John Mather z NASA kontynuuje redefinicję naszego rozumienia wszechświata

Kosmos jest trudny nie tylko ze względu na naukę o rakietach. Zadanie przeniesienia misji NASA z rozwoju i finansowania na budowę i wystrzelenie – a wszystko to zanim obiekt zostanie wykorzystany do celów naukowych – może zająć dziesięciolecia. Całą swoją karierę spędzili na wysłaniu jednego satelity w przestrzeń kosmiczną. John Mather, fizyk NASA, laureat Nagrody Nobla, pomógł już wysłać dwie.

W swojej nowej książce pt. Wewnątrz Star Factory: budowa Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, największego i najpotężniejszego obserwatorium kosmicznego NASA, Autor Christopher Wanjek i fotograf Chris Gunn zabierają czytelników w podróż za kulisy podróży Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba od momentu powstania do orbity. Badania tekstylne radykalnej technologii obrazowania, która umożliwia nam głębsze niż kiedykolwiek wcześniej zagłębienie się we wczesny wszechświat, z profilami badaczy, konsultantów, menedżerów, inżynierów i techników, którzy umożliwili to przez trzydzieści lat wysiłków. W tym tygodniu we fragmencie „Pisma” przyjrzymy się naukowcowi projektu JWST, Johnowi Matherowi, i jego nieprawdopodobnej podróży z wiejskiego stanu New Jersey do NASA.

Przyjęty z „Wewnątrz Star Factory: budowa Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, największego i najpotężniejszego obserwatorium kosmicznego NASAPrawa autorskie © 2023 autorstwa Chris Gunn i Christopher Wanjek. Wykorzystano za zgodą wydawcy, MIT Press.

John Mather, naukowiec projektu

– Pewna ręka pod kontrolą

John Mather jest cierpliwym człowiekiem. Otrzymanie Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2006 roku zajęło mu trzydzieści lat. Nagroda ta, za niezbity dowód Wielkiego Wybuchu, została oparta na maszynie wielkości autobusu o nazwie COBE, kolejnej misji NASA, która prawie nigdy nie miała miejsca. Projekt dramatu? Byłem tam. Czy radzisz sobie z nieoczekiwanymi opóźnieniami? Ja to zrobiłem. Wybór Mathera na naukowca projektu JWST przez NASA był czystym przeświadczeniem.

Podobnie jak Webb, COBE – Eksplorator Tła Kosmicznego – miał być wehikułem czasu mającym ujawnić migawkę wczesnego Wszechświata. Era docelowa przypadła zaledwie 370 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat nadal był mgłą cząstek elementarnych bez dostrzegalnej struktury. Nazywa się to epoką rekombinacji, kiedy gorący Wszechświat ochładza się do punktu, który umożliwia protonom wiązanie się z elektronami, tworząc pierwsze atomy, głównie wodór z odrobiną helu i litu. Gdy uformowały się atomy, mgła opadła i wszechświat stał się przejrzysty. Światło przeniknęło. To starożytne światło, pochodzące z samego Wielkiego Wybuchu, jest dziś z nami jako pozostałość promieniowania mikrofalowego zwanego kosmicznym mikrofalowym tłem.

Wysoki, ale nigdy nie imponujący, wymagający, ale nigdy złośliwy, Mather to studium kontrastów. Dzieciństwo spędził zaledwie milę od Szlaku Appalachów w wiejskim hrabstwie Sussex w stanie New Jersey, gdzie jego przyjaciele byli zajęci przyziemnymi sprawami, takimi jak prace na farmie. Jednak Mather, którego ojciec był specjalistą ds. hodowli zwierząt i statystyki, bardziej interesował się naukami ścisłymi i matematyką. W wieku sześciu lat zrozumiał pojęcie nieskończoności, kiedy zapełnił stronę w swoim notatniku bardzo dużą liczbą i zdał sobie sprawę, że może tak wymieniać w nieskończoność. Załadował się książkami z mobilnej biblioteki, która co dwa tygodnie odwiedzała gospodarstwa. Jego ojciec pracował w Rolniczej Stacji Doświadczalnej Uniwersytetu Rutgers i miał w gospodarstwie laboratorium wyposażone w sprzęt radioizotopowy do badania metabolizmu oraz zbiorniki z ciekłym azotem z zamrożonym nasieniem byków. Jego ojciec był także jednym z pierwszych użytkowników komputerów w okolicy, około 1960 roku, prowadząc rejestry produkcji mleka dla 10 000 krów na kartach dziurkowanych IBM. Jego matka, nauczycielka w szkole podstawowej, również była dość wykształcona i zaszczepiła zainteresowanie młodego Johna naukami ścisłymi.

Ostatecznie szansa na ciepłą pogodę przez cały rok sprowadziła Mathera w 1968 roku na Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley na studia podyplomowe z fizyki. Dołączyłby do grona ludzi zafascynowanych nowo odkrytym kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła, które odkryli przypadkowo w 1965 roku radioastronomowie Arno Penzias i Robert Wilson. Jego promotor obmyślił eksperyment z balonem, mający na celu zmierzenie widma, czyli koloru, tego promieniowania i sprawdzenie, czy rzeczywiście pochodzi ono z Wielkiego Wybuchu. (Tak jest). Następną oczywistą rzeczą jest sporządzenie mapy tego światła, aby zobaczyć, jak sugeruje teoria, czy temperatura na niebie nieznacznie się zmienia. Wiele lat później on i zespół COBE odkryli właśnie to: anizotropię, nierówny rozkład energii. Te niewielkie wahania temperatury wskazują na wahania gęstości materii wystarczające do zatrzymania ekspansji, przynajmniej lokalnie. Pod wpływem grawitacji materia będzie gromadzić się w kosmicznych jeziorach, tworząc gwiazdy i galaktyki setki milionów lat później. Krótko mówiąc, Mather i jego zespół uchwycili plan dźwiękowy rodzącego się wszechświata.

Jednak misja COBE, podobnie jak misja Webba, doświadczyła niepowodzeń. Mather i zespół zaproponowali koncepcję misji (po raz drugi) w 1976 r. NASA przyjęła tę propozycję, ale w tym samym roku ogłosiła, że ​​ten satelita, podobnie jak większość innych od tej pory, będzie wynoszona na orbitę przez prom kosmiczny, który sam w sobie był jeszcze Działanie. W rozwoju. Historia ujawni szaleństwo takiego planu. Mather natychmiast zrozumiał. Połączyło to projekt COBE z ładownią niezabudowanego wahadłowca. Inżynierowie będą musieli spełnić dokładne wymagania dotyczące masy i objętości statku, który jeszcze nie latał. Jeszcze bardziej kłopotliwy jest fakt, że COBE wymaga orbity polarnej, co jest trudne do dostarczenia przez wahadłowiec kosmiczny. Zespół COBE został następnie obciążony cięciami budżetowymi i kompromisami w projekcie COBE w wyniku przekroczenia kosztów innej pionierskiej misji kosmicznej, satelity astronomicznego w podczerwieni (IRAS). Jednakże kontynuowano ciężką pracę nad zaprojektowaniem instrumentów wystarczająco czułych, aby wykryć zmiany temperatury zaledwie o kilka stopni powyżej zera absolutnego, czyli około minus 270 stopni Celsjusza. Od 1980 roku Mather był zajęty tworzeniem COBE przez cały dzień, każdego dnia. Aby zmieścić się w budżecie, zespół musiał iść na skróty i podejmować ryzykowne decyzje. Według doniesień COBE został wystrzelony w ramach misji promu kosmicznego STS-82-B w 1988 roku z bazy sił powietrznych Vandenberg. Nadchodzą wszystkie przyłącza.

Następnie w 1986 roku prom kosmiczny Challenger eksplodował, zabijając wszystkich siedmiu członków załogi. NASA zawiesiła loty wahadłowe na czas nieokreślony. COBE, obecnie ograniczony do specyfikacji wahadłowców, nie mógł wystartować na żadnym innym systemie rakietowym. W tym momencie COBE był za duży dla rakiety Delta; Jak na ironię, Mather miał na myśli Deltę w swoim pierwszym rysunku z 1974 roku. Zespół szukał w Europie rakiety nośnej, ale NASA nie brała tego pod uwagę. Zamiast tego kierownicy projektów przeprowadzili przeprojektowanie, aby zmniejszyć setki funtów, zmniejszając masę startową do 5000 funtów wraz z paliwem, co doprowadziłoby ją do granic delty o kilka funtów. Aha, i McDonnell Douglas musiał zbudować rakietę Delta z części zamiennych, po tym jak musiał przerwać serię na rzecz promu kosmicznego.

Przez następne dwa lata zespół pracował bez przerwy. Ostatnim wyzwaniem projektowym była… czekaj… osłona przeciwsłoneczna, którą teraz trzeba było złożyć wewnątrz rakiety i wystrzelić na orbitę, co było nowym podejściem. COBE otrzymał zielone światło na wystrzelenie z bazy sił powietrznych Vandenberg w Kalifornii, z lokalizacji pierwotnie żądanej, ponieważ zapewniałaby łatwiejszy dostęp do orbity polarnej niż wystrzelenie wahadłowca z Florydy. Start zaplanowano na listopad 1989. COBE dostarczono kilka miesięcy wcześniej.

Następnie, 17 października, ziemia w Kalifornii gwałtownie się zatrzęsła. Trzęsienie ziemi o sile 6,9 ​​w skali Richtera nawiedziło hrabstwo Santa Cruz, powodując rozległe zniszczenia budynków. Vandenberg, 200 mil na południe, poczuł drżenie. Na szczęście COBE zostało bezpiecznie zainstalowane tylko dlatego, że dwóch inżynierów nadzorujących zabezpieczyło go tego samego dnia przed pójściem na wesele. Maszyna nie doznała żadnych uszkodzeń i została pomyślnie uruchomiona 18 listopada. Więcej dramatyzmu nastąpił wraz z silnym wiatrem w dniu startu. W pierwszych tygodniach pracy pojawiły się niezliczone obawy: kriostat zbyt szybko się ochładzał; Światło słoneczne odbijające się od lodu Antarktydy siało spustoszenie w systemie energetycznym. Elektrony i protony uwięzione w pasach Van Allena wyłączają elektronikę; I tak dalej, i tak dalej.

Wszystkie opóźnienia i cały dramat odeszły w odległe wspomnienie Mathera, gdy nadeszły wyniki procesu COBE. Zbieranie danych może zająć cztery lata. Ale rezultaty były niesamowite. Pierwsze wyniki pojawiły się kilka tygodni po wystrzeleniu, kiedy Mather pokazał widmo Amerykańskiemu Towarzystwu Astronomicznemu, co spotkało się z owacją na stojąco. Wielki Wybuch był bezpieczny jako teoria. Dwa lata później, na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w kwietniu 1992 roku, zespół pokazał swoją pierwszą mapę. Dane dokładnie odpowiadają teorii. Była to poświata Wielkiego Wybuchu, która odsłoniła nasiona, z których wyrosły gwiazdy i galaktyki. Fizyk Stephen Hawking opisał to jako „najważniejsze odkrycie stulecia, jeśli nie wszechczasów”.

Mather pokornie mówił o tym odkryciu w swoim przemówieniu o przyjęciu Nagrody Nobla w 2006 roku, w pełni wyrażając uznanie dla swojego genialnego zespołu i kolegi George’a Smoota, z którym w tym roku podzielił się nagrodą. Nie umniejszał jednak wagi tego osiągnięcia. Zauważył, że był zachwycony „szerszym uznaniem, że nasza praca jest tak samo ważna, jak od dawna wiedzą ludzie w świecie zawodowej astronomii”.

Mather utrzymuje ten realizm dzisiaj. Chociaż niepokoiły go opóźnienia, groźby odwołania, przekroczenia kosztów i niezbyt subtelna wrogość w szerszej społeczności naukowej w związku z „teleskopem, który pożarł astronomię”, nie pozwolił, aby pochłonęło to jego i jego zespół. „Nie ma sensu próbować zarządzać uczuciami innych ludzi” – powiedział. „Wiele opinii społeczności jest takich: «No cóż, gdybym miał pięciocentówkę, wydałbym ją inaczej»”. Ale to nie jest ich pięciocentówka. Powodem, dla którego w ogóle mamy nikiel, jest to, że NASA stoi przed niewiarygodnie dużymi wyzwaniami. Kongres zgodził się: „Stoimy przed wielkimi wyzwaniami. A wielkie wyzwania nie są za darmo. Mam wrażenie, że jedynym powodem, dla którego każdy może cieszyć się programem astronomicznym – lub na który może narzekać – jest to, że realizujemy niezwykle trudne projekty. Dążymy do celu krawędź tego, co możliwe.”

Mather dodał, że Webb nie jest ani trochę lepszy od Kosmicznego Teleskopu Hubble’a; Jest sto razy silniejszy. Jednak jego największą troską podczas projektowania misji nie były zaawansowane instrumenty astronomiczne, ale raczej potężna osłona przeciwsłoneczna, którą trzeba było otworzyć. Redundancja jest wbudowana we wszystkie narzędzia i wszystkie mechanizmy wdrażania; Istnieją dwa lub więcej sposobów, aby to zadziałało, jeśli podstawowa metoda zawiedzie. Ale to nie jedyny problem związany z filtrami przeciwsłonecznymi. Albo działa, albo nie.

Teraz Mather może w pełni skupić się na nauce, którą chce zdobyć. Spodziewaj się niespodzianek. Zdziwiłby się, gdyby nie było niespodzianek. „Prawie wszystko w astronomii zaskakuje” – powiedział. „Kiedy będziesz miał nowy sprzęt, otrzymasz niespodziankę”. Ma przeczucie, że Webb może odkryć coś dziwnego na temat wczesnego Wszechświata, być może obfitość nigdy wcześniej nie widzianych, krótkotrwałych obiektów, co mówi coś o ciemnej energii, tajemniczej sile, która wydaje się przyspieszać ekspansję wszechświata, lub równie tajemnicza siła. Ciemna materia. Nie może się też doczekać, aż Webb skieruje swoje kamery na Alfa Centauri, najbliższy Ziemi układ gwiezdny. A co by było, gdyby istniała planeta nadająca się do życia? Przypuszcza się, że Webb ma czułość potrzebną do wykrycia, jakie cząsteczki, jeśli w ogóle, są obecne w jego atmosferze.

„Byłoby wspaniale” – powiedział Mather. Ślady życia w najbliższym układzie gwiezdnym? Tak, naprawdę fajnie.