تلسکوپ فضایی جیمز وب

ویژگی‌ها

JWST وزنی معادل با نصف وزن هابل خواهد داشت اما، مساحت آینه اصلی آن حدوداً پنج برابر آینه هابل خواهد بود. جیمز وب برای اخترشناسی مادون‌قرمز مورد استفاده قرار خواهد گرفتن اما همچنین می‌تواند پرتوهای نارنجی و قرمز را نیز رصد کند.
تلسکوپ‌های زمینی باید از میان اتمسفر رصد کنند که بسیاری از امواج غیرقابل مشاهده می‌شوند. حتی در جاهایی که اتمسفر شفاف است بسیاری از ترکیبات شیمیایی مانند آب، دی‌اکسید کربن و متان که در جو زمین وجود دارند کار تجزیه و تحلیل را بسیار سخت می‌کنند. تلسکوپ‌های فضایی موجود مانند هابل نمی‌توانند این دسته از امواج را مطالعه کنند، زیرا آینه‌ها به اندازه کافی خنک نیستند (آینه هابل در حدود ۱۵ درجه سانتیگراد نگهداری می‌شود).
JWST در نزدیکی زمین و خورشید -در نقطه L2 لاگرانژی- حدود ۱٬۵۰۰٬۰۰۰ کیلومتری مدار زمین عمل می‌کند. در مقایسه با هابل که در ۵۵۰ کیلومتری و ماه تقریباً ۴۰۰٬۰۰۰ سطح زمین چرخش می‌کنند. این فاصله می‌تواند تعمیرات یا ارتقاء سخت‌افزار JWST پس از راه اندازی را عملاً غیرممکن کند. اشیاء در این فاصله می‌توانند هماهنگ با زمین دور خورشید بچرخند که اجازه می‌دهد تلسکوپ در یک فاصله تقریباً ثابت از زمین باقی بماند و برای محافظت از گرما و نورِ خورشید و زمین از یک سپر خورشیدی استفاده کند. این باعث می‌شود که دمای فضاپیمای زیر ۲۲۰- درجه سانتیگراد نگه داشته شود که برای رصد امواج مادون‌قرمز مورد نیاز است. پیمانکار اصلی شرکت نورثروپ گرومن است.

سپر خورشیدی

برای رصد در طیف مادون‌قرمز، JWST باید بسیار سرد (زیر ۲۲۰- درجه سانتی‌گراد) نگه داشته شود در غیر این صورت تابش مادون‌قرمز اجزای تلسکوپ را در هم خواهد شکست؛ بنابراین، از یک سپر نوری بزرگ برای جلوگیری از نور و حرارتِ خورشید، زمین و ماه استفاده می‌شود، و موقعیت آن در نزدیکی نقطه لاکرانژی خورشید تمام این سه جسم (خورشید، زمین و ماه) را در یک طرف فضاپیما نگه خواهد داشت.
سپر خورشیدی دارای پنج لایه که از یک لایهٔ نازکی از پلی‌آمید ساخته شده‌است، به‌همراه اندودِ آلومینیوم در یک طرف و سیلیکون در طرف دیگر سپر. اِشکال تصادفی ساختار این لایه‌های ظریف در طی آزمایش، یک عامل تأخیر در اجرای پروژه است.

اپتیک

آینه اصلی JWST یک بازتابنده از جنس بریلیم با ابعاد ۶٫۵ متری با مساحت کل ۲۵ متر مربع است. این ابعاد برای تجهیزات پرتابی موجود بسیار بزرگ است، بنابراین آینه از ۱۸ قسمت شش ضلعی تشکیل شده‌است که پس از پرتاب تلسکوپ راه‌اندازی می‌شوند.

مقایسه با سایر تلسکوپ‌ها

تمایل به یک تلسکوپ مادون‌قرمز بزرگ به دهه‌ها قبل برمی‌گردد؛ در ایالات‌متحده آمریکا تلسکوپ مادون‌قرمز شاتل زمانی که شاتل فضایی در حال ساخت بود برنامه‌ریزی شد و به پتانسیل نجوم مادون‌قرمز اذعان شد. در مقایسه با تلسکوپ‌های زمینی، رصدخانه‌های فضایی عاری از جذب جوی نور مادون‌قرمز بودند.
بااین‌حال، تلسکوپ‌های مادون‌قرمز یک نقطه‌ضعف دارند - آن‌ها باید بسیار سرد بمانند و هرچه طول‌موج مادون‌قرمز طولانی‌تر شود، باید سردتر بمانند. در غیر این صورت، گرمای پس‌زمینه دستگاه به‌خودی‌خود ردیاب‌ها را تحت‌الشعاع قرار می‌دهد و باعث کور شدن آن می‌شود. برای غلبه بر این موضوع باید تلسکوپ را بسیار دقیق طراحی کرد، به‌طور خاص می‌توان تلسکوپ را داخل یک محفظه عایق حرارتی ذخیره‌سازی برودتی با ماده‌ای بسیار سرد، مانند هلیوم مایع، قرارداد. این بدان معناست که بیشتر تلسکوپ‌های مادون‌قرمز طول عمر محدودی متناسب با مادهٔ سردکننده آن‌ها دارند، به‌اندازه چند ماه، شاید حداکثر چند ماه. از طریق طراحی فضاپیما می‌توان دما را به‌اندازه کافی پایین نگه داشت تا مشاهدات نزدیک مادون‌قرمز را بدون منبع خنک‌کننده انجام داد، مانند مأموریت‌های تلسکوپ فضایی اسپیتزر و کاوشگر نقشه‌بردار فروسرخ میدان وسیع. نمونه دیگر، ابزار NICMOS هابل است که با استفاده از بلوک یخ نیتروژن که پس از چند سال تخلیه‌شده بود، شروع به کار کرد، اما سپس به کریوکلر تبدیل شد که به‌طور مداوم کار می‌کرد. جیمز وب طوری طراحی‌شده‌است که بتواند خودش را بدون وجود محفظه عایق حرارتی ذخیره‌سازی برودتی، با استفاده از ترکیب سپر حرارتی و رادیاتور، سرد کند.
تأخیرها و افزایش هزینه‌های جیمز وب را می‌توان با تلسکوپ هابل مقایسه کرد. وقتی پروژه هابل به‌طور رسمی در سال ۱۹۷۲ شروع شد، پیش‌بینی می‌شد هزینه ساخت ۳۰۰ میلیون دلاری داشته باشد (یا ۱ میلیارد دلار در سال ۲۰۰۶)، اما زمانی که به فضا فرستاده شد، هزینه‌ها چهار برابر شده بود. علاوه بر این، ابزارهای جدید و مأموریت‌های سرویس‌دهی تا سال ۲۰۰۶ هزینه را به حداقل ۹ میلیارد دلار در سال ۲۰۰۶ افزایش دادند.

تحقیق و توسعه

کارهای اولیه برای توسعه جانشینی برای هابل در خلال سال‌های ۱۹۸۹ و ۱۹۹۴ شد که منحر به مدل مفهومی از تلسکوپی به نام تلسکوپ نسل بعدی (NGST) بود که دیافراگم ۴ متری داشت و در مدار معادل با ۴ واحد نجومی کار می‌کرد. این فاصله مداری از غبار بین سیاره‌ای در امان بود. کار روی NGST در سال ۱۹۹۶ آغاز شد. این تلسکوپ در سال ۲۰۰۲، به خاطر نقش کلیدی جیمز ای. وبت در پروژه آپولو، به جیمز وب تغییر نام داد. JSWT حاصل همکاری آژانسِ فضاییِ ایالات متحده آمریکا و آژانس هوایی آمریکا با همکاری‌های بین‌المللی از سوی آژانس فضایی اروپا و آژانس فضایی کانادا است.
در دوران «سریعتر، بهتر و ارزان‌تر» در اواسط دهه ۱۹۹۰ رهبران ناسا به دنبال یک تلسکوپ فضایی کم هزینه بودند. نتیجه طرح مفهومی NGST بود که دیافراگم ۸ متری داشت و در نقطه L₂ قرار داشت و تقریباً ۵۰۰ میلیون دلار تخمین زده شده بود. در سال ۱۹۹۷، ناسا با مرکز پروازهای فضایی گادرد، شرکت هوا فضا و فناوری Ball و شرکت TRW برای مطالعه‌هایی دربارهٔ نیازهای فنی و تخمین هزینه‌های این پروژه وارد همکاری شد و در سال ۱۹۹۹، لاکهید مارتین و TRW را برای مطالعات اولیه انتخاب کرد. پرتاب تلسکوپ در آن زمان برای سال ۲۰۰۷ برنامه‌ریزی شده بود اما تاریخ پرتاب متعاقباً بارها به تعویق افتاد (جدول روبرو را ببینید). در سال ۲۰۰۲، ناسا طی قراردای ۸۲۴٫۸ میلیون دلاری به TRW برای NGST، که اکنون به تلسکوپ فضایی جیمز وب تغییر نام یافته‌است، اعطا کرد. این قرارداد برای طرح یک آینه اصلی ۶٫۱ متری (۲۰ فوت) بود و تاریخ پرتاب سال ۲۰۱۰ انتخاب شد. در اواخر آن سال TRW توسط نورثروپ گرومن خریداری شد و به بخش فناوری فضایی این شرکت تبدیل شد.

مشکلات مربوط به هزینه و برنامه

JWST دارای تاریخچهٔ هزینه‌ها و تاخیرهای بسیار زیاد است که به خاطر عوامل خارجی مانند تأخیر در تصمیم‌گیری در مورد موشک پرتاب و اضافه کردن بودجه‌ای به خاطر مسائل پیش‌بینی نشده. هزینه پروژه در ابتدا ۱٫۶ میلیارد دلار پیش‌بینی شده بود، اما این پیش‌بینی در زمانی که ساخت تلسکوپ در سال ۲۰۰۸ شروع شد به ۵ میلیارد دلار رسیده بود. در تابستان سال ۲۰۱۰ مأموریت بررسی طراحی کلیه موضوعات فنی با عالی‌ترین نمرات انجام شد، اما تغییر هزینه‌ها و زمان پرتاب باعث شد باربارا میکولسکی سناتور ایالت مریلند خواستار انجام تحقیقات مستقل در مورد این پروژه شد. کمیته مستقل بررسی جامع پروژه دریافت که نزدیک‌ترین زمان ممکن برای پرتاب تلسکوپ می‌تواند اواخر سال ۲۰۱۵ با هزینه اضافی ۱٫۵ میلیارد دلار (کلاً ۶٫۵ میلیارد دلار) باشد. آن‌ها همچنین خاطر نشان کردند که این امر بودجه پروژه را بالا برده و هر گونه تأخیر در پرتاب تلسکوپ باعث بالا رفتن هزینه کل پروژه می‌شود.