Zobacz odcinek:
Wyczekiwana od wielu lat data startu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba zbliża się wielkimi krokami. Już niedługo urządzenie, którego koszt wyniósł ponad 10 miliardów dolarów, zabierze nas w podróż do krawędzi Wszechświata. Pokaże, jak wyglądały jego początki zaledwie setki milionów lat po Wielkim Wybuchu. Pokaże, pierwsze gwiazdy i formujące się galaktyki, ale co najważniejsze będzie to podróż, która rzuci całkowicie nowe światło na całą zdobytą, do tej pory, wiedzę na temat kosmosu. Rozpoczyna się zupełnie nowa era, największy i najpotężniejszy teleskop kosmiczny w historii jest gotowy do startu. Co sprawia, że jest tak wyjątkowy? Dlaczego start opóźniał się tyle razy? W czym jest lepszy od Kosmicznego Teleskopu Hubble’a?
Większość z nas żyje w miejscach, w których występuje znaczne zanieczyszczenie świetlne, w większych miastach gdzie jest ono szczególnie wysokie, czasami ciężko dojrzeć jakiekolwiek gwiazdy. Dopiero kiedy oddalimy się trochę i dotrzemy do miejsca znajdującego się z dala od świateł miast i spojrzymy w niebo, ujrzymy nie tylko całą masę gwiazd, lecz również planety, a nawet mgławice czy odległe galaktyki.
Jednak Wszechświat nie ogranicza się tylko do rzeczy, które możemy dostrzec gołym okiem.
Nasze oczy są bardzo ograniczone, jeśli chodzi o spektrum obserwacji, jakich możemy dokonać przy ich użyciu. Nie jesteśmy w stanie dostrzec znacznie więcej niż mogłoby się wydawać, promieniowanie rentgenowskie, ultrafioletowe, gamma, podczerwień, mikrofale, fale radiowe, fale grawitacyjne, fale elektromagnetyczne i tak dalej… Przeszkodą są też ogromne kosmiczne odległości, a nasz narząd wzroku nie jest w stanie dostrzec praktycznie żadnych szczegółów odległych obiektów, poza barwą. I tutaj z pomocą przychodzą różnego rodzaju teleskopy. Astronomowie już od setek lat zdawali sobie sprawę, że trzeba znaleźć sposób, aby móc spojrzeć na gwiazdy z bliska. Pierwszą osobą, która na początku XVII wieku wykorzystała skonstruowany przez siebie teleskop do prowadzenia obserwacji nieba był oczywiście Galileusz. Zobaczył i odkrył obiekty i zjawiska, z których nikt wcześniej nie zdawał sobie sprawy. Odkrył plamy na Słońcu, fazy Wenus, dzięki czemu dowiódł, że krąży ona wokół Słońca, a nie Ziemi, czy też cztery największe księżyce Jowisza, do dziś nazywane księżycami galileuszowymi.
Skonstruowany przez Galileusza teleskop był urządzeniem przełomowym. Czy tak samo będzie w przypadku wyczekiwanego od lat Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba?
Uruchomiliśmy już tak wiele teleskopów kosmicznych, że określenie ich dokładnej liczby nie byłoby łatwym zadaniem. Działają one w różnych regionach spektrum, jednak jak do tej pory, od ponad trzydziestu lat to Kosmiczny Teleskop Hubble’a jest tym największym i najbardziej wszechstronnym ze wszystkich. Zapewnił nam obszerny wgląd we Wszechświat, zaczynając od najbliższych nam obiektów jak Księżyc, aż do odległych o miliony lat świetlnych galaktyk. Jednak Hubble prowadził obserwacje głównie w zakresie fal optycznych oraz w ultrafiolecie. Miał też nienajgorsze możliwości, jeśli chodzi o podczerwień, ale to właśnie JWST (James Webb Space Telescope) ma być tym, który całkowicie zmieni nasze postrzeganie i skupi się głównie na obserwacjach w podczerwieni. A to oznacza, że Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozwoli nam na prowadzenie obserwacji obszarów, które do tej pory był poza zasięgiem Hubble’a.
Dlaczego obserwacje w podczerwieni są takie ważne?
Przestrzeń kosmiczna pełna jest rejonów, zawierających duże ilość pyłu. Spowija on niezliczone ilości obiektów i pochłania większość widzialnego światła. Stanowi to ogromną przeszkodę. I tu z pomocą przychodzi właśnie promieniowanie podczerwone, które ze względu na dłuższą długość fali niż promienie światła widzialnego, z łatwością przenika przez chmury kosmicznego pyłu i dociera do naszych urządzeń rejestrujących.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba operować będzie na długości fal od 0,6 mikrometra do 28 mikrometrów. Pozwoli to spojrzeć aż 13,5 miliarda lat wstecz. Pozwalając nam ujrzeć w ten sposób obrazy formujących się i pierwszych galaktyk, czy niezbadane dotąd egzoplanety wokół odległych gwiazd. Będzie to więc prawdziwa podróż w czasie, do samych początków Wszechświata. Wynika to oczywiście z ograniczeń prędkości, z jaką porusza się światło. Wszystkie obserwacje, które są prowadzone, nigdy nie pokażą nam tego jak Wszechświat wygląda w czasie rzeczywistym. Światło ze Słońca potrzebuje 500 sekund, aby do nas dotrzeć, analogicznie, jeśli będziemy obserwować galaktykę oddaloną o 13,5 miliarda lat świetlnych, będziemy widzieć jej obraz właśnie z tamtego czasu.
Wszystkie te niesamowite obserwacje, o których mowa miałyby być rejestrowane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba już kilkanaście lat temu. Start planowano na 2007 rok , jednak jak wszystkim wiadomo, data startu była wielokrotnie przekładana.
Całą historia zaczęła się jeszcze w1989 roku, kiedy ówczesny dyrektor STSci, czyli Space Teleskope Science Institute, Pan Ricardo Giacconi został poproszony, o plan potencjalnej, kolejnej ważnej misji poza Teleskopem Hubble’a. Powstała wtedy pierwsza koncepcja Next Generation Space Telescope w skrócie NGST. Ta nazwa funkcjonowała dość długo, bo aż do 2002 roku, kiedy to teleskop został przemianowany na Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, na cześć legendarnego administratora NASA, za jego wkład w rozwój misji Apollo i ustanowienie badań naukowych jako priorytetu całej agencji.
Pierwszy projekt zakładał budowę ośmiometrowego teleskopu na podczerwień, którego koszt oszacowano na około 500 milionów dolarów. A pierwsza proponowana data startu zaplanowana była na 2007 rok. Optymizm nie trwał zbyt długo i na już 7 lat wcześniej przesunięta została na rok 2009, później na dziesiąty, następnie jedenasty… W 2005 roku zrewidowano kosztorys całego projektu i planowane wydatki wzrosły z początkowych 500 milionów dolarów do 4,5 miliarda. Z kolei start został przesunięty po raz kolejny – tym razem na rok 2013.
Z każdym kolejnym rokiem koszty rosły coraz bardziej, a start coraz bardziej się oddalał. Był to po kolei 2014, piętnasty, osiemnasty, dziewiętnasty, dwudziesty, później był marzec 2021, październik, aż wreszcie ustalona została data ostateczna, 18 grudnia. I tym razem poleci już na pewno. A co do kosztów, to szacuje się, że wyniosły one do tej pory 9 miliardów i 700 milionów dolarów, a kolejne 860 milionów rozdysponowane zostanie przez kolejne pięć lat na nadzorowanie misji.
Źródło: NASA
W porównaniu do Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, Teleskop Jamesa Webba będzie prawie o połowę lżejszy, jednak jego lustro będzie o wiele, wiele większe.
W przypadku Hubble’a ma ono średnicę 2,5 metra, główne lustro Webba ma aż 6,5 metra i składa się z osiemnastu mniejszych luster, cała ich powierzchnia będzie pięciokrotnie większa niż Hubble’a.
A dlaczego zdecydowano się na zastosowanie takiej konstrukcji? Po prostu żadna rakieta nośna nie byłaby w stanie wynieść na orbitę tak dużego ładunku, znajdujący się wewnątrz rakiety Ariane 5 Teleskop będzie złożony, i dopiero po umieszczeniu na orbicie, zacznie się rozkładać.
Lustra wykonane zostały z berylu pokrytego cieniutką warstwą złota. Beryl wybrano głównie ze względu na jego właściwości w bardzo niskich temperaturach, a złoto będzie stanowiło swego rodzaju warstwę ochronną i ma odbijać promieniowanie podczerwone.
Źródło: NASA
Naziemne obserwatoria muszą zmagać się z nieprzezroczystą ziemską atmosferą, wiele związków chemicznych, które się w niej znajdują, utrudniają prowadzenie obserwacji w podczerwieni.
Natomiast obserwatoria kosmiczne są wolne od atmosfery absorbującej promieniowanie podczerwone i oferują nieporównywalnie dokładniejszy obraz niż najdokładniejsze teleskopy naziemne. Jednak, żeby nie było tak kolorowo, istnieją pewne ograniczenia związane z prowadzeniem obserwacji w podczerwieni. Teleskop musi być zaprojektowany tak, aby w jak największych stopni zminimalizować ilość wytwarzanego ciepła. Hubble nie może prowadzić obserwacji na tych pasmach, ponieważ jego zwierciadło utrzymywane jest w temperaturze około 15 stopni, przez co sam dość mocno promieniuje. Webb musi być więc stale utrzymywany w dużo niższej temperaturze i mówimy tu, o różnicy ponad dwustu stopni. Otóż, temperatura w jakiej ma zostać utrzymane jego zwierciadło wynosić ma poniżej 50 kelvinów, czyli mniej niż -223 stopnie Celsjusza.
Teleskop umieszczony zostanie w pobliżu punktu libracyjnego L2, dla przypomnienia jest to miejsce w przestrzeni, w układzie dwóch ciał powiązanych grawitacją, w którym siły grawitacji obu obiektów równoważą się. W takim punkcie obiekt o pomijalnej masie może pozostawać w spoczynku zarówno wobec Słońca, jak i Ziemi. Webb będzie więc oddalony od Ziemi o blisko 1,5 miliona kilometrów, dla porównania Hubble krąży zaledwie 550 kilometrów nad powierzchnią naszej planety. Dzięki położeniu w punkcie L2, Teleskop Jamesa Webba będzie krążył wokół Słońca synchronicznie z Ziemią, będzie pozostawał w stałej odległości i ze stałej orientacją osłony termicznej, która ma za zadanie blokować światło słoneczne.
Osłona przeciwsłoneczna działa jak duży parasol, pozwalając zwierciadłu, optyce i instrumentom nie przegrzewać się. Tarcza przeciwsłoneczna składa się z pięciu cieniutkich, trapezoidalnych warstw, chociaż z pozoru wyglądają na identyczne to jednak kształt i rozmiar każdej z nich nieznacznie się od siebie różni. Wymiary tarczy to nieco ponad 21×14 metrów, zbudowana jest w głównej mierze z kaptonu.
Główne instrumenty naukowe znajdujące się na wyposażeniu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba to – NIRCam, NIRSpec, MIRI oraz FGS/NIRISS.
Pierwszy z nich, NIRCam, to główne urządzenie Webba służące do prowadzenia obserwacji w bliskiej podczerwieni obejmujące zakres fal długości od 0,6 do 5 mikronów. NIRCam będzie wykrywać światło najwcześniejszych gwiazd i galaktyk we Wszechświecie, a także młodych gwiazd w Drodze Mlecznej czy Pasie Kuipera. Wyposażona została w koronograf, który pozwoli astronomom na robienie zdjęć bardzo słabych świecących obiektów wokół centralnego, jasnego obiektu. Blokowanie światła jaśniejszego obiektu na przykład gwiazdy, umożliwi obserwację ciemniejszego obiektu znajdującego się w pobliżu, który normalnie byłby niewidoczny.
Spektrograf bliskiej podczerwieni NIRSpec również będzie działał w zakresie długości fal od 0,6 do 5 mikronów i posłuży do analiz widma obserwowanych obiektów. Analiza widma może powiedzieć nam wiele o jego właściwościach fizycznych, w tym o temperaturze, masie czy składzie chemicznym. Wiele sygnałów obiektów, które będzie badał Webb, takich jak pierwsze galaktyki, które powstały po Wielkim Wybuchu, będzie tak słabych, że nawet ogromne lustro Webba musi wpatrywać się w nie przez setki godzin, aby zebrać wystarczającą ilość światła. NIRSpec został zaprojektowany tak, aby możliwe było jednoczesne prowadzenie obserwacji aż do stu obiektów. Aby było to w ogóle możliwe, opracowany został specjalny system mikroprzesłon, dzięki czemu można kontrolować, w jaki sposób światło wpada do spektrografu. Komórki mikro spustowe, każda o szerokości niewiele większej niż ludzki włos, mogą być sterowane indywidualnie. Dzięki temu możliwe jest ich otwieranie lub zamykanie w celu obserwacji lub blokowania obrazu danego wycinka nieba.
Kolejne urządzenie – MIRI, obejmuje zakres długości fal od 5 do 28 mikronów. Jego detektory pozwolą mu zobaczyć przesunięte ku czerwieni światło odległych galaktyk, nowo formujących się gwiazd i słabo widocznych komet, a także obiektów w Pasie Kuipera. Kamera MIRI będzie kontynuować astrofotografię, za która tak wiele osób podziwiało Kosmiczny Teleskop Hubble’a.
FGS to precyzyjny czujnik tak zwany “guider”, który odpowiedzialny jest za nakierowywanie teleskopu tak, aby uzyskiwał jak najdokładniejsze obrazy, a moduł NIRISS będzie wykorzystywany przede wszystkim do wykrywania egzoplanet metodą tranzytu. Czujnik precyzyjnego prowadzenia (FGS) umożliwia Webbowi precyzyjne wskazywanie, dzięki czemu może uzyskać wysokiej jakości obrazy. Moduły Near Infrared Imager i Slitless Spectrograph będące częścią FGS/NIRISS zostaną wykorzystane do zbadania następujących celów naukowych: wykrywanie pierwszego światła, wykrywanie i charakteryzacja egzoplanet oraz ich spektroskopia tranzytu.
Teleskop, którego start był przekładany już tyle razy, że stał się internetowym memem przeszedł już wszystkie testy, przebył ponad dwutygodniową podróż morską i jest już gotowy do podboju kosmosu.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba rozpocznie zupełnie nową erę w prowadzeniu obserwacji astronomicznych. Pomoże nam odszukać światło pierwszych gwiazd i galaktyk, będzie to więc niczym prawdziwa podróż w przeszłość. Podróż, która będzie kolejny krokiem do poszerzenia naszej wiedzy o początkach Wszechświata, lepszego zrozumienia rządzących nim praw, poszukiwaniu naszego własnego pochodzenia i odległych światów, na których być może odnajdziemy w końcu ślady życia.
