De James Webb-ruimtetelescoop heeft: eindelijk aangekomen in zijn nieuwe thuis. Na een kerstlancering en een maand van ontplooiing en montage in de ruimte, bereikte het nieuwe ruimteobservatorium zijn eindbestemming, een plek die bekend staat als L2.
Er staan nog een aantal maanden aan taken op Webbs takenlijst voordat de telescoop klaar is om bij het vroegste licht in het universum te gluren of de buitenaardse atmosferen van exoplaneten te bespioneren (SN: 10/6/21).
“Dat betekent niet dat er iets mis is”, zegt astronoom Scott Friedman van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, die deze volgende fase van Webb’s reis leidt. “Alles zou perfect kunnen gaan, en het zou nog zes maanden duren” vanaf de lancering voordat de wetenschappelijke instrumenten van de telescoop klaar zijn voor actie, zegt hij.
Dit is wat u hierna kunt verwachten.
Het leven bij L2
L2, technisch bekend als het tweede Lagrange-punt aarde-zon, is een plek op ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de aarde in de richting van Mars, waar de zon en de zwaartekracht van de aarde de naar binnen trekkende middelpuntzoekende kracht compenseren die een kleiner object op een gebogen pad. Hierdoor blijven objecten op Lagrange-punten zonder veel moeite op hun plaats. Paren van massieve objecten in de ruimte hebben vijf van dergelijke Lagrange-punten.
De telescoop, ook wel JWST genoemd, zit echter niet alleen strak. Het draait om L2, net zoals L2 om de zon draait. Dat komt omdat L2 niet bepaald stabiel is, zegt Friedman. Het is alsof je probeert in evenwicht te blijven, direct bovenop een basketbal. Als je een voorwerp precies op dat punt zou aanstoten, zou het gemakkelijk zijn om het weg te laten dwalen. Om L2 draaien in 180 dagen terwijl L2 in een “halobaan” om de zon draait, is veel stabieler – het is moeilijker om van de basketbal af te vallen als deze constant in beweging is. Maar het kost wat moeite om daar te blijven.
“JWST en andere astronomische satellieten, waarvan wordt gezegd dat ze zich op L2 bevinden maar zich in werkelijkheid in halo-banen bevinden, hebben voortstuwing nodig om hun posities te behouden”, zegt Friedman. “Voor JWST zullen we elke 21 dagen de zogenaamde station-holding-manoeuvres uitvoeren. We vuren onze stuwraketten af om onze positie te corrigeren en zo onze halo-baan te behouden.”
De hoeveelheid brandstof die nodig is om Webb’s huis in de ruimte te onderhouden, bepaalt de levensduur van de missie. Zodra de brandstof van de telescoop opraakt, is de missie voorbij. Gelukkig had het ruimtevaartuig een bijna perfecte lancering en verbruikte het niet veel brandstof tijdens het transport naar L2. Als gevolg hiervan kan het mogelijk meer dan 10 jaar meegaan, zeggen teamleden, langer dan de oorspronkelijke schatting van vijf tot tien jaar.
“We zijn heel erg blij met onze geschatte levensduur. Het gaat onze 10 jaar ruimschoots overschrijden’, zei Parrish op de persconferentie van 24 januari. Het team zal de komende maanden een exact aantal op die levensduur plakken. “Iedereen zal er enorm enthousiast over zijn. Het is maar een graad van hoe opgewonden, “zei hij.
Webb heeft nog een functie die helpt om stabiel te blijven. Het gigantische vliegerachtige zonnescherm van de telescoop, dat de delicate instrumenten beschermt tegen de hitte en het licht van de zon, de aarde en de maan, zou momentum kunnen oppikken van de stroom geladen deeltjes die constant van de zon stromen, als een zonnezeil. Als dat zo is, kan dat Webb uit koers halen. Om dit te voorkomen heeft de telescoop een flap die als roer fungeert, zei Webb-zonneschermmanager Jim Flynn van Northrup Grumman op een persconferentie op 4 januari.
Afkoelen
Webb ziet in infrarood licht, golflengten die langer zijn dan wat het menselijk oog kan zien. Maar mensen ervaren infraroodstraling wel als warmte. “We kijken in wezen naar het universum in warmtevisie”, zegt astrofysicus Erin Smith van Goddard Space Flight Center en een projectwetenschapper op Webb.
Dat betekent dat de delen van de telescoop die de lucht waarnemen ongeveer 40 kelvin (–233° Celsius) moeten zijn, wat bijna overeenkomt met de kou van de ruimte. Op die manier vermijdt Webb dat er meer warmte wordt uitgestoten dan de verre bronnen in het universum die de telescoop zal observeren, waardoor ze niet aan het zicht worden onttrokken.
Het grootste deel van Webb is afgekoeld sinds de zonnekap van de telescoop ontvouwd op 4 januari. De vijflaagse zonnekap van het observatorium blokkeert en buigt warmte en licht af, waardoor de spiegels en wetenschappelijke instrumenten van de telescoop bij de lancering afkoelen van hun temperatuur. De zonneschermlaag die zich het dichtst bij de zon bevindt, zal opwarmen tot ongeveer 85° Celsius, maar de koude kant zal ongeveer -233° Celsius zijn, zei Parrish in een webcast van 4 januari.
“Je zou water kunnen koken aan de voorkant van ons, en aan de achterkant van ons, je bent bijna tot het absolute nulpunt,” zei Parrish.
Een van de instrumenten, MIRI, het Mid-Infrared Instrument, heeft extra koelvloeistof om het terug te brengen tot 6,7 kelvin (-266° Celsius) zodat het zelfs zwakkere en koelere objecten kan zien dan de rest van de telescoop. Voor MIRI is “de ruimte niet koud genoeg”, zegt Smith.
De spiegels uitlijnen
Webb voltooide het ontvouwen van zijn 6,5 meter brede gouden spiegel op 8 januari, waardoor het ruimtevaartuig in een echte telescoop veranderde. Maar het is nog niet gedaan. Die spiegel, die licht uit het verre heelal verzamelt en focust, bestaat uit 18 zeshoekige segmenten. En elk van die segmenten moet worden uitgelijnd met een precisie van ongeveer 10 of 20 nanometer, zodat het hele apparaat een enkele, brede spiegel nabootst.
Webb zal elk van zijn 18 spiegelsegmenten trainen op een enkele heldere ster genaamd HD 84406, in het sterrenbeeld Grote Beer. Het is ‘vlak bij de kom van de grote lepel. Je kunt het niet helemaal zien met je blote oog, maar ik heb gehoord dat je het met een verrekijker kunt zien’, zei Lee Feinberg, Webb optische telescoop elementmanager bij Goddard op de persconferentie van 24 januari.
Vanaf 12 januari, begonnen 126 kleine motoren aan de achterkant van de 18 segmenten te bewegen en ze te hervormen om ervoor te zorgen dat ze allemaal op elkaar aansluiten. Nog eens zes motoren gingen aan de slag op de secundaire spiegel, die wordt ondersteund op een giek voor de primaire spiegel.
Dit afstemmingsproces zal in ieder geval tot april duren. Voor een deel komt dat doordat de bewegingen plaatsvinden terwijl de spiegel afkoelt. De veranderende temperatuur verandert de vorm van de spiegels, zodat ze pas in hun definitieve uitlijning kunnen worden geplaatst nadat de reeks wetenschappelijke instrumenten van de telescoop volledig is afgekoeld.
Zodra de initiële uitlijning is voltooid, zal het licht uit de verre ruimte eerst weerkaatsen op de primaire spiegel, dan de secundaire spiegel en uiteindelijk de instrumenten bereiken die de kosmische signalen zullen analyseren. Maar de uitlijning van de spiegelsegmenten is “niet alleen nu, het is een continu proces, alleen om ervoor te zorgen dat ze altijd perfect uitgelijnd zijn”, zei Scarlin Hernandez, een ingenieur vluchtsystemen bij het Space Telescope Science Institute in Baltimore tijdens een NASA Science Live-evenement op 24 januari. Het proces gaat door voor de levensduur van de telescoop.
De wetenschappelijke instrumenten kalibreren
Terwijl de spiegels worden uitgelijnd, gaan de wetenschappelijke instrumenten van Webb aan. Technisch gezien zal Webb dan zijn eerste foto’s maken, zegt astronoom Klaus Pontoppidan, ook van het Space Telescope Science Institute. “Maar ze zullen niet mooi zijn”, zegt Pontoppidan. De telescoop zal eerst zijn focus testen op een enkele heldere ster en 18 afzonderlijke heldere stippen in één brengen door de spiegels te kantelen.
Na een paar laatste aanpassingen zal de telescoop “presteren zoals we willen en prachtige beelden van de lucht presenteren aan alle instrumenten”, zegt Friedman. “Dan kunnen ze hun werk gaan doen.”
Deze instrumenten omvatten: NIRCam, de primaire nabij-infraroodcamera die het bereik van golflengten van 0,6 tot 5 micrometer zal bestrijken. NIRCam zal in staat zijn om de vroegste sterren en sterrenstelsels in beeld te brengen zoals ze waren toen ze minstens 12 miljard jaar geleden werden gevormd, evenals jonge sterren in de Melkweg. De camera zal ook objecten in de Kuipergordel aan de rand van het zonnestelsel kunnen zien en is uitgerust met een coronagraaf, die het licht van een ster kan blokkeren om details te onthullen van zwakkere exoplaneten die eromheen draaien.
De volgende is NIR-specificatie, de nabij-infraroodspectrograaf, die hetzelfde bereik van lichtgolflengten zal bestrijken als NIRCam. Maar in plaats van licht te verzamelen en er een afbeelding van te maken, splitst NIRSpec het licht in een spectrum om de eigenschappen van een object te achterhalen, zoals temperatuur, massa en compositie. De spectrograaf is ontworpen om 100 objecten tegelijkertijd te observeren.
MIRI, het midden-infraroodinstrument, wordt het koudst gehouden om waar te nemen in de langste golflengten, van 5 tot 28 micrometer. MIRI heeft zowel een camera als een spectrograaf die, net als NIRCam en NIRSpec, nog steeds gevoelig zal zijn voor verre sterrenstelsels en pasgeboren sterren, maar ook planeten, kometen en asteroïden zal kunnen spotten.
En het vierde instrument, genaamd de FGS/NIRISS, is een tweedelig. FGS is een camera die de telescoop helpt nauwkeurig te richten. En NIRISS, wat staat voor near-infrared imager en slitless spectrograph, zal specifiek worden gebruikt om exoplaneten te detecteren en te karakteriseren.
Eerste wetenschappelijke doelen
Na aankomst op L2 zal het nog minstens vijf maanden duren om al die wetenschappelijke instrumenten te kalibreren, zegt Pontoppidan. Als dat allemaal is gebeurd, heeft het webb-wetenschapsteam een topgeheim plan voor de eerste full colour-afbeeldingen die worden vrijgegeven.
“Dit zijn afbeeldingen die bedoeld zijn om de wereld te laten zien dat het observatorium werkt en klaar is voor wetenschap”, zegt Pontoppidan. “Wat er precies in dat pakket zit, dat is een geheim.”
Gedeeltelijk is de geheimhouding omdat er nog enige onzekerheid is over waar de telescoop naar zal kunnen kijken als de tijd daar is. Als het opzetten van de instrumenten langer duurt dan verwacht, zal Webb zich in een ander deel van zijn baan bevinden en zullen bepaalde delen van de lucht een tijdje uit het zicht zijn. Het team wil niet iets specifieks beloven en dan het bij het verkeerde eind hebben, zegt Pontoppidan.
Maar ook: “het is bedoeld als een verrassing”, zegt hij. “Die verrassing willen we niet bederven.”
De eerste wetenschappelijke projecten van Webb zijn echter nog niet afgerond. In de eerste vijf maanden van observaties zal Webb beginnen met een reeks van: Early Release Science-projecten. Deze zullen elke functie van elk instrument gebruiken om naar een breed scala aan ruimtedoelen te kijken, inclusief alles van Jupiter tot verre sterrenstelsels en van stervorming tot zwarte gaten en exoplaneten.
Toch zijn zelfs de wetenschappers gretig naar de mooie plaatjes.
“Ik ben gewoon erg opgewonden om die eerste beelden te zien, gewoon omdat ze spectaculair zullen zijn”, zegt Smith. “Hoeveel ik ook van de wetenschap houd, het is ook leuk om ooh en ahh te doen.”
