Kosmiczny Teleskop Webba. Zajrzy w najdalsze zakątki Wszechświata dzięki... problemowi trzech ciał

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zaczął przyglądać się niebu 2 lutego 2022 roku. Przez 25 godzin fotografował tylko jedną gwiazdę – HD84406 – z gwiazdozbioru Wielkiej Niedźwiedzicy. Efektem były 54 gigabajty danych, które po przetworzeniu dały obraz 18 jasnych punkcików na smoliście czarnym tle.

Niedziela

Cię zaskoczy

NIEDZIELA CIĘ ZASKOCZY" to nowy cykl OKO.press na najspokojniejszy dzień tygodnia. Chcemy zaoferować naszym Czytelniczkom i Czytelnikom „pożywienie dla myśli" - analizy, wywiady, reportaże i multimedia, które pokazują znane tematy z innej strony, wytrącają nasze myślenie z utartych ścieżek, zaskakują właśnie.

To mało spektakularne zdjęcie plus „selfie” wykonane samemu sobie przez jedno z luster Webba zostało z dumą pokazane całemu światu jedenastego lutego.

Miłośnicy astrofotografii przyzwyczajeni do przepięknych ujęć kosmosu wykonywanych przez Teleskop Hubble'a mogli czuć się zawiedzeni. Sfotografowanie 18 razy tej samej gwiazdy nie wydaje się technologicznym wyzwaniem.

Jednak pierwsza fotografia zrobiona przez Teleskop Webba wyznaczała nie tyle początek jego pracy, ile zaledwie początek kalibracji tego supernowoczesnego obserwatorium badawczego, wyposażonego w cztery różne naukowe instrumenty.

W połowie marca Teleskop wykonał pierwsze ostre zdjęcie przedstawiające gwiazdę odległą od Ziemi o 2 tys. lat świetlnych. Pod koniec kwietnia zaś ogłoszono, że wszystkie instrumenty naukowe Webba są już gotowe do ostatniego etapu przygotowań: kalibracji i końcowych testów. Potrwają one dwa miesiące, po czym w lecie, zgodnie z planem, Teleskop zacznie służyć naukowcom.

Gigantyczne przedsięwzięcie

Teleskop Webba został wyniesiony poza Ziemię 25 grudnia zeszłego roku na rakiecie Ariane 5.

Gdy pół godziny później ostatni człon rakiety odłączył się, Webb zaczął bardzo powoli się rozkładać. Było to gigantyczne i bardzo skomplikowane przedsięwzięcie inżynieryjne.

"Do tej pory obserwatoria kosmiczne były wynoszone w kosmos już rozłożone. Jednak ze względu na wymiary lustra Webba oraz konieczność osłonięcia urządzenia przed promieniowaniem cieplnym olbrzymimi tarczami, nie znalazłaby się rakieta zdolna wynieść teleskop rozłożony" – wyjaśnia dr inż. Tomasz Suchodolski z Centrum Badań Kosmicznych PAN. -

– wymienia ekspert.

Teleskop Webba powstał dzięki współpracy trzech agencji kosmicznych: amerykańskiej NASA, europejskiej ESA i kanadyjskiej CSA. Nazwano go po Jamesie Webbie, drugim dyrektorze NASA (w terminologii amerykańskiej dyrektor nosi tytuł Administrator), za którego kadencji został uruchomiony program lotów kosmicznych Apollo.

Zaawansowanie technologiczne, którego teleskop jest dowodem, miało swoją cenę: prace nad nim trwały ponad ćwierć wieku. Prahistoria James Webb Space Telescope sięga zaś jeszcze dalej w przeszłość, aż do czasów oświecenia.

Królowie i matematycy

Oświecenie było epoką ambitnych intelektualnie władców, którzy lubili chwalić się zatrudnieniem na swoich dworach wybitnych naukowców. „Największy król Europy musi mieć największego matematyka Europy” - miał powiedzieć Fryderyk II Wielki, król Prus, oferując katedrę na berlińskiej akademii Josephowi-Louisowi Lagrange'owi.

Lagrange, z pochodzenia Włoch, był jednym z matematycznych geniuszy drugiej połowy XVIII wieku. Samouk, który w wieku 19 lat wykładał już matematykę w szkole artylerii w Turynie, zdobył sławę, korygując błędy Newtona, poprawiając rozwiązania d'Alemberta i Eulera, a także wydając własne przełomowe prace dotyczące rozchodzenia się dźwięku i drgań strun.

Dwudziestoletni okres pruski, rozpoczęty w 1766 roku, był dla Lagrange'a niezwykle produktywny. Podobno publikował wówczas jeden artykuł naukowy miesięcznie.

Matematyka Lagrange'a na stałe weszła do podręczników i jest dzisiaj powszechnie stosowana. Natomiast kamieniem węgielnym współczesnych badań astronomicznych – i misji Teleskopu Webba - okazało się eleganckie rozwiązanie szczególnego przypadku tzw. problemu trzech ciał, które Lagrange przedstawił w napisanym w Berlinie opus magnum Mécanique analytique (Mechanika analityczna).

Problem trzech ciał

Czytelnicy Cixina Liu (jeden z najwybitniejszych pisarzy SF, w 2015 r. dostał prestiżową nagrodą Hugo za książkę "Problem trzech ciał") dobrze wiedzą, że problem trzech ciał – czyli wyznaczenie ruchów trzech obiektów o podobnej masie, które wiąże tylko grawitacja – jest skrajnie trudny do rozwiązania.

Wyobraźmy sobie jednak, że mamy dwa ciała o wielkiej masie i trzecie tak małe, że jego masę można w obliczeniach pominąć. Lagrange wykazał, że dla takiego układu istnieje pięć punktów (nazwanych później punktami libracyjnymi lub punktami Lagrange'a), w których siła grawitacyjna obu dużych ciał działająca na trzecie się równoważy.

Musiało minąć ponad sto lat, by okazało się, że coś, co brzmi jak hermetyczne dywagacje dotyczące czysto abstrakcyjnego problemu, ma przełożenie na rzeczywistość. W 1906 r. Max Wolf, astronom z obserwatorium w Heidelbergu, dostrzegł dużą asteroidę w pobliżu Jowisza. Obserwacja jej orbity wykazała, że asteroida ta jest pierwszym znanym rozwiązaniem równań Lagrange'a – znajdując się w punkcie libracyjnym L4 w układzie Jowisz-Słońce, względem obu tych ciał pozostaje w spoczynku.

Kiedy w drugiej połowie XX wieku realne stało się wysyłanie ludzi i instrumentów badawczych nie tylko na orbitę okołoziemską, ale i dalej, punkty Lagrange'a uznano za ważne kosmiczne destynacje.

Są to bowiem swoiste kosmiczne pułapki – upraszczając, można powiedzieć, że jeśli coś tam już zawieziemy, pozostanie w punkcie libracyjnym na stałe. Te stabilne miejsca w układzie Ziemia-Słońce stały się celem kilkunastu misji, z których pierwsza, International Sun-Earth Explorer 3, osiągnęła orbitę wokół punktu L1 (znajdującego się między Słońcem a Ziemią) w 1978 r.

Nic dziwnego, że gdy rozpoczęto prace nad Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba, zdecydowano, że jego celem będzie nie orbita okołoziemska (po której krąży Teleskop Hubble'a), ale oddalony od Ziemi o 1,5 mln km punkt libracyjny L2.

L2 znajduje się „z tyłu” Ziemi – czyli w takim miejscu, w którym Ziemia zasłania sobą Słońce. "Dzięki »grawitacyjnemu zakotwiczeniu« teleskopu w L2, jego aparatura będzie częściowo osłonięta Ziemią przed promieniowaniem słonecznym. Nie oznacza to jednak, że Webb pozostanie w spoczynku. Będzie zarówno poruszał się wokół punktu L2, jak i podróżował wraz z Ziemią wokół Słońca" – wyjaśnia dr inż. Suchodolski z CBK PAN.

Trudne początki

O tym, że nowy teleskop ma zostać wysłany właśnie do punktu L2, zdecydowano już w latach 90. XX wieku, gdy w NASA zebrał się pierwszy zespół opracowujący koncepcję Webba. Wtedy postanowiono też, że musi mieć on osłonę przeciwsłoneczną, pasywne chłodzenie, lustro średnicy kilku metrów i – inaczej niż Hubble, który fotografuje niebo głównie w świetle widzialnym - będzie prowadzić obserwacje w podczerwieni.

Optymistycznie założono, że jego konstrukcja potrwa do 2007 r., a koszt zamknie się w 500 mln dol.

Rzeczywistość wielokrotnie zweryfikowała te plany.

Coś, o czym można myśleć jako o piętnastoletnim opóźnieniu i dwudziestokrotnym przekroczeniu założonego budżetu, zaowocowało jednak powstaniem ultraprecyzyjnego urządzenia, które będzie zdolne do pracy w ekstremalnych kosmicznych warunkach dlatego, że samo wykorzystuje ekstremalne technologie.

Wiadomości z przeszłości

Teleskop Webba, niczym kosmiczny drapieżnik, prowadzi obserwacje w podczerwieni. Dlaczego nie w świetle widzialnym? Dlatego że jednym z jego głównych celów jest rejestrowanie śladów pozostałych po tzw. gwiazdach trzeciej populacji, czyli takich, które powstały na samym początku istnienia Wszechświata, jeszcze przed uformowaniem się galaktyk.

Były wielkości dochodzącej do stu naszych Słońc i w skali kosmicznej żyły bardzo krótko – tylko około miliona lat. A ponieważ promieniowanie gwiazdy rozchodzi się nawet po jej śmierci, promieniowanie gwiazd trzeciej populacji rozchodzi się w przestrzeni kosmicznej od kilkunastu miliardów lat.

"W związku z tym, że Wszechświat się nieustannie rozszerza, światło widzialne pochodzące od odległych obiektów przesuwa się w kierunku podczerwieni. Jest to zjawisko analogiczne do tzw. efektu Dopplera, z którym stykamy się codziennie, słysząc sygnał przejeżdżającej karetki lub gwizd pociągu (kiedy zbliża się do nas, częstotliwość sygnału jest wyższa, niż kiedy się oddala)" - tłumaczy dr inż. Suchodolski.

Wszystkie obiekty emitujące światło widzialne – np. odległe galaktyki – o ile znajdują się w pewnej odległości, umkną instrumentom pracującym z widzialną częścią spektrum, np. Hubble’owi. Dlatego do badania najstarszych i najdalszych części Wszechświata potrzebne jest urządzenie, które będzie rejestrować podczerwień.

Osłona słoneczna

Promieniowanie podczerwone emituje każdy obiekt cieplejszy od zera bezwzględnego, czyli od -273,15 st. C. By rejestrować promieniowanie dochodzące z krańców Wszechświata, teleskop musi być więc perfekcyjnie izolowany od wszystkich źródeł ciepła (w tym samego siebie).

Tę funkcję spełnia wspomniana już pięciowarstwowa osłona przeciwsłoneczna. Każda z jej warstw jest zarazem ogromna – wielkości zbliżonej do kortu tenisowego – i ultracienka: grubości 0,05 i 0,025 mm.

Te gigantyczne tarcze powstały z kaptonu – folii poliamidowej wynalezionej w latach 60. zeszłego wieku przez firmę DuPoint – pokrytego obustronnie aluminium. Dwie zewnętrzne warstwy pokryto dodatkowo krzemem.

Poszczególne części osłony różnią się wielkością i kształtem – największa jest skrajna, najbardziej oddalona od teleskopu, a ta najbliższa teleskopowi jest najbardziej wygięta.

Między nimi pozostaje pusta przestrzeń poprawiająca izolację. Choć zewnętrzną i wewnętrzną warstwę osłony dzieli niewiele ponad 180 cm odległości, ich temperatury będą skrajnie różne. Warstwa zewnętrzna osłony – najbliższa Słońca – będzie nagrzewać się do 110 st. C. Z kolei warstwa wewnętrzna, najbliższa aparaturze badawczej, pozostanie lodowata: jej temperatura może spaść nawet do –236 st. Celsjusza.

Ze śmiertelnego zimna

Osłona to jednak nie wszystko. Teleskop Webba wyposażony został również w skomplikowany system chłodzący, który ma utrzymywać w lodowatym zimnie poszczególne instrumenty badawcze obserwatorium.

Pierwszy instrument, NIRCam, to kamera bliskiej podczerwieni, której zadaniem będzie obserwować najstarsze gwiazdy i galaktyki, gwiazdy w bliżej położonych galaktykach oraz w Drodze Mlecznej. Wyposażone w koronograf urządzenie, pozwalające przyjrzeć się bliżej także planetom pozasłonecznym, ma działać w temperaturze -236 st. C.

Drugi instrument, spektrograf bliskiej podczerwieni, czyli NIRSpec, pasywnie chłodzony do podobnej temperatury co NIRCam, umożliwi m.in. badanie składu atmosfer planet pozasłonecznych. Jego unikalną cechą jest możliwość obserwacji aż 100 obiektów naraz.

Instrument MIRI, którego zadaniem będzie dostarczyć zdjęć nieba jeszcze bardziej spektakularnych niż astrofotografie Hubble'a, oprócz pasywnego ma dodatkowy aktywny system chłodzenia, który można porównać do lodówki na hel. Tym samym ten spektrograf i kamera w jednym będą utrzymywać temperaturę wynoszącą zaledwie -266 st. C, czyli tylko siedem stopni powyżej zera bezwzględnego.

Czwarty instrument – FGS/NIRISS – będzie wykrywał i badał planety pozasłoneczne, pracując w temperaturze zbliżonej do temperatury dwóch pierwszych instrumentów.

By aparatura badawcza miała co rejestrować, konieczne jest odpowiednio duże i czułe lustro. Teleskop Webba wyposażony jest w lustro główne, które składa się z 18 mniejszych heksagonalnych luster.

Wszystkie zrobiono z berylu, a następnie pokryto ultracienką (mającą zaledwie 100 nanometrów) warstwą złota i krzemionki. Ich proces chłodzenia został właśnie zakończony – ostatecznie lustra mają temperaturę -233 st. C.

Wszystkie 18 zostało dopasowane do siebie tak, że powstała idealnie jednolita powierzchnia. Skala dopasowania, jaką zamierzają uzyskali naukowcy, jest kosmiczna – mniejsze lustra lustra są być połączone ze sobą z dokładnością do 1/10000 średnicy ludzkiego włosa, czyli ok. nanometra (jedna milionowa milimetra).

W kolejce do teleskopu

Przed startem zakładano, że Teleskop Webba będzie działał minimum pięć lat, a najprawdopodobniej dziesięć. Jednak 25 grudnia, gdy teleskop poleciał w kosmos, okazało się, że udało się zaoszczędzić dodatkowe paliwo, co daje szansę nawet na piętnastoletnią pracę teleskopu.

To o tyle dobrze, że kolejka do skorzystania z Webba jest już bardzo długa. Gdy wiosną 2021 r. zakończono procedurę przyznawania godzin obserwacyjnych w pierwszym roku działania teleskopu, specjalny komitet musiał rozpatrzyć aż 1172 wnioski. Wybrano spośród nich 266. Chętnych do prowadzenia badań na pewno więc nie zabraknie.

Co dalej?

Co po nim? Jakiego jeszcze urządzenia potrzebujemy, by dalej badać kosmos?

"Chcąc zdobyć jak najwięcej wiedzy o Wszechświecie, musimy patrzeć w niebo w wielu pasmach jednocześnie" – mówi dr inż. Suchodolski. - "Dlatego jestem przekonany, że będą rozwijane wszystkie metody obserwacji, od tych prowadzonych w paśmie widzialnym, jak robi to Teleskop Hubble'a czy tworzony właśnie, również przez CBK PAN, nowy teleskop kosmiczny Ariel, którego zadaniem będzie badanie atmosfery egzoplanet. Ważną częścią będą badania prowadzone w podczerwieni i te rentgenowskie, jak to czyni obserwatorium kosmiczne Chandra".

Wiele danych dostarczają też teleskopy prowadzące obserwacje w zakresie promieniowania gamma.

"Od pewnego czasu podnoszony jest projekt umieszczenia wielkiego radioteleskopu po niewidocznej stronie Księżyca" – mówi dr inż. Suchodolski. - "Byłby to analogiczny teleskop jak europejski LOFAR - wieloantenowy radioteleskop wykorzystujący zjawisko interferencji fal radiowych. Trzy stacje LOFARu mamy w Polsce, w tym jedną w Obserwatorium Astrogeodynamicznym CBK PAN w Borówcu, gdzie pracuję. Gdyby tego typu radioteleskop wynieść poza obszar zakłóceń ziemskich, umożliwiłoby to poznanie samych początków Wszechświata, czasów tuż po Wielkim Wybuchu" – podsumowuje ekspert.

Wszystko, co chcecie jeszcze wiedzieć o tym teleskopie kosmicznym i o jego funkcjonowaniu znajdziecie tu:

https://blogs.nasa.gov/webb/