Zemljina atmosfera omogoča obstoj in razvoj naše oblike življenja. Sestava plinskega ovoja našega planeta pa po drugi strani predstavlja veliko oviro za opazovanje vesolja v nekaterih valovnih dolžinah. Posamezni plini v naši atmosferi namreč ne prepuščajo sevanja v vseh valovnih dolžinah. Opazovanje teles, ki sevajo z valovnimi dolžinami v ultravijoličnem, rentgenskem in gama spektru je z zemeljskega površja oteženo ali nemogoče. Po drugi strani je na zemeljskem površju vseprisotno sevanje v infrardečem delu spektra, zaradi česar je »šum« v tem delu spektra izjemno visok. To je razlog, da je praktično nemogoče analizirati toplotno sevanje oddaljenih, zlasti hladnejših objektov v vesolju. Vse omenjeno naše opazovanje vesolja skrči bolj ali manj na vidni del spektra, radijske valove in mikrovalovno sevanje, za ostale valovne dolžine pa smo – če opazovanja opravljamo z zemeljskega površja – skoraj »slepi« in tako prikrajšani za bolj poglobljena raziskovanja v ostalih delih spektra, ki pa so za astronomijo zelo zanimivi. To je astronome že zgodaj vodilo k razmišljanju, da bi satelite izven atmosfere uporabili ne le za snemanje površja našega planeta, pač pa tudi za opazovanje vesolja. Ameriški astrofizik Lyman Spitzer je o podobnih vesoljskih teleskopih razmišljal že leta 1946. Do izstrelitve prvega vesoljskega teleskopa je prišlo leta 1968, ko so Američani v Zemljino orbito poslali teleskop OAO 2 (Orbiting American Observatory). Rusi so leta 1971 sledili s svojim vesoljskim teleskopom. Do danes znaša število uspešno izstreljenih vesoljih teleskopov nekaj deset. Med njimi je verjetno najbolj znan Hubblov vesoljski teleskop, ki je bil izstreljen leta 1990 in ki je imel na začetku velike težave v povezavi z optiko teleskopa. Hubblov vesoljski teleskop po več kot tridesetih letih od izstrelitve še vedno uspešno deluje in zaenkrat kaže, da bodo njegovo delovanje podaljšali najmanj do konca tega desetletja. Vzdrževanje vesoljskih teleskopov je bistveno dražje od vzdrževanja teleskopov na površju Zemlje, saj so ti bolj oddaljeni, zato lahko do njih pridemo le z vesoljskimi plovili, koncept delovanja nekaterih pa ni predvidel niti tega. Senzorji na vesoljskih teleskopih so zaradi odsotnosti atmosfere osredotočeni na raziskovanje v valovnih dolžinah, ki jih ne moremo zaznavati na površju Zemlje: večina jih raziskuje vesolje v rentgenskem, ultravijoličnem in gama spektru.
Zamisel o nasledniku Hubblovega vesoljskega teleskopa se je začela rojevati že na koncu 80. let 20. stoletja, bolj konkretno pa so k ideji pristopili leta 1996. Koncept Next Generation Space Telecope (NGST) je bil usmerjen v raziskovanje v infrardečem delu spektra. Leta 2002 so teleskop poimenovali po Jamesu Webbu, vodji ameriške vesoljske agencije NASA v obdobju 1961-1968. Imenovanje po Jamesu Webbu je v javnosti vzbudilo kar nekaj kritike. James Webb je namreč v času svojega delovanja v NASI, pa tudi sicer kazal izrazit diskriminacijski odnos do homoseksualcev in nasploh homofobne vrednote. Diskusijo o preimenovanju (v igri je bilo tudi ime »Just Wonderful Space Telescope-JWST«) je NASA zaključila septembra 2021 in ni spremenila imena. Prvotni proračun za teleskop je znašal 500 milijonov dolarje, njegova izstrelitev pa je bila predvidena v letu 2007. Današnji proračun znaša slabih 10 milijard dolarjev, teleskop pa 14 let po prvotno načrtovani izstrelitvi še vedno ni zapustil Zemlje.
Da bi čim bolj zmanjšali vplive infrardečega sevanja, ki prihaja s Sonca, Zemlje ali Lune in da bi hkrati znižali vzajemne gravitacijske vplive teh teles, so se odločili da bo teleskop deloval v bližini ene od petih Lagrangeevih točk in sicer bo krožil okoli točke L2, v kateri so gravitacijski vplivi Sonca in Zemlje izenačeni, zaradi česar je orbitalna hitrost telesa okoli Sonca v tej točki enaka Zemljini. V praksi to pomeni, da bo teleskop vedno poravnan z Zemljo in Soncem, zaradi česar bo hkratna zaščita pred toplotnim sevanjem iz obeh teles olajšana. Problem točke L2 pa je, da je oddaljena od Zemlje okoli 1,5 milijona kilometrov, zaradi česar bo servisiranje teleskopa praktično nemogoče. Naj ob tem omenimo, da Hubblov vesoljski teleskop kroži okoli Zemlje na razdalji le okoli 540 km, zaradi česar je vzdrževanje teleskopa bistveno lažje. Ker kasnejše odpravljanje morebitnih težav na mestu samem ne bo mogoče, je to za institucije, ki sodelujejo pri izvedbi (poleg ameriške NASE v projektu sodelujejo še Evropska vesoljska agencija ESA, kanadska vesoljska agencija CSA in konzorcij nekaterih evropskih držav) predstavljalo še dodatno težavo: pot teleskopa do Lagrangeeve točke, razpiranje zrcal in zaščite pred toplotnim sevanjem ter utirjanje v orbito okoli točke L2 mora potekati brezhibno, saj bi kakršnekoli nepredvidene težave projekt lahko zaustavile. Razvijalci so prav zato veliko pozornosti namenili brezhibnemu delovanju posameznih delov teleskopa z velikim številom ponovnih testiranj, kar je eden od razlogov za to, da je končna cena projekta skoraj dvajsetkrat višja od prvotne. Doslej so v Lagrangeevi točki L2 že delovali nekateri vesoljski teleskopi kot WMAP ali vesoljski teleskop Herschell, trenutno pa v bližini L2 deluje teleskop Gaia, ki se ukvarja z merjenjem koordinat objektov v vesolju. Izdelava vesoljskega teleskopa James Webb je bila zaradi vedno višjih stroškov nekajkrat na resni preizkušnji, najbolj pa leta 2011, ko je predstavniški dom ameriškega kongresa predlagal opustitev projekta. Tudi med astronomi samimi je projekt marsikdaj doživel odpor. Nekateri so menili, da gre za »teleskop, ki bo pojedel astronomijo«.
Glavni cilji vesoljskega teleskopa James Webb so preučevanje prvih zvezd in galaksij, s čimer bi lahko dobili vpogled v procese v zgodnjem vesolju, preučevanja nastanka in razvoja galaksij, preučevanja nastanka in razvoja zvezd ter nastajanja osončij in preučevanje oddaljenih osončij, lastnosti planetov in možnosti za pojav in razvoj življenja na njih.
Slika 1: Vesoljski teleskop James Webb z optičnim delom, katerega največji del predstavlja primarno zrcalo, sestavljeno 18 šestkotnih zrcal. V spodnjem delu se nahaja pet plasti kaptonskih senčnikov, prevlečenih z aluminijem.
Vir: ESA, 2021.
Anatomija vesoljskega teleskopa James Webb je navidez preprosta. Sestavljen je iz optičnega dela, senzorjev, zaščite pred toplotnim sevanjem in posebne enote za upravljanje teleskopa ter komunikacijo z Zemljo. Delovanje optičnega dela teleskopa na prvi pogled spominja na običajen newtonov reflektorski teleskop, v resnici pa je njegovo delovanje bolj zapleteno. Primarno zrcalo, ki zbira svetlobo je sestavljeno iz 18 manjših zrcal šestkotne oblike in širine 1,32 m. Skupni premer primarnega zrcala bo tako 6,5 m, skupna površina pa 25,4 m2 (primarno zrcalo Hubblovega vesoljskega teleskopa ima premer 2,4 m in skupno površino 4,5 m2, torej 5,6 krat manjšo površino). Sekundarno zrcalo ima premer 0,74 m. Goriščna razdalja teleskopa je 131 m. Zanimivo je, da je kljub večjemu zrcalu masa primarnega zrcala skoraj dvakrat manjša od tistega pri Hubblovem teleskopu. Zrcala vesoljskega teleskopa James Webb so namreč narejena iz berilija, ki ima nižjo gostoto ob dovolj veliki trdnosti, pri nizkih temperaturah pa je njegovo raztezanje ali krčenje zaradi sprememb temperature zanemarljivo. Zrcala so na vrhu prevlečena s tanko plastjo zlata, ki odlično odbija infrardeče sevanje. Skupna masa zlate prevleke za vsa zrcala je 48 g, kar je primerljivo z maso žogice za golf. Za prilagajanje položaja vsakega od osemnajstih zrcal bo skrbelo 126 majhnih motorčkov, ki bodo sposobni premikov z natančnostjo dvajset nanometrov. Senzorji vesoljskega teleskopa James Webb bodo osredotočeni na infrardeči del spektra in rdeči do oranžni del vidnega spektra, med 0,6 µm in 28,5 µm. Osnovni instrumenti na teleskopu bodo štirje. Kamera NIRcam (Near InfraRed Camera) bo snemala objekte v bližnjem infrardečem delu spektra. NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) bo opravljal spektralno analizo v bližnjem infrardečem spektru. MIRI (Mid-InfraRed Instrument) bo opravljal spektralno analizo v infrardečem delu spektra s srednjim do daljšimi valovnimi dolžinami. FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near InfraRed Imager and Slitless Spectograph) je spektrograf, katerega funkcija bo tudi skrb za pravilno usmerjenost vesoljskega teleskopa. Ker bodo instrumenti osredotočeni bolj na infrardeči del spektra je dodaten problem, ki izhaja iz tega skrb za dovolj intenzivno ohlajenost senzorjev, saj bi v nasprotnem primeru termični šum, ki bi ga zaznavali senzorji bil previsok, zaradi česar bi se koristne informacije v IR spektru popolnoma izgubile. Gre za podoben problem, s katerim se srečujemo ljubiteljski astrofotografi: pri daljših ekspozicijah težimo k čim manjšem termičnem šumu, zaradi česar senzorje naših kamer ali DSLR fotoaparatov dodatno hladimo. Ta problem bo še bolj izrazit pri MIRI kameri, ki bo ohlajena celo na 7 K (-266°C), medtem ko bodo ostali senzorji ohlajeni na »le« 50 K. Naslednje dejstvo, ki ga moramo izpostaviti je to, da bo vesoljski teleskop James Webb veliko pozornosti namenil spektralnim analizam oddaljenih galaksij, zvezd in atmosfer planetov zunaj našega osončja. Spektralna analiza nam lahko nudi odlične informacije o rdečih pomikih najbolj oddaljenih galaksij. Spektri le-teh imajo namreč tako velik rdeči pomik, da teh objektov z Hubblovim vesoljskih teleskopom nismo mogli opazovati. Prav tako bo s spektralno analizo zanimivo ugotavljati, kakšna je kemična sestava atmosfer eksoplanetov in ali se nemara tam ne pojavljajo t.i. bioindikatorji v obliki dvoatomnega kisika ali organskih spojin. V astronomiji je znan rek: »Slika pove več kot tisoč besed, spektrogram pa več kot tisoč slik«.
Zaščita pred toplotnim sevanjem Sonca, Zemlje in Lune bo skrbela za dodatno pasivno hlajenje senzorjev. Sestavlja jo pet velikih slojev iz kaptona, ki so prevlečeni s tanko plastjo aluminija. Sloji bodo v raketi zloženi, kasneje pa se bodo razprli na velikost 14 m x 21 m. Enota za upravljanje teleskopa in komunikacijo z Zemljo bo nameščena pod toplotno zaščito, saj bi lahko zaradi lastnega toplotnega sevanja moteče delovala na senzorje v teleskopu. Čas dvosmerne komunikacije z Zemljo bo 10 sekund. Vesoljski teleskop James Webb bo imel nameščene potisnike, ki bodo skrbeli za pravilno pot teleskopa okoli Lagrangeeve točke. Prav delovanje potisnikov bo najbrž določalo čas delovanja teleskopa, predvidevajo pa, da bo operativen vsaj pet let, z možnostjo podaljšanja delovne dobe na deset let.
Slika 2: Zložen vesoljski teleskop James Webb, kot bo nameščen v raketi Ariane 5.
Vir: NASA, 2021.
Pri izdelavi zrcal JWST so sodelovala številna podjetja. Zrcala so tako nekajkrat prepotovala ZDA, preden je teleskop 26. septembra 2021 zapustil Kalifornijo in z ladjo skozi Panamski prekop 12. oktobra 2021 priplul v Francosko Gvajano v Južni Ameriki. Po nekaj preložitvah je bil teleskop uspešno izstreljen 25. decembra ob 13:20 po srednjeevropskem času. 27 minut po izstrelitvi se je teleskop uspešno ločil od matične rakete. Opravljeni sta bili še dve korekciji poti proti L2, zaradi česar so potisniki porabili sorazmerno malo goriva, kar daje upanje, da bo življenjska doba teleskopa daljša od predvidenih 5. let. Va naslednjih dneh lahko pričakujemo razpiranje senčnika in nekaterih druguh vitalnih delov teleskopa.
Ko se bo vesoljski teleskop utiril v orbito okoli L2 bo potrebno še nekaj mesecev, da bodo vsi sistemi začeli polno delovati. Če bo vse potekalo po načrtih, bo vesoljski teleskop James Webb v celoti operativen v sredini leta 2022. V primeru, da bo temu res tako, bi lahko bil vesoljski teleskop James Webb – če pozabimo na veliko zamudo pri realizaciji in ogromno povečanje proračuna za celoten projekt – astronomska naprava, ki bo naše vedenje o vesolju zelo razširila in morda tudi spremenila, v nasprotnem primeru pa… Držimo pesti za prvi scenarij!
Slika 3: Pot vesoljskega teleskopa do končne lokacije, ki bo oddaljena od Zemlje 1,5 milijonov km.
Vir: NASA, 2021.
Igor Žiberna
