NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu (JWST - James Webb Space Telescope), 25 Aralık 2021’de bir Arianespace Ariane 5 roketiyle uzaya fırlatılan, kızılötesi uzay gözlemevidir. Big Bang’den sonraki ilk parlak parıltılardan galaksilerin, yıldızların ve gezegenlerin oluşumuna ve kendi güneş sistemimizin evrimine kadar kozmik tarihin her aşamasını inceleyecek olan JWST, evreni ve kökenlerimizi anlama arayışımızda çok önemli bir rol oynayacaktır.
James Webb Uzay Teleskobu’ndan ilk tam renkli görüntüler ve diğer veriler koleksiyonu, altı aylık açılım, alet testi ve son olarak veri toplanmasından sonra, 12 Temmuz 2022’de yayınladı.
Teleskopun düzgün çalıştığını gösteren bu koleksiyon, evrenin şimdiye kadarki çekilmiş en yüksek çözünürlükteki görüntülerini içeriyor. Bu harikulade görsellerin yanı sıra JWST, güneş benzeri uzak bir yıldızın yörüngesinde dönen sıcak, kabarık gaz devi bir gezegeni
çevreleyen atmosferde, bulutların ve pusların kanıtlarıyla birlikte suyun belirgin imzasını da yakaladı.
Kesin ışık renklerinin parlaklığındaki küçük düşüşlere dayanan belirli gaz moleküllerinin varlığını ortaya çıkaran bu gözlem, bugüne kadar bu alanda yapılmış en ayrıntılı örnektir ve JWST’in yüzlerce ışık yılı uzaklıktaki atmosferleri analiz etme konusundaki benzeri görülmemiş yeteneğini göstermektedir.
Her ne kadar Hubble Uzay Teleskobu, son yirmi yılda çok sayıda öte gezegen atmosferini analiz etmiş ve 2013’te ilk net su tespitini yakalamış olsa da, JWST’in anında ve daha
ayrıntılı gözlemi, Dünya’nın ötesinde potansiyel olarak yaşanabilir gezegenleri karakterize etme arayışında ileriye doğru dev bir sıçramaya işaret ediyor.
JWST’nin gelişimi 1996’da başlamıştı, ve bu teleskobun ilk olarak 2007’de faaliyete geçmesi planlanmıştı, fakat yaşanan çok sayıda aksilik ve sorun yüzünden süreç uzadı ve birçok bileşenin yeniden tasarlanması gerekti.
Ancak projeden asla vaz geçmeyen ve COVID-19 pandemisine rağmen çalışmalarını sürdüren bilim insanları, 2021 yılının sonunda başarıya ulaştı ve JWST, görevine başladı.
Birincil Ayna Sistemi
Şimdi, bu teknoloji harikasını mümkün kılan kaplama teknolojilerine inceleyelim. JWST’nin birincil ayna sistemi, her biri 1,32 metre (4,3 fit) çapında olan 18 ayna parçasına sahip 21 aynadan oluşur ve birlikte 21,3 fit (6,5 metre) büyüklüğünde bir ayna olarak çalışır.
İkinci bir ayna, fırlatma sırasında katlanan ve daha sonra açılan uzun bomların ucuna yerleştirilmiştir. Aynaların kendileri berilyumdan yapılmıştır ve Axsys Technologies (Cullman, Ala.) tarafından şekillendirilmiş ve SSG/Tinsley (Richmond, California) tarafından parlatılmıştır.
[caption id="attachment_144131" align="aligncenter" width="345"]
James Webb Uzay Teleskobu için uçuş aynaları, NASA Marshall’da kriyojenik
testlerden geçerken çekilen fotoğraf. Görsel Kaynak: Ball Aerospace[/caption]
JWST teleskop aynaları için berilyum kullanma kararının alınmasına sebep olan, Spitzer (başka bir uzay teleskobu) aynalarından elde edilen verilerdi. Spitzer’in aynaları da berilyumdan yapılmıştır. Berilyum, sertliği ve kriyojenik sıcaklıklarda, yani yaklaşık -220°C (-364°F) gerekli kararlılığı sağlama yeteneği nedeniyle seçilmiştir. Bu önemlidir çünkü
JWST’nin soğuk kalması gerekir.
Nesneler ısındıkça kızılötesi ışık yayarlar, bu, teleskopun yakalamaya çalıştığıyla aynı spektrumu kaplar. Aynalar ısınırsa, teleskopun uzak galaksilerin ışığını yakalama yeteneği engellenir.
Berilyum, şeklini çeşitli sıcaklıklarda muhafaza etmesinin yanı sıra, proje için seçimini belirlemeye yardımcı olan ek özelliklere sahiptir. Herhangi bir uzay fırlatışı için önemli olan hafifliktir, her ayna parçası sadece 20 kilogram (46 pound) ağırlığındadır.
Berilyum aynı zamanda iyi bir elektrik iletkenidir. Fakat, berilyum kızılötesi ışığı çok yansıtmaz. Bu nedenle JWST’nin birincil ayna sistemi altınla kaplanmıştır.
[caption id="attachment_144132" align="aligncenter" width="353"]
Altın Kaplama Mühendislik Tasarım Birimi (EDU) Birincil Ayna Segmenti Bu, Quantum Coating Incorporated tarafından altınla kaplanmış James Webb Uzay Teleskobu’nun birincil ayna parçalarından birinin fotoğrafıdır. Bir uçuş segmenti değil, mühendislik tasarım birimidir. Fotoğraf BATC’de Drew Noel tarafından çekildi. Görsel Kaynak: Fotoğraf - Drew Noel[/caption]
Altın Kaplama Aynalar
JWST’nin birincil aynası, yansıtıcı altın altıgen bileşen aynalarıyla anında tanınabilir ve son derece etkileyicidir. Aynaların her biri, kızılötesi ışığın yansımasını optimize etmek için yaklaşık 0.12 ons altınla kaplanmıştır.
Mikroskobik olarak ince altın tabakası, Quantum Coating Inc. (QCI, Moorestown, N.J.) tarafından vakumlu buhar biriktirme yoluyla uygulanmıştır. Şirket, ilk uçuş aynasını kaplamadan önce iki yıllık bir çalışmaya yatırım yaptı.
QCI, ayna parçalarını kaplamak için bir kaplama tesisi ve temiz oda inşa etti ve kaplamayı homojenlik, yansıtma, dayanıklılık, stres ve kriyojenik gibi alanlarda performans özelliklerini
karşılayacak şekilde geliştirdi.
JWST ayna kaplama programında birçok teknik zorlukla karşılaştıklarını ifade eden QCI’ Kaplama Direktörü Ian Stevenson, bu zorluklardan en göz korkutucu olanlardan biri olarak, tüm uçuş donanımı çalıştırmalarının tek bir arıza olmadan yürütülmesi gerekliliğini göstermiştir.
Altın kaplama, aynayı tamamen kaplayacak kadar kalın, ancak sıcaklık değişikliği nedeniyle
aynalarda herhangi bir genleşme veya büzülmeye neden olmayacak kadar ince olmalıdır.
Kaplama, aynalar bir vakum odasının içine yerleştirilerek uygulanır. Karmaşık maskeleme, kaplanmamış kalacak alanları korur. Altın, sıvı noktasına (2,500°F - 1,371°C) kadar ısıtılır, buharlaştırılır ve hazneye enjekte edilir.
Buharlaşan altın, aynanın optik yüzeyinde biriktirilir ve sonuçta 120 nanometre kalınlığında (insan saçından yaklaşık 200 kat daha ince) bir kaplama oluşur. Görünüşte etkileyici olsa da, tüm teleskop için kullanılan gerçek altın miktarı çok fazla değildir.
JWST’nin tüm ayna dizisini kaplamak için sadece 2,5 santimetre küp-yaklaşık 48 gram-altın gerekmiştir.
İkincil Ayna
“İkincil”, “birincil” kadar önemli gelmeyebilir, ancak yeni nesil James Webb Uzay Teleskobu söz konusu olduğunda, ikincil bir ayna, teleskopun kozmostan bilgi toplamasını sağlamada kritik bir rol oynar.
JWST’in ikincil aynası, cilalama ve altın kaplamanın ardından tamamlanmıştır. James Webb Uzay Teleskobu’nda yer alan dört farklı ayna türü vardır ve hepsi berilyum adı verilen hafif bir metalden yapılmıştır.
JWST sisteminde birincil ayna segmentleri (toplam 18 adet, 25 metre karelik bir toplama alanı sağlayan büyük ana aynayı oluşturur), ikincil ayna, üçüncül ayna ve ince direksiyon aynası yer almaktadır.
[caption id="attachment_144133" align="aligncenter" width="346"]
James Webb Uzay Teleskobu İkincil Ayna
Görsel Kaynak: Ball Aerospace[/caption]
Altıgen şeklinde kalıplanmış birincil aynanın aksine, ikincil ayna mükemmel şekilde yuvarlaktır. Dışbükey olan bu ayna, sürücülerin otopark çıkışlarında dışarıyı görmelerini sağlayan kavisli aynalara benzemektedir. Bu ayna, kızılötesi ışığı verimli bir şekilde yansıtmasını sağlamak için mikroskobik bir altın tabakasıyla kaplanmıştır (JWST teleskopunun kameralarının gördüğü görüntü bu yansımadır).
İkincil ayna yüzeyinin kalitesi o kadar iyidir ki, soğuk sıcaklıklardaki son dışbükey yüzey, tasarımdan milimetrenin birkaç milyonda birinden fazla veya insan saçının çapının yaklaşık on binde biri kadar sapma göstermez.
Peki bu ayna neden bu kadar kritik? Çünkü ikincil ayna, 18 ana ayna parçasından gelen ışığı yakalar ve kozmosun bu uzak görüntülerini teleskobun bilim kameralarına iletir. İkincil
ayna, onu 18 birincil ayna parçasının önüne konumlandıran katlanır “kollar” üzerine monte edilmiştir.
Sadece Aynalar Değil
JWST, Optik Teleskop Elemanı (OTE), Entegre Bilim Enstrüman Modülü (ISIM) ve tenis kortu büyüklüğündeki güneş kalkanını içeren Uzay Aracı Elemanı (SCE) olmak üzere üç ana bileşenden oluşur.
JWST’de altın bulunan tek yer aynalar değildir. Altın, teleskobun kızılötesi kameralarında
termal kontrol işlevi için de kullanılmıştır. Bu iş için NASA, Epner Teknolojisine başvurdu. Şirketin Laser Gold kaplaması, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nün (NIST, Gaithersburg, Md.) 2 ila 14 mikronluk orta kızılötesi aralığında yüzde 99’luk bir sonuçla kızılötesi yansıtma için standart olarak seçtiği sert, elektrokimyasal olarak biriktirilmiş
bir altın kaplamadır.
JWST’nin Yakın Kızılötesi Kamerası (NIRCam), 0,6 ila 5 mikronluk bir kızılötesi dalga boyu aralığını gözlemlerken, Orta Kızılötesi Enstrüman (MIRI) 4,9 ila 28,8 mikron arasındaki orta kızılötesi dalga boylarını kapsar.
İki cihaz, daha parlak nesnelerden gelen ışığı engelleyerek loş ve uzaktaki nesnelerin gözlemlenmesini sağlayan filtrelerden oluşan mekanizmalar olan koronagraflarla donatılmıştır.
Epner Technology’nin Laser Gold’u, koronagraflar için bileşenleri plakalamak için kullanıldı ve cihazların termal kontrolüne izin verdi.
[caption id="attachment_144134" align="aligncenter" width="352"]
James Webb Uzay Teleskobu, Güneş’e arkası dönük soğuk bir tarafa ve Güneş’e bakan sıcak bir tarafa sahiptir. JWST’in tenis kortu büyüklüğündeki güneş koruması, teleskopu dış ışık ve ısı kaynaklarından koruyarak çok uzaktaki nesnelerden gelen zayıf ısı sinyallerini algılayabilmesini sağlar. Gözlem tarafının aşırı soğuk olması çok önemlidir. JWST’in beş katlı güneş kalkanının bulunduğu alt kısmı Güneş’e dönüktür. Güneş paneli, antenleri, bilgisayarı, jiroskopları ve seyir jetleri gibi soğutulması gerekmeyen ekipmanlar buradadır. JWST’in bilim araçları, sıcak iletişim ve kontrol teknolojisinden güneşlik ile ayrılmış olarak aynanın arkasına yerleştirilmiştir. Görsel Kaynak: NASA, ESA, CSA, Joyce Kang (STScI)[/caption]
[caption id="attachment_144135" align="aligncenter" width="355"]
Son testlerinin başarıyla tamamlanmasının ardından NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu fırlatma sahasına gönderilmek üzere hazırlanırken çekilen fotoğraf. Görsel Kaynak: NASA/Chris Gunn[/caption]
Isıdan Korunmak için Kalkan
James Webb Uzay Teleskobu’nun yörüngesi, Hubble Uzay Teleskobu gibi Dünya’nın etrafında değil, aslında Güneş’in yörüngesinde, ikinci Lagrange noktası veya L2 olarak adlandırılan bir konumda ve Dünya’dan 1,5 milyon kilometre (1 milyon mil) uzaklıktadır.
Bu yörünge hakkında özel olan şey, teleskopun Güneş’in etrafında hareket ederken Dünya
ile aynı çizgide kalmasını sağlamasıdır. Bu, JWST’nin geniş güneş kalkanının teleskopu Güneş ve Dünya’nın (ve Ay’ın) ışığından ve sıcaklığından korumasına olanak tanır.
JWST, güneşin ısısını uzaya geri yansıtmak için alüminyum ve katkılı silikon kaplamalı beş ince Kapton E katmanından oluşan tenis kortu boyutunda bir güneş kalkanı kullanmaktadır.
[caption id="attachment_144136" align="aligncenter" width="353"]
Görsel Kaynak: Photo: Northrop Grumman/Alex Evers[/caption]
Her bir katman alüminyum ile kaplanmıştır ve en sıcak iki katmanın (Katman 1 ve Katman 2 olarak adlandırılır) güneşe bakan tarafı ayrıca güneşin ısısını uzaya geri yansıtmak için bir “katkılı silikon” (veya işlenmiş silikon) kaplamaya sahiptir.
Güneşlik, JWST teleskobunun kritik bir parçasıdır, çünkü gemideki kızılötesi kameralar
ve aletler, düzgün çalışması için çok soğuk olmalı ve güneşin ısı ve ışığından uzak tutulmalıdır.
Doping, silikon kaplama işlemi sırasında kaplamanın elektriksel olarak iletken olması için az miktarda başka bir malzemenin karıştırıldığı bir işlemdir. Zarların JWST’nin geri kalanına elektriksel olarak topraklanabilmesi ve yüzeyleri boyunca statik elektrik yükü oluşturmaması için kaplamanın elektriksel olarak iletken olması gerekir.
Silikonun yüksek bir emisyon gücü vardır, yani en fazla ısıyı ve ışığı yayar ve güneşin ısısının altına yerleştirilecek olan kızılötesi aletlere ulaşmasını engeller. Son derece yansıtıcı alüminyum yüzeyler ayrıca kalan enerjiyi güneşlik tabakasının kenarlarındaki boşluklardan
dışarı sektirir.
[caption id="attachment_144138" align="aligncenter" width="352"]
Bu fotoğrafta, NASA teknisyenleri teleskopu bir vinç kullanarak kaldırarak NASA’nın Greenbelt, Maryland’deki Goddard Uzay Uçuş Merkezindeki temiz odaya taşındığı görülmektedir. Görsel Kaynak: NASA/Desiree Stover[/caption]
Kaynaklar
•https://JWST.nasa.gov/content/features/downloads.html
•https://www.pfonline.com/articles/coating-the-JWST
•https://www.nasa.gov/content/james-JWST-space-telescope-latestnews
•https://www.nasa.gov/topics/technology/features/JWST-secondary.html
•https://www.flickr.com/photos/nasaJWSTtelescope/albums/
•https://JWST.nasa.gov/content/about/innovations/coating.html
•https://www.space.com/james-JWST-space-telescope-trapeziumstars-preview
•https://JWSTtelescope.org/contents/articles/JWSTsfirstimages#:~:text=After%20six%20months%20of%20unfolding,data%20on%20July%2012%2C%202022.
•https://www.space.com/21925-james-JWST-space-telescope-jwst.html
•https://www.nasa.gov/mission_pages/JWST/science/index.html
•https://webb.nasa.gov/content/about/orbit.html
Derleme ve Çeviri: B. Serhat Cengiz
