Ο John Mather της NASA συνεχίζει να επαναπροσδιορίζει την κατανόησή μας για τον κόσμο

Το διάστημα δεν είναι δύσκολο μόνο λόγω της επιστήμης των πυραύλων. Το έργο της ανάληψης μιας αποστολής της NASA από την ανάπτυξη και τη χρηματοδότηση έως την κατασκευή και την εκτόξευση — όλα πριν καν χρησιμοποιήσουμε το πράγμα για την επιστήμη — μπορεί να εκτείνεται σε δεκαετίες. Ολόκληρες σταδιοδρομίες έχουν δαπανηθεί για τη μεταφορά ενός μόνο δορυφόρου στο διάστημα. Ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός της NASA John Mather, προσέξτε, έχει ήδη βοηθήσει στην αποστολή δύο.

Στο νέο τους βιβλίο,


Inside the Star Factory: The Creation of the James Webb Space Telescope, το μεγαλύτερο και πιο ισχυρό διαστημικό παρατηρητήριο της NASA



,

Ο συγγραφέας Christopher Wanjek και ο φωτογράφος Chris Gunn οδηγούν τους αναγνώστες σε μια παρασκηνιακή περιήγηση στο ταξίδι του ίδιου του διαστημικού τηλεσκοπίου James

Webb

από την αρχή στην τροχιά. Συνδυάζοντας τις εξετάσεις της ριζικής τεχνολογίας απεικόνισης που μας δίνει τη δυνατότητα να κοιτάξουμε βαθύτερα στο πρώιμο σύμπαν από ποτέ με προφίλ ερευνητών, συμβούλων, διευθυντών, μηχανικών και τεχνικών που το κατέστησαν δυνατό μέσα από προσπάθειες τριών δεκαετιών. Στο απόσπασμα Hitting the Books αυτής της εβδομάδας, μια ματιά στον επιστήμονα του έργου JWST John Mather και το δικό του απίθανο ταξίδι από την επαρχία του Νιου Τζέρσεϊ στη NASA.

Απόσπασμα από το “


Inside the Star Factory: The Creation of the James Webb Space Telescope, το μεγαλύτερο και πιο ισχυρό διαστημικό παρατηρητήριο της NASA


Πνευματικά δικαιώματα © 2023 από τους Chris Gunn και Christopher Wanjek. Χρησιμοποιείται με την άδεια του εκδότη, MIT Press.

John Mather, Project Scientist

— Το σταθερό χέρι στον έλεγχο

Ο John Mather είναι ένας υπομονετικός άνθρωπος. Το Νόμπελ Φυσικής του 2006 ήταν στα σκαριά τριάντα χρόνια. Αυτό το βραβείο, για ακλόνητα στοιχεία της Μεγάλης Έκρηξης, βασίστηκε σε μια μηχανή μεγέθους λεωφορείου που ονομάζεται COBE – μια ακόμη αποστολή της NASA που σχεδόν δεν συνέβη. Σχεδιαστικό δράμα; Ήμουν εκεί.

Πλοήγηση

σε απρόβλεπτες καθυστερήσεις; Εγινε αυτό. Για τη NASA να επιλέξει τον Mather ως επιστήμονα του έργου JWST ήταν καθαρή συνείδηση.

Όπως ο Webb, το COBE – ο Εξερεύνηση του Κοσμικού Υποβάθρου – επρόκειτο να γίνει μια χρονομηχανή για να αποκαλύψει ένα στιγμιότυπο του πρώιμου σύμπαντος. Η εποχή στόχος ήταν μόλις 370.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το σύμπαν ήταν ακόμα μια ομίχλη από στοιχειώδη σωματίδια χωρίς διακριτή δομή. Αυτή ονομάζεται η εποχή του ανασυνδυασμού, όταν το καυτό σύμπαν ψύχθηκε σε ένα σημείο για να επιτρέψει στα πρωτόνια να συνδεθούν με ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν τα πρώτα άτομα, κυρίως υδρογόνο με ένα ράντισμα ηλίου και λιθίου. Καθώς σχηματίστηκαν τα άτομα, η ομίχλη σηκώθηκε και το σύμπαν έγινε διαυγές. Το φως έσπασε. Αυτό το αρχαίο φως, από την ίδια τη Μεγάλη Έκρηξη, είναι μαζί μας σήμερα ως υπολειπόμενη ακτινοβολία μικροκυμάτων που ονομάζεται κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.

Ψηλός αλλά ποτέ επιβλητικός, απαιτητικός αλλά ποτέ κακός, ο Mather είναι μια μελέτη στις αντιθέσεις. Η παιδική του ηλικία πέρασε μόλις ένα μίλι από το μονοπάτι Appalachian στην αγροτική κομητεία Sussex, στο Νιου Τζέρσεϊ, όπου οι φίλοι του κατακλύζονταν από γήινα πράγματα, όπως οι δουλειές της φάρμας. Ωστόσο, ο Mather, του οποίου ο πατέρας ήταν ειδικός στην κτηνοτροφία και τη στατιστική, ήταν πιο ενδιαφέρον για την επιστήμη και τα μαθηματικά. Σε ηλικία έξι ετών κατάλαβε την έννοια του άπειρου όταν γέμισε μια σελίδα στο σημειωματάριό του με έναν πολύ μεγάλο αριθμό και συνειδητοποίησε ότι μπορούσε να συνεχίσει για πάντα. Φόρτωσε τον εαυτό του με βιβλία από μια κινητή βιβλιοθήκη που επισκεπτόταν τις φάρμες κάθε δύο εβδομάδες. Ο πατέρας του εργαζόταν για τον Πειραματικό Σταθμό Γεωργίας του Πανεπιστημίου Rutgers και είχε ένα εργαστήριο στη φάρμα με εξοπλισμό ραδιοϊσοτόπων για τη μελέτη του μεταβολισμού και δεξαμενές υγρού αζώτου με παγωμένο σπέρμα ταύρου. Ο πατέρας του ήταν επίσης ένας από τους πρώτους χρήστες υπολογιστών στην περιοχή, περίπου το 1960, διατηρώντας αρχεία παραγωγής γάλακτος 10.000 αγελάδων σε τρυπημένες κάρτες της IBM. Η μητέρα του, δασκάλα στο δημοτικό σχολείο, ήταν επίσης αρκετά μαθημένη και ενθάρρυνε το ενδιαφέρον του νεαρού

Τζο

ν για την επιστήμη.

Μια ευκαιρία για λίγο ζεστό, όλο το χρόνο, έφερε τελικά τον Mather το 1968 στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, για μεταπτυχιακές σπουδές στη φυσική. Θα έπεφτε μέσα με ένα πλήθος που γοητευόταν από το πρόσφατα ανιχνευμένο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, που ανακαλύφθηκε τυχαία το 1965 από τους αστρονόμους ραδιοφώνου Arno Penzias και Robert Wilson. Ο σύμβουλος της διατριβής του επινόησε ένα πείραμα με μπαλόνι για να μετρήσει το φάσμα, ή το χρώμα, αυτής της ακτινοβολίας για να δει αν όντως προήλθε από τη Μεγάλη Έκρηξη. (Το κάνει.) Το επόμενο προφανές πράγμα ήταν να φτιάξουμε έναν χάρτη αυτού του φωτός για να δούμε, όπως πρότεινε η θεωρία, εάν η θερμοκρασία ποικίλλει τόσο ελαφρά στον ουρανό. Και χρόνια αργότερα, αυτό ακριβώς ανακάλυψε ο ίδιος και η ομάδα του COBE: ανισοτροπία, άνιση κατανομή ενέργειας. Αυτές οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας μικροβαθμών συνεπάγονται διακυμάνσεις της πυκνότητας της ύλης, επαρκείς για να σταματήσουν τη διαστολή, τουλάχιστον τοπικά. Μέσω της επιρροής της βαρύτητας, η ύλη θα συγκεντρωθεί σε κοσμικές λίμνες για να σχηματίσει αστέρια και γαλαξίες εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα. Στην ουσία, ο Mather και η ομάδα του κατέγραψαν ένα υπερηχογράφημα του βρεφικού σύμπαντος.

Ωστόσο, η αποστολή COBE, όπως και ο Webb, μαστίστηκε από οπισθοδρομήσεις. Ο Mather και η ομάδα πρότειναν την ιδέα της αποστολής (για δεύτερη φορά) το 1976. Η NASA αποδέχτηκε την πρόταση αλλά, εκείνη τη χρονιά, δήλωσε ότι αυτός ο δορυφόρος και οι περισσότεροι άλλοι από τότε θα παραδοθούν σε τροχιά από το Διαστημικό Λεωφορείο, το οποίο ήταν ακόμα σε ανάπτυξη. Η

ιστορία

θα αποκάλυπτε την ανοησία ενός τέτοιου σχεδίου. Ο Μάτερ κατάλαβε αμέσως. Αυτό συνδύασε το σχέδιο του COBE με τον κόλπο φορτίου του άκτιστου Shuttle. Οι μηχανικοί θα πρέπει να πληρούν τις ακριβείς απαιτήσεις μάζας και όγκου ενός σκάφους που δεν έχει ακόμη πετάξει. Πιο ενοχλητικό, το COBE απαιτούσε μια πολική τροχιά, δύσκολη για το Διαστημικό Λεωφορείο. Στη συνέχεια, η ομάδα COBE επιβαρύνθηκε με περικοπές προϋπολογισμού και συμβιβασμούς στον σχεδιασμό της COBE ως αποτέλεσμα υπερβάσεων κόστους μιας άλλης πρωτοποριακής διαστημικής επιστημονικής αποστολής, του υπέρυθρου αστρονομικού δορυφόρου ή IRAS. Ωστόσο, συνεχίστηκε η κουραστική δουλειά του σχεδιασμού οργάνων αρκετά ευαίσθητων ώστε να ανιχνεύουν διακυμάνσεις των θερμοκρασιών μόλις λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, περίπου -270°C. Από το 1980 και μετά, η Mather καταναλώθηκε από τη δημιουργία της COBE όλη μέρα κάθε μέρα. Η ομάδα έπρεπε να κόψει τις γωνίες και να πάρει ριψοκίνδυνες αποφάσεις για να παραμείνει εντός του προϋπολογισμού. Η είδηση ​​ήρθε ότι το COBE επρόκειτο να εκτοξευθεί στην αποστολή του διαστημικού λεωφορείου STS-82-B το 1988 από την αεροπορική βάση Vandenberg. Όλα τα συστήματα πάνε.

Στη συνέχεια, το Space Shuttle Challenger εξερράγη το 1986, σκοτώνοντας και τα επτά μέλη του πληρώματος του. Η NASA καθόρισε τις πτήσεις του Shuttle επ’ αόριστον. Το COBE, που είναι πλέον κλειδωμένο στις προδιαγραφές του Shuttle, δεν μπορούσε να εκτοξευτεί σε οποιοδήποτε άλλο σύστημα πυραύλων. Το COBE ήταν πολύ μεγάλο για έναν πύραυλο Delta σε αυτό το σημείο. Κατά ειρωνικό τρόπο, ο Mather είχε στο μυαλό του το Δέλτα στο πρώτο του σκίτσο το 1974. Η ομάδα κοίταξε στην Ευρώπη για ένα όχημα εκτόξευσης, αλλά αυτό δεν ήταν σχεδόν μια επιλογή για τη NASA. Αντ ‘αυτού, οι διαχειριστές του έργου οδήγησαν έναν επανασχεδιασμό για να ξυρίσουν εκατοντάδες λίβρες, για να αδυνατίσουν σε μια μάζα εκτόξευσης 5.000 λιβρών, με καύσιμο, που θα το έκανε ακριβώς μέσα στα όρια ενός Δέλτα κατά μερικές λίβρες. Α, και ο McDonnell Douglas έπρεπε να κατασκευάσει έναν πύραυλο Delta από ανταλλακτικά, αφού αναγκάστηκε να διακόψει τη σειρά υπέρ του Διαστημικού Λεωφορείου.

Η ομάδα εργάστηκε όλο το εικοσιτετράωρο τα επόμενα δύο χρόνια. Η τελική πρόκληση του σχεδιασμού ήταν … περίμενε … μια ασπίδα που έπρεπε τώρα να διπλωθεί στον πύραυλο και να απελευθερωθεί με ελατήριο μια φορά σε τροχιά, μια νέα προσέγγιση. Η COBE πήρε το πράσινο φως για εκτόξευση από την αεροπορική βάση Vandenberg στην Καλιφόρνια, την αρχικά επιθυμητή τοποθεσία, επειδή θα παρείχε ευκολότερη πρόσβαση σε μια πολική τροχιά σε σύγκριση με την εκτόξευση ενός λεωφορείου από τη Φλόριντα. Η κυκλοφορία ορίστηκε για τον Νοέμβριο του 1989. Η COBE παραδόθηκε αρκετούς μήνες πριν.

Στη συνέχεια, στις 17 Οκτωβρίου, το έδαφος της Καλιφόρνια σείστηκε δυνατά. Σεισμός 6,9 Ρίχτερ έπληξε την κομητεία Σάντα Κρουζ, προκαλώντας εκτεταμένες ζημιές σε κατασκευές. Ο Vandenberg, περίπου 200 μίλια νότια, ένιωσε το τράνταγμα. Όπως θα το είχε καθαρή τύχη, το COBE στερεώθηκε με ασφάλεια μόνο επειδή δύο από τους μηχανικούς που το φρόντιζαν το ασφάλισαν εκείνη την ημέρα πριν φύγουν για να παντρευτούν. Το όργανο δεν υπέστη καμία ζημιά και εκτοξεύτηκε με επιτυχία στις 18 Νοεμβρίου. Έγινε περισσότερο δράμα με τους δυνατούς ανέμους την ημέρα εκτόξευσης. Ακολούθησαν μυριάδες ανησυχίες τις πρώτες εβδομάδες λειτουργίας: ο κρυοστάτης ψύχθηκε πολύ γρήγορα. Το φως του ήλιου που αντανακλάται από τον πάγο της Ανταρκτικής κατέστρεψε το σύστημα ισχύος. παγιδευμένα ηλεκτρόνια και πρωτόνια στις ζώνες Van Allen διέκοψαν τη λειτουργία των ηλεκτρονικών. και ούτω καθεξής.

Όλες οι καθυστερήσεις, όλο το δράμα, έσβησαν σε μια μακρινή ανάμνηση για τον Mather καθώς ήρθαν τα

αποτελέσματα

του πειράματος COBE. Τα δεδομένα θα χρειαστούν τέσσερα χρόνια για να συγκεντρωθούν. Όμως τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά. Το πρώτο αποτέλεσμα ήρθε εβδομάδες μετά την εκτόξευση, όταν ο Mather έδειξε το φάσμα στην Αμερικανική Αστρονομική Εταιρεία και έλαβε όρθιους χειροκροτητές. Η Μεγάλη Έκρηξη ήταν ασφαλής ως θεωρία. Δύο χρόνια αργότερα, σε μια συνάντηση της American Physical Society τον Απρίλιο του 1992, η ομάδα έδειξε τον πρώτο της χάρτη. Τα δεδομένα ταιριάζουν απόλυτα με τη θεωρία. Αυτή ήταν η υστέρηση της Μεγάλης Έκρηξης που αποκάλυψε τους σπόρους που θα μεγαλώσουν σε αστέρια και γαλαξίες. Ο φυσικός Στίβεν Χόκινγκ την χαρακτήρισε «η πιο σημαντική ανακάλυψη του αιώνα, αν όχι όλων των εποχών».

Ο Mather μίλησε ταπεινά για την ανακάλυψη στην ομιλία του για την αποδοχή του Νόμπελ το 2006, πιστώνοντας πλήρως την αξιοσημείωτη ομάδα του και τον συνάδελφό του George Smoot, που μοιράστηκαν μαζί του το βραβείο εκείνη τη χρονιά. Αλλά δεν υποβάθμισε το επίτευγμα. Σημείωσε ότι ήταν ενθουσιασμένος με την ευρύτερη πλέον «αναγνώριση ότι το έργο μας ήταν τόσο σημαντικό όσο γνωρίζουν οι άνθρωποι στον κόσμο της επαγγελματικής αστρονομίας για τόσο καιρό».

Ο Mather διατηρεί αυτόν τον ρεαλισμό σήμερα. Αν και ανησυχούσε για καθυστερήσεις, απειλές ακύρωσης, υπερβάσεις κόστους και όχι πολύ λεπτή εχθρότητα στην ευρύτερη επιστημονική κοινότητα σχετικά με το «τηλεσκόπιο που έφαγε την αστρονομία», δεν άφησε αυτό να καταναλώσει τον ίδιο ή την ομάδα του. «Δεν έχει νόημα να προσπαθείς να διαχειριστείς τα συναισθήματα των άλλων», είπε. «Πολλές απόψεις της κοινότητας είναι «καλά, αν ήταν το νίκελ μου, θα το ξόδευα διαφορετικά». Αλλά δεν είναι το νικέλιό τους. και ο λόγος για τον οποίο έχουμε το νικέλιο στην πρώτη θέση είναι επειδή η NASA αντιμετωπίζει απίστευτα μεγάλες προκλήσεις. Το Κογκρέσο ενέκρινε να αναλάβουμε μεγάλες προκλήσεις. Και οι μεγάλες προκλήσεις δεν είναι δωρεάν. Η αίσθησή μου είναι ότι ο μόνος λόγος για τον οποίο έχουμε ένα πρόγραμμα αστρονομίας στη NASA για όποιον μπορεί να απολαύσει – ή να παραπονεθεί – είναι ότι κάνουμε εκπληκτικά δύσκολα έργα. Πιέζουμε στα όρια του δυνατού».

Το Webb δεν είναι απλώς λίγο καλύτερο από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, πρόσθεσε ο Mather. είναι εκατό φορές πιο ισχυρό. Ωστόσο, η μεγαλύτερη ανησυχία του μέσω του σχεδιασμού της αποστολής δεν ήταν τα προηγμένα όργανα αστρονομίας, αλλά η τεράστια ηλιοφάνεια, που έπρεπε να ξεδιπλωθεί. Όλα τα όργανα και όλοι οι μηχανισμοί ανάπτυξης είχαν σχεδιαστεί πλεονασμός. υπάρχουν δύο ή περισσότεροι τρόποι για να λειτουργήσουν εάν η κύρια μέθοδος αποτύχει. Αλλά αυτό δεν είναι το μόνο πρόβλημα με ένα αντηλιακό. Είτε θα λειτουργούσε είτε όχι.

Τώρα ο Mather μπορεί να επικεντρωθεί πλήρως στην επιστήμη που πρέπει να έχει. Περιμένει εκπλήξεις. θα ήταν έκπληκτος αν δεν υπήρχαν εκπλήξεις. «Σχεδόν τα πάντα στην αστρονομία αποτελούν έκπληξη», είπε. “Όταν έχετε νέο εξοπλισμό, θα έχετε μια έκπληξη.” Η πεποίθησή του είναι ότι ο Webb μπορεί να αποκαλύψει κάτι περίεργο για το πρώιμο σύμπαν, ίσως μια πληθώρα αντικειμένων μικρής διάρκειας που δεν έχουν δει ποτέ πριν που να λένε κάτι για τη σκοτεινή ενέργεια, τη μυστηριώδη δύναμη που φαίνεται να επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος ή το εξίσου μυστηριώδες σκοτεινή ύλη. Επίσης, ανυπομονεί μέχρι ο Webb να γυρίσει τις κάμερές του στο Alpha Centauri, το πλησιέστερο αστρικό σύστημα στη Γη. Τι γίνεται αν υπάρχει ένας πλανήτης εκεί κατάλληλος για ζωή; Το Webb θα πρέπει να έχει την ευαισθησία να ανιχνεύει μόρια στην ατμόσφαιρά του, εάν υπάρχουν.

«Θα ήταν ωραίο», είπε ο Mather. Συμβουλές ζωής από το πιο κοντινό αστρικό σύστημα; Ναι, ωραία, όντως.