yeh perfectly open hui.

01
Folded JWST inside Ariane 5 fairing in a cleanroom
02
Sunshield unfolding in space with taut membranes
03
Close-up of a gold-coated mirror segment with actuators
04
Mission control engineers monitoring deployment telemetry
05
Mirror wing swinging into place on day fourteen
06
Fully deployed JWST at L2 point against deep space