Kosmiczny teleskop JWST. Jest naj pod każdym względem. Niedługo ruszy w swoją ostatnią ziemską podróż

Każdy teleskop kosmiczny przed startem odbywa swoją najważniejszą podróż na Ziemi. Już gotowy do lotu, musi być dostarczony bez żadnych usterek na miejsce startu. Dla teleskopu JWST, czyli James Webb Space Telescope, oznacza to powolną podróż statkiem z Los Angeles do Gujany Francuskiej. Tam, prawdopodobnie w listopadzie, ewentualnie na początku grudnia 2021 roku, rozpocznie się jego kosmiczna przygoda.

JWST popłynie we wrześniu z Los Angeles do kosmodromu Kourou poprzez kanał Panamski. Tymczasem górny człon rakiety Ariane 5, do którego będzie zapakowany teleskop, dotrze również drogą morską z niemieckiego portu Neustadt nad Bałtykiem

Zanim to nastąpi, poznajmy historię JWST, zadania jakie go czekają i odpowiedź na pytanie, dlaczego pod każdym względem jest to teleskop NAJ. Warto, bo JWST to kwintesencja wyzwań jakim czoła muszą stawić astronomowie i twórcy takich dużych "zabawek".

James Webb Space Telescope. Jak to się zaczęło?

Teleskop JWST, inaczej Webb, to przedsięwzięcie naukowe, którego idea, wtedy jeszcze pod inną nazwą, narodziła się już ponad 30 lat temu. W czasach, gdy sporej części czytelników tego tekstu mogło nie być na świecie, a najwydajniejsze procesory Intela nosiły oznaczenie i486 (inaczej 80486).

Teleskopu JWST nie należy traktować wprost jako następcy Hubble’a. Pomoże on oczywiście tam gdzie Hubble nie jest w stanie obserwować, ale to inna konstrukcja

W 1990 roku na orbitę trafił teleskop Hubble, lecz już wtedy planowano coś więcej. Czyli teleskop kosmiczny, który sięgnie w te rejony kosmosu i w takich długościach fal, w których Hubble się nie specjalizuje. Z tego samego też powodu JWST nie należy traktować jako następcy Hubble’a. Żaden z jego instrumentów nie będzie przystosowany do obserwacji młodych gwiazd w ultrafiolecie, czegoś co z kolei obecnie jest jednym z największych priorytetów Hubble'a.

I być może ten projekt nie zostanie zrealizowany, bo ten wysłużony już teleskop ma niestety poważne problemy. Kontrola misji Hubble wciąż nie jest w stanie przywrócić go do pracy, po awarii jaka miała miejsce tydzień temu. Dlatego powodzenie misji JWST jakkolwiek go opiszemy, jest teraz jeszcze istotniejsze niż kiedykolwiek.

Logo misji JWST

Historia JWST jest jeszcze bardziej zagmatwana niż teleskopu Hubble

Pierwsza koncepcja teleskopu pod nazwą NGST (Next Generation Space Telescope) została ogłoszona w 1996 roku. I pozostała koncepcją jedynie na papierze.

W budowę JWST zaangażowane są NASA, ESA, CSA (Kanadyjska Agencja Kosmiczna). Łącznie 20 państw dołożyło się powstania tego teleskopu i jego instrumentów

W 2002 roku projekt przemianowano na James Webb Space Telescope (JWST), by uczcić drugiego w historii administratora NASA, jednego z ojców sukcesu programu Apollo. Wszystko miało ruszyć z kopyta. Zakładano, że już w 2010 roku teleskop trafi na orbitę Ziemi, a potem do tak zwanego punktu Lagrange’a L2 w odległości 1,5 miliona kilometrów od Ziemi. To punkt, który zachowuje stałą pozycję względem Ziemi i Słońca, znajduje się za Ziemią w kierunku orbity Marsa.

Pierwsze 6 miesięcy misji JWST i podróż do punktu Lagrange L2 (fot: ESA)

Obiekt umieszczony w tym punkcie orbituje w tym samym tempie co Ziemia wokół Słońca, jedynie wykonując niewielki ruch obiegowy wokół tego punktu. Tak właśnie będzie zachowywał się JWST.

JWST będzie największym instrumentem badawczym umieszczonym przez człowieka w kosmosie. I to w tak dużej odległości, prawie cztery razy dalej od Ziemi niż Księżyc

Pozycja teleskopu w połączeniu z konstrukcją pozwoli na odizolowanie optyki i elektroniki od promieniowania dobiegającego od Słońca, ale także zakłóceń od naszej planety. W przypadku sprzętu, który ma prowadzić obserwacje w podczerwieni, a jednocześnie działać długo, to warunki niezbędne.

JWST okazał się workiem na pieniądze bez dna

Zmiana nazwy teleskopu w 2002 roku pozwoliła mieć nadzieje, że wcześniejsze opóźnienia odejdą w niepamięć. A jednak fatum wciąż ciążyło nad JWST. Podobnie jak w przypadku Hubble’a kolejne daty startu były przesuwane. W 2010 roku jeszcze trwała produkcja zwierciadeł (JWST jest teleskopem z segmentowym zwierciadłem), a przyjęty jako kolejny termin 2015 rok również nie wypalił.

Schemat teleskopu JWST (fot: NASA)

Jednocześnie wydatki wciąż rosły mimo tworzenia oszczędniejszych wersji teleskopu, aż przekroczyły przyznane fundusze. JWST stał się kulą u nogi nie tylko NASA, ale też Kongresu, bo trudno było w pewnym momencie anulować już tak zaawansowany projekt, na który wydano miliardy dolarów.

Koszt teleskopu JWST przekroczył dwudziestokrotność zakładanego początkowo budżetu. Datę wyniesienia na orbitę przekładano kilka razy

Z 500 milionowego budżetu w 1997 roku, który w 2002 roku (start 2010) wzrósł do 2,5 miliarda dolarów, w 2010 roku (start 2015) już 6,5 miliarda, dziś zrobiło się ich ponad 10 miliardów. Trudno sobie wyobrazić miny ludzi odpowiedzialnych za projekt, gdyby start misji zakończył się katastrofą. Po wyniesieniu JWST w kosmos, jego obsługą zajmie się ten sam instytut STScI, który obecnie zajmuje się teleskopem Hubble.

Tak wyglądał status prac nad teleskopem w 2016 roku. A pierwotnie zakładano, że będzie już od prawie 10 lat na orbicie

Wcześniej przekładanie daty początku misji miało miejsce w momencie, gdy teleskop był jeszcze w fazie budowy, a związane z tym opóźnienia uzasadniały decyzje. Dziś jest już gotowy. I bardziej na pewno nie będzie

Data gotowości do wystrzelenia JWST z kosmodromu w Gujanie, na pokładzie rakiety Ariane5, została w lipcu 2020 roku ustalona na 31 października 2021 roku. Dziś wiemy, że start nastąpi prawdopodobnie na przełomie listopada i grudnia. Termin marzec 2021, nie wypalił, ale teleskop jest już tak gotowy, że bardziej nie będzie. Więc pora zacisnąć kciuki i poznać bliżej jego konstrukcję i plan misji.

Zwierciadło w pełni rozłożone i zwinięta częściowo osłona termiczna (fot: NASA)

I po złożeniu bocznych części głównego zwierciadła (fot: NASA)

Jak będzie wyglądał start teleskopu JWST?

Emocje związane ze startem JWST towarzyszą zaangażowanym naukowcom i inżynierom już teraz, bo wciąż data startu nie jest w 100% pewna. Zakładając jednak, że nic się nie zmieni, teleskop na 55 dni przed startem zostanie przewieziony statkiem do Francuskiej Gujany, gdzie znajduje się europejski kosmodrom nazywany czasem od pobliskiej miejscowości Kourou.

Start JWST będzie prawdopodobnie jednym z najbardziej emocjonujących początków misji w tym roku

Na 29 dni przed startem rozpoczną się przygotowania do startu. Na tydzień przed startem teleskop zostanie umieszczony przestrzeni ładunkowej rakiety Ariane5, a potem zamknięty w niej. Przeprowadzone zostaną testy przedstartowe. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, w listopadzie lub na początku grudnia, JWST poleci w kosmos.

W 29 dniu po starcie już w pełni rozłożony teleskop dotrze do wspomnianego punktu L2 i rozpocznie się faza jego przekazania do obserwacji. Po 2-3 miesiącach od startu, uruchomiona zostanie cała aparatura, a przed upływem 6 miesięcy powinny zakończyć się jej testy.

Mniej więcej za rok od dziś (lato 2022) możemy spodziewać się pierwszych regularnych obserwacji. Pierwsze zdjęcia ujrzymy zapewne wcześniej, bo twórcy teleskopu będą chcieli przekonać nas jak najszybciej, że jest to mimo wszystko udana inwestycja.

Złożony, by zmieścić się w rakiecie, będzie rozkładał się powoli przez pierwszy miesiąc

JWST ma oryginalną konstrukcję. Nie przypomina Hubble’a, a raczej naziemne ogromne teleskopy o mozaikowym zwierciadle, do których montażu dołączono ogromną 5-warstwową osłonę przeciwsłoneczną o wymiarach około 21 x 14 m (wysokość teleskopu 8 m). Cały teleskop wraz z zasobami chłodziwa, paliwa, które obliczono na co najmniej 5-10 letnią misję, oraz modułem wynoszącym na orbitę waży około 6,2 tony.

By uchronić teleskop przed nadmiernym promieniowaniem słonecznym, po odłączeniu się od rakiety, dopóki nie rozłoży się osłona termiczna, całość będzie wirowała (fot: ESA)

Po złożeniu JWST ma wysokość 10,66 metra oraz szerokość 4,5 metra. Można powiedzieć, że zajmuje podobnych rozmiarów przestrzeń co komplet 60 satelitów Starlink w konfiguracji do startu na orbitę Ziemi. Komora ładunkowa rakiety Ariane 5 ma 17 metrów wysokości i 5,4 metrów średnicy, a więc teleskop będzie miał trochę wolnej przestrzeni. Tę przestrzeń wyposażono w 28 otworów wentylacyjnych dla sprawnej kontroli spadku ciśnienia na etapie wznoszenia się.

JWST to najbardziej skomplikowany instrument obserwacyjny jaki trafi na orbitę

Rozkładanie teleskopu w Kosmosie podzielone jest na etapy, które ilustruje poniższy diagram. Będzie to procedura realizowana ostrożnie, podobnie jak ostrożnie stawiano helikopter Ingenuity na powierzchni Marsa. Tym razem jednak mowa o piekielnie drogim i dużym instrumencie.

Najpierw rozłoży się wspornik osłony termicznej. Potem osłona rozwinie się na boki, a następnie zostanie napięta, a poszczególne jej warstwy oddzielone. Kolejny etap to rozłożenie montażu wtórnego zwierciadła, złożenie się zwierciadła głównego (fot: ESA)

Kształt głównego zwierciadła JWST zostanie dostosowany już na orbicie

Gdy główne zwierciadło zostanie rozłożone, każdy z segmentów zostanie dokładnie ustawiony, by zapewnić właściwą krzywiznę całości. Nie można tego zrobić na Ziemi, gdyż w trakcie startu wibracje mogą zniweczyć precyzję takiej kalibracji. Poza tym, teleskop będzie poddany zmianom temperatur, które mogą wywołać naprężenia inne niż te, które można przewidzieć na Ziemi i zasymulować w trakcie testów.

W przypadku JWST wszystko musi zadziałać idealnie, bo szans na naprawę nie ma

Symulacja obrazów w podczerwieni z Hubble (na dole) i JWST (fot: M. Marshall / University of Melbourne)

Optyczna rozdzielczość teleskopu JWST wyniesie około 0,1 sekundy łuku, czyli będzie podobna jak w teleskopie Hubble’a, ale instrumenty zapewnią realnie lepsze obrazy. Poza tym zdolność zbierania światła przez JWST, ze względu na rozmiar zwierciadła, będzie dużo większa niż w jakimkolwiek wcześniejszym teleskopie kosmicznym.

Lee Feinberg, kierownik zespołu, który tworzył elementy optyczne JWST (fot: NASA/Chris Gunn)

Nie tylko zakres długości fal, w jakich prowadzone będą obserwacje czy rozmiar zwierciadła, różnią JWST od Hubble’a. Nie mniej istotny jest fakt, że ten drugi mogliśmy wielokrotnie naprawiać i usprawniać na orbicie. Teleskop Webba umieszczony 1,5 miliona kilometrów od Ziemi takiej szansy w przewidywalnej przyszłości nie otrzyma. Dlatego nie tylko mechanika, optyka, ale i elektronika, muszą zadziałać w tym przypadku bezbłędnie.

Jakie odkrycia czekają nas z udziałem JWST?

Trudno to dokładnie przewidzieć wprost, za to wiemy już w jakich dziedzinach astronomii możemy liczyć na postęp. Są to wszelkie badania związane z ewolucją. Zarówno w skali wszechświata jak i układów planetarnych.

JWST pozwoli astronomom cofnąć się w czasie co najmniej o 13,5 miliarda lat

Nowy teleskop posłuży do uzyskania najdokładniejszego obrazu wczesnego wszechświata (w wieku 100 do 250 milionów lat), pomoże w uściśleniu lub stworzeniu nowych modeli powstawania galaktyk i pierwszych gwiazd. A także ich dalszej ewolucji, również na etapie czarnych dziur.

Wiele obiektów, jak ta gromada galaktyk Abell 2744, w kierunku których skierowany zostanie JWST, było już obserwowanych przez teleskop Hubble (zdjęcie powyżej). Nowe instrumenty pozwolą spojrzeć się na nie z nowej perspektywy (fot:NASA)

Dla obserwacji wczesnego Wszechświata JWST może być tym samym czym stały się masowe przeglądy nieba w latach 90. XX wieku, dla poznawania Galaktyki.

Większość pytań, na które odpowiedzi udzielić ma JWST, zaczyna się od „jak” lub „kiedy”. Na przykład kiedy dokładnie nastąpiła rejonizacja, jak galaktyki uzyskały swój kształt

Teleskop stanie się nieocenioną pomocą przy poznawaniu losów układów planetarnych, począwszy od etapu formowania planet z dysków protoplanetarnych. Dzięki analizie składu atmosfer planet pozasłonecznych dowiemy się co tam mogłoby na nas czekać. To dziedzina, która w ostatnich dekadach zaowocowała nie tylko licznymi odkryciami, ale też intrygującymi pytaniami, na które odpowiedź wymaga dobrej statystyki.

Wśród 266 zaakceptowanych projektów obserwacyjnych dla JWST na pierwszą fazę, część wykorzystuje innowacyjne rozwiązania. Na przykład technikę wykrywania obecności atmosfery egzoplanety poprzez pomiar jej temperatury na etapie zakrycia i wyłonienia się zza tarczy macierzystej gwiazdy. To ma być znacznie efektywniejszy sposób niż pomiary spektroskopowe, które JWST również będzie w stanie wykonać.

JWST poświęci część czasu na obserwacje Układu Słonecznego

Choć tego typu obserwacje nie są priorytetem JWST, to teleskop ten może bardzo wspomóc projekty badań planet i księżyców w naszym kosmicznym sąsiedztwie.

Kamera bliskiej podczerwieni wyposażona jest w 16 Mpix mozaikę sensorów wyspecjalizowanych w rejestracji tej długości światła. Każdy piksel wyposażony jest w niezależny mechanizm odczytu danych. Prawdopodobnie to ten instrument dostarczy najwięcej atrakcyjnych dla miłośników astronomii obrazów (fot: NASA/Chris Gunn)

Rozdzielczością zdjęć Tytana. JWST na pewno nie zbliży się do osiągnięć sondy Cassini. Zdjęcia Ganimedesa nie przyćmią niezwykłych obrazów jego powierzchni, które niedawno przesłała sonda Juno, lecz zdalny monitoring zawsze się przyda. Szczególnie, że JWST można będzie wycelować w kierunku dowolnej planety, dowolnego księżyca, czy asteroidy.

Na przykład w kierunku tajemniczej planety karłowatej czy też komety, jak określany jest obiekt 2014 UN271, który zmierza w kierunku wnętrza Układu Słonecznego. Około 2030 roku dotrzeć ma w okolice orbity Saturna, a więc będzie wystarczająco blisko, by JWST wykonał wysokiej jakości obserwacje. Obecnie zakłada się, że to ciało niebieskie ma nawet 100 km średnicy.

Źródło: NASA, ESA, fot wejściowe: Adriana Manrique Gutierrez, NASA Animator