Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozwoli nam spojrzeć w przeszłość wszechświata dokładniej niż jakikolwiek inny instrument, który posłaliśmy w przestrzeń kosmiczną lub zbudowaliśmy na Ziemi
Wyobraźmy sobie, że podczas świąt dopadła nas nostalgia i zaczęliśmy oglądać albumy ze zdjęciami. Przewracając kartki, cofamy się w czasie – matura, liceum, podstawówka, komunia, pierwsza gwiazdka, chrzest, narodziny. Jeśli Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba można do czegoś porównać, to do urządzenia, które pozwoli nam zobaczyć „kosmiczną pierwszą komunię”.
Na razie teleskop pędzi przez kosmos z prędkością niemal 2 tys. km/h – w każde 10 minut pokonuje taką odległość jak z Warszawy do Władysławowa. W dniu, kiedy to wydanie trafi do kiosków, będzie miał już za sobą większość liczącej 1,5 mln km podróży – do pokonania zostanie mu jedna trzecia. Do celu (punktu L2) powinien dotrzeć pod koniec stycznia.
Często mówi się, że podróż jest równie ważna jak cel – i w tym przypadku jest to powiedzenie prawdziwe. Trzydzieści dni lotu ma służyć nie tylko temu, żeby teleskop przemieścił się z punktu A do punktu B. To także czas, w którym urządzenie ma osiągnąć docelowe wymiary – Webb jest tak duży, że do wynoszącej go rakiety zmieścił się po złożeniu (średnica jego zwierciadła ma 6,5 m; to dwa i pół razy więcej nie zwierciadło teleskopu Hubble’a). Teraz musi się rozłożyć, a w środę powinien zakończyć się jeden z najbardziej delikatnych etapów tego procesu – rozsunięcie osłony cieplnej wykonanej z pięciu warstw specjalnego tworzywa sztucznego (to ten dziwny niby żagiel u podstawy).
Każdy etap rozkładania to ryzyko fiaska misji (np. bez żagla teleskop nie będzie chłodzony we właściwy sposób). Na razie wszystko idzie zgodnie z planem. Na poniedziałkowej konferencji Bill Ochs, nadzorujący teleskop, stwierdził, że naukowcy „nie przewidują na razie żadnego dramatu”. – Z naszego punktu widzenia najlepiej jest, jeśli cały proces można podsumować jako nudny. I tego się właśnie spodziewamy przez następnych parę dni: nudy – zapewniał.
Dziś Ochs jest spokojny, lecz pod koniec ubiegłego roku, gdy zbliżał się początek misji, dało się wśród naukowców wyczuć zdenerwowanie. – Jeśli wszystko pójdzie dobrze, idę zagrać w totolotka – mówił mi tuż po starcie teleskopu 25 grudnia 2021 r. dr Tomasz Suchodolski z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk. Jeśli jednak podróż dalej będzie przebiegać w przewidywalny sposób, pierwszych zdjęć z Webba można się spodziewać w połowie roku.
Spojrzeć dalej
Dlaczego Webb jest taki ważny? Powody są dwa. Po pierwsze, nieczęsto (raz na trzy dekady) zdarza się, żebyśmy posyłali w kosmos tak drogie urządzenie – całkowity koszt misji zamknął się na razie w okrągłych 10 mld dol. (kwota nieco mniejsza od tej, jaką należy wysupłać na lotniskowiec). Nie ma też tu miejsca na błąd: wystarczy jeden źle działający silnik elektryczny i teleskop zamienia się w kosmiczny śmieć – w przeciwieństwie do tego, co znamy z fabuły filmu „Kontakt”, nie ma zapasowego egzemplarza.
Po drugie, Webb pozwoli nam spojrzeć w przeszłość wszechświata dokładniej niż jakikolwiek inny instrument, który posłaliśmy w przestrzeń kosmiczną lub zbudowaliśmy na Ziemi. Wiemy, jak kosmos wygląda dziś i jak prezentował się parę miliardów lat temu, mamy też pojęcie, jaki był jego początek. To, czego nam brakuje, to wiedza o kilkuset milionach lat, w których okrzepła jego struktura. Właśnie z tego powodu teleskop Webba będzie oglądał kosmos w części pasma elektromagnetycznego zwanego podczerwienią, które jest niewidzialne dla ludzkiego oka.
Postawienie na podczerwień ma też związek z rozszerzaniem się wszechświata. – W związku z tym procesem światło widzialne pochodzące od odległych obiektów przesuwa się w kierunku podczerwieni. To zjawisko, poprzez analogię, odnosimy do efektu Dopplera, z którym stykamy się, słysząc np. sygnał karetki: kiedy zbliża się do nas, częstotliwość sygnału jest wyższa, niż kiedy się oddala – tłumaczy dr Suchodolski. – Innymi słowy: obiekty, które emitują światło widzialne, np. odległe galaktyki, o ile znajdują się w pewnej odległości, umkną instrumentom pracującym z tą częścią spektrum, np. teleskopowi Hubble’a. Potrzebne jest urządzenie, które będzie rejestrować podczerwień – dodaje naukowiec.
Co właściwie chcemy podejrzeć w tej skali za pomocą podczerwieni? Przede wszystkim proces formowania się galaktyk. Wiemy, że dzisiaj wszechświat jest nimi usiany, ale przecież musiał być moment, kiedy nie było ich aż tak wiele. To właśnie ta chwila interesuje nas najbardziej, bo zapewni nam kilka wskazówek co do procesów, dzięki którym kosmos wygląda dzisiaj tak, jak wygląda.
Gwiazdy i skały
Webb pozwoli nam spojrzeć nie tylko w przeszłość całego kosmosu, ale również jego elementów składowych. Astronomowie szczególnie ostrzą sobie zęby na możliwość obserwacji pierwszych gwiazd, co do których podejrzewamy, że były znacznie większe od naszego Słońca, znacznie jaśniej świeciły i znacznie krócej żyły. Ale interesują nas nie tylko pierwsze gwiazdy, lecz także proces ich powstawania. Wiele z nich rodzi się w okolicy Ziemi – ale najczęściej w warunkach, które nie pozwalają nam na obserwacje za pomocą światłą widzialnego. Podczerwień natomiast nadaje się do tego wybornie.
– Świętym Graalem astronomii jest znalezienie gwiezdnego embrionu – mówi prof. Agata Karska z Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu. – Wiemy, że gwiazdy zaczynają życie w obłokach gazu i pyłu, i że taka materia musi zapaść się pod własnym ciężarem, aby uformować obiekt centralny. Ale do tej pory nie udało nam się tego zaobserwować, bo sąsiedztwo takiego obiektu jest pełne materii pochłaniającej światło widzialne – tłumaczy badaczka.
NASA, na stronie poświęconej teleskopowi Webba, porównuje sytuację z nieprzejrzystością pyłu i gazu do włożenia ręki do czarnego worka: nie widać jej gołym okiem, ale jeśli spojrzeć na worek za pomocą kamery termowizyjnej – voilà! – opakowanie znika, a ukazuje się nasza kończyna. Co więcej, Webb pozwoli nam również obserwować procesy, które towarzyszą powstawaniu gwiazd, jak chociażby wyrzuty materii. Na tej podstawie będziemy w stanie wyciągnąć wiele wniosków dotyczących charakteru tych procesów.
Nowy teleskop znacząco wzmocni również naszą wiedzę o planetach (święcą światłem odbitym) krążących wokół innych słońc. Dzisiaj już wiemy, że są one dość częste w kosmosie, bo udało nam się ich naliczyć ok. 4,5 tys. – Wiemy już bardzo dużo o planetach pozasłonecznych, np. to, że są bardzo różne od tych, które znamy z Układu Słonecznego. Dla przykładu wokół innych słońc często krążą planety skaliste znacznie większe niż Ziemia, i do tego krążą znacznie bliżej swojej gwiazdy niż choćby Merkury. Teraz będziemy mogli je dokładniej charakteryzować, chociażby pod kątem składu atmosfer, co da nam pewne poszlaki co do ich składu oraz procesów, jakie na nich zachodzą – mówi prof. Karska. – Co więcej, będziemy się mogli również dowiedzieć więcej na temat powstawania układów planetarnych, chociażby tego, z czego składają się obłoki, gdzie rodzą się nowe planety. To pozornie błahe informacje, ale jesteśmy w stanie wyciągnąć z nich wiele wniosków odnośnie do zachodzących tam procesów – tłumaczy badaczka z Torunia.
Nie duście grosza
Niewiele jednak brakowało, a teleskop Webba by nie powstał. Pierwsze prace koncepcyjne zaczęły się już pod koniec lat 80., zanim na orbitę trafił teleskop Hubble’a. Riccardo Giacconi, ówczesny szef instytutu naukowego z Baltimore, który nadzoruje misję Webba, wiedział jednak, że zaczynać trzeba wcześnie, bo takie rzeczy trwają latami – w końcu Hubble’a planowano od lat 70., w kosmos poleciał w 1990 r. Już wtedy wiadomo było jednak, że teleskop miał rejestrować promieniowanie podczerwone.
Problemy z Hubble’em i konieczność szukania poparcia dla misji mającej go uratować sprawiły, że prace koncepcyjne stanęły i wznowiono je dopiero w połowie lat 90. Wówczas w USA panował już jednak zupełnie inny klimat dla eksploracji przestrzeni kosmicznej. Apetyt na ambitne zadania à la program Apollo już dawno wyparował (George Bush senior po tym, jak zobaczył kilka lat wcześniej rachunek za potencjalną misję na Marsa, wyrzucił projekt do kosza). Republikanie wymuszali na jego następcy Billu Clintonie oszczędną politykę fiskalną, do której skomplikowane pojazdy kosmiczne nie pasowały.
Nastrój zaciskania pasa udzielił się również środowisku naukowemu: pierwszy projekt nowego teleskopu zakładał mniejsze urządzenie. Na tyle mniejsze, że zmieściłoby się bez problemu na pokładzie rakiety nośnej, która miała wynieść je w kosmos. To bardzo ważna decyzja z punktu widzenia całego projektu – jeśli teleskop zmieści się w rakiecie, nie trzeba go będzie rozkładać. Jeśli nie trzeba go będzie rozkładać, to nie trzeba będzie wymyślać urządzeń, które ten proces umożliwią. Nie trzeba ich będzie również w nieskończoność testować, a potem modlić się, żeby zadziałały. Te wszystkie słowa znaczą jedno: dużo dolarów mniej.
Jednocześnie było też wiadomo, że mniejszy teleskop będzie miał mniejsze możliwości. Tego nie mógł znieść ówczesny szef NASA Dan Gouldin, który na zjeździe amerykańskich astronomów w 1996 r. oskarżył członków komitetu projektowego o to, że są dusigroszami (za co zebrał owację na stojąco). Gouldin prawdopodobnie ocalił wówczas Webba w obecnym kształcie.
Potem rozpoczął się proces żmudnego projektowania urządzenia. Tym nigdy nie zajmuje się jedna organizacja, chociaż konkretna firma zawsze odpowiada za spięcie całego projektu i finalny montaż (wybrano TRW, później kupioną przez koncern Northrop Grumman). Wiele rzeczy wymyślić trzeba było właściwie od zera, jak wspomnianą już osłonę termiczną wraz ze sposobem rozkładania w kosmosie, czy urządzenia odpowiedzialne za rozłożenie charakterystycznych, sześciokątnych luster w przestrzeni kosmicznej (muszą być ustawione względem siebie z dokładnością do połowy cząstki wirusa, czyli jednej dziesięciotysięcznej ludzkiego włosa). Zaś do wypolerowania samych tafli zbudowano specjalny zakład w Kalifornii – ich powierzchnie muszą być tak gładkie, że gdyby powiększyć lustra do rozmiarów kontynentu, pagórki i doliny nie byłyby większe niż kilkanaście centymetrów.
Zimna podczerwień
W międzyczasie oczywiście doszło do opóźnień, wzrostu kosztów, a także gróźb anulowania projektu. Teraz jednak te obawy to przeszłość, bo za kilkanaście dni teleskop dotrze do celu podróży, czyli punktu L2. Wybór podyktowany jest faktem, że Webb ma rejestrować promieniowanie podczerwone. – Każde ciało, które ma temperaturę powyżej zera absolutnego – a żadne nigdy nie osiągnie tej temperatury – emituje promieniowanie cieplne, które rejestrujemy w podczerwieni. Z tego względu, aby naprawdę dobrze robić astronomię opartą na tej części pasma elektromagnetycznego, musimy zabezpieczyć teleskop przed wszystkimi źródłami takiego promieniowania – tłumaczy dr Suchodolski.
Jak to zrobić? Najprościej posłać go w bardzo szczególne miejsce w kosmosie. – Punkt L2 znajduje się w półcieniu Ziemi, gdzie nasza planeta nieco zasłania Słońce – tłumaczy pracownik Centrum Badań Kosmicznych. Innymi słowy: Webb będzie obiegał Słońce tak jak Ziemia, wykorzystując naszą planetę jako naturalną barierę chroniącą przed słonecznym światłem. – To identyczny zabieg jak w przypadku, gdybyśmy zastanawiali się, gdzie najlepiej posadowić radioteleskop – po niewidocznej stronie Księżyca. A gdyby udało się to zrobić jeszcze w jakimś kraterze, to już w ogóle byłaby bajka – mówi naukowiec.
Wybór technologii, w jakiej działa teleskop, determinuje nie tylko miejsce, gdzie będzie pracował, ale też to, że trzeba było wyposażyć go w specjalne osłony termiczne. Te chronią instrumenty teleskopu przed cieplnym szumem Układu Słonecznego, a także samego teleskopu i zapewniają im optymalną temperaturę, dzięki czemu nie jest potrzebne aktywne chłodzenie (a właściwie nie jest potrzebne w takiej skali, bo jeden z instrumentów musi pracować w temperaturze 7 stopni powyżej zera bezwzględnego i ten wymaga aktywnego chłodzenia).
I chociaż przyjęło się mówić, że Webb jest następcą Hubble’a – bo to kolejny duży teleskop kosmiczny – to nie jest to do końca poprawne. – Wbrew przekazom medialnym Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba nie jest następcą teleskopu Hubble’a. Webb pracuje w zupełnie innym paśmie promieniowania elektromagnetycznego, więc jest dopełnieniem istniejących rozwiązań. Najprościej można to porównać do radioodbiorników: mieliśmy takie, które odbierały fale długie, potem średnie, krótkie i ultrakrótkie – wyjaśnia dr Suchodolski.
Poprzednicy
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (nazwany na cześć drugiego szefa NASA, który firmował m.in. program Apollo) nie jest więc ani następcą Hubble’a, ani nie jest pierwszym teleskopem kosmicznym, który będzie rejestrował promieniowanie podczerwone. Dotychczas poza atmosferę posłaliśmy kilka takich instrumentów, w tym teleskop Spitzera (misja NASA; nazwany na cześć naukowca Lymana Spitzera, którego uważa się za ojca teleskopu Hubble’a) oraz teleskop Herschla (misja europejska, nazwana na cześć Williama Herschla, brytyjskiego naukowca uważanego za ojca astronomii podczerwonej).
– Dzięki obserwatoriom astronomicznym pracującym w podczerwieni już dowiedzieliśmy się bardzo dużo o kosmosie. Dla przykładu Herschel pokazał nam, że obłoki gazu, gdzie powstają gwiazdy, mają strukturę filamentową (coś w rodzaju włókien) i że nowe słońca powstają właśnie w tych filamentach. Dzięki Herschlowi wiemy też, że tam, gdzie rodzą się gwiazdy, bardzo często występuje lub pojawia się woda – mówi prof. Karska.
Swoich kilka groszy dołożył też Spitzer. Dzięki temu teleskopowi dokonaliśmy odkryć w naszym bezpośrednim sąsiedztwie – udało nam się wypatrzyć, że Saturn ma jeszcze jeden pierścień. Oraz nieco dalszym – dzięki niemu wiemy, że niedaleką od nas gwiazdę orbituje aż siedem planet. Spitzer zaglądał również w najdalsze zakamarki kosmosu, podglądając czarne dziury z czasów wczesnego kosmosu (fakt ich powstania tak wcześnie w dziejach wszechświata dotychczas nurtuje naukowców).
Zarówno Herschel, jak i Spitzer pokazują również, jak trudno jest uprawiać astronomię podczerwoną. Ten pierwszy przestał pracować w 2013 r., kiedy skończyło mu się (zgodnie z planem) chłodziwo niezbędne do poprawnego funkcjonowania instrumentów. Podobna rzecz miała miejsce w przypadku Spitzera, tyle że ten teleskop był w stanie pracować jeszcze przez dekadę w „trybie ciepłym”. Webb może pokonać te ograniczenia dzięki innowacyjnym rozwiązaniom i uczyć nas o początkach planet, gwiazd i galaktyk jeszcze przez długie lata – naukowcy szacują, że mniej więcej dziesięć. Bo na tyle powinno wystarczyć paliwa, by utrzymać go w punkcie L2. ©℗
