Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Zbudowali prawdziwy wehikuł czasu

Miliardy dolarów, dekady starań i wielokrotnie przesuwany start misji. Co takiego oferuje ludzkości Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, że poświęcono dla niego tak wiele? I co sprawia, że to urządzenie jest tak niezwykłe?

Kosmiczny Teleskop Jamesa WebbaŹródło: NASA

Jak patrzeć w niebo? Najprościej – spojrzeć w górę. Jeśli zrobimy to w nocy, ujrzymy co najmniej kilka najjaśniejszych gwiazd i Księżyc. Gdy chcemy zobaczyć nieco więcej, warto wybrać się tam, gdzie obserwacji nie zakłócą nam światła cywilizacji – np. do któregoś z rezerwatów ciemnego nieba.

To miejsca, gdzie chroni się to, co w naszych czasach bardzo rzadkie: widok nocnego nieba. W Polsce są na razie dwa takie miejsca - Park Gwiezdnego Nieba "Bieszczady" i Izerski Park Ciemnego Nieba.

Takie parki są wspaniałą atrakcją dla osób, które chcą doświadczyć widoku nieba nieskażonego przez cywilizację, a także miejscem spotkań wielbicieli astronomii. Pasjonaci przywożą swoje teleskopy, by w plenerze obserwować to, czego nie zobaczymy z okna bloku w centrum miasta.

Ale nawet w rezerwacie ciemnego nieba nie widać wszystkiego. Aby zobaczyć więcej, astronomowie budują swoje obserwatoria – jak nieukończony jeszcze, budowany w Chile Ekstremalnie Wielki Teleskop – na terenach pustynnych, wygasłych wulkanach albo szczytach gór. Chcą być wysoko, aby znaleźć się powyżej warstwy chmur czy ogólniej – pary wodnej – utrudniających obserwację.

European Southern Observatory

Ekstremalnie Wielki TeleskopŹródło: European Southern Observatory

Niestety, w obserwacjach przeszkadza ziemska atmosfera, pełna pyłów, zanieczyszczeń i gazów, powodujących załamania światła czy pochłaniających niektóre częstotliwości fal świetlnych. Dlatego dla tych najważniejszych, najbardziej kluczowych badań buduje się teleskopy kosmiczne: urządzenia obserwacyjne, wynoszone przez rakiety wysoko ponad atmosferę i zakłócenia, wywołane bezpośrednią bliskością Ziemi.

---

Kosmiczne teleskopy Hubble’a i Webba

Najsłynniejszym kosmicznym obserwatorium jest obecnie Kosmiczny Teleskop Hubble’a, działający na orbicie Ziemi od 1990 roku. Przez 30 lat pracy – mimo kilku awarii i misji serwisowych - dostarczył bezcennych danych na temat Kosmosu, pozwalając zobaczyć najdalsze obiekty, jakie kiedykolwiek udało się zaobserwować. Niestety, awaria żyroskopów sprawiła, że od stycznia 2021 roku znajduje się w trybie awaryjnym.

Sławę Hubble'a może niebawem przyćmić Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, którego start na pokładzie rakiety Ariane 5 może śledzić cały świat dzięki udostępnionej przez NASA transmisji. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, wielokrotnie przekładana misja rozpocznie się 25 grudnia, około 13:20 czasu polskiego.

Teleskop Jamesa Webba nie nie jest prostu nowocześniejszym następcą teleskopu Hubble’a (tę rolę spełni w przyszłości kosmiczny teleskop ATLAST). Został zaprojektowany jako wyspecjalizowany sprzęt, pozwalający na obserwacje w paśmie podczerwonym. Co więcej, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba nie zostanie umieszczony na orbicie Ziemi, ale w szczególnym punkcie przestrzeni – punkcie libracyjnym L2.

Punkt libracyjny: hamak zawieszony na Ziemi i Słońcu

L2 to nazwa miejsca w przestrzeni, gdzie obiekt o niewielkiej masie, umieszczony w odpowiednim miejscu na linii przecinającej Słońce i Ziemię pozostanie – względem tych ciał niebieskich – nieruchomy.

Choć cały układ będzie pędził przez Kosmos wraz z ruchem planet czy układów gwiezdnych, to umieszczony w punkcie L2 obiekt będzie jak w hamaku zawieszonym na Ziemi i Słońcu: nieruchomy względem miejsc, na których hamak został rozpięty. 

NASA

Schemat punktów libracyjnychŹródło: NASA

Ponieważ L2 znajduje się w tzw. "cieniu Ziemi" (patrząc od Słońca - za Ziemią), nasza planeta osłoni teleskop przed częścią ewentualnych zakłóceń. Dla badań prowadzonych w podczerwieni im zimniej, tym lepiej, więc odsunięcie teleskopu maksymalnie daleko od źródeł promieniowania jest kluczowe dla powodzenia misji. Pomogą w tym dodatkowe, wielowarstwowe osłony termiczne, które zapewnią urządzeniu możliwość pracy w pożądanej temperaturze -213 stopni Celsjusza.

5 albo 10 lat działania

W praktyce L2 to wymarzone miejsce do obserwacji odległego Kosmosu i właśnie tam będzie działać Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Wadą tej lokalizacji jest brak możliwości serwisowania teleskopu.

Domena publiczna

Teleskop Hubble'a widziany z pokładu promu kosmicznegoŹródło: Domena publiczna

O ile do psującego się obserwatorium Hubble’a można było wysyłać astronautów, którzy w przestrzeni kosmicznej naprawiali zepsuty sprzęt, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie musiał działać niezawodnie przez co najmniej pięć lat. Taki czas badań zaplanowali twórcy urządzenia z nadzieją, że czas pracy teleskopu uda się przedłużyć o kolejne pięć lat.

Jeśli jakiś etap misji nie powiedzie się, może to oznaczać bezpowrotne zaprzepaszczenie długoletnich, kosztownych starań. W przypadku misji Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba nie ma marginesu błędu - wszystko musi działać perfekcyjnie, stąd niezliczone testy i wielokrotne przesuwanie w czasie początku misji.

Podczerwień, czyli patrzymy daleko

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został zaprojektowany do obserwacji w paśmie podczerwieni. Dlaczego to właśnie podczerwień jest tak istotna dla badania Kosmosu? Wszystko za sprawą ogólnej teorii względności Alberta Einsteina i badań Christiana Dopplera nad efektem, nazwanym jego nazwiskiem.

Domena publiczna

Mgławica Koński Łeb, odległa od Ziemi o około 1500 lat świetlnychŹródło: Domena publiczna

Wszechświat nie jest statyczny. Rozszerza się, a tym samym odległości pomiędzy kosmicznymi obiektami – źródłami światła – rosną. A gdy światło oddala się od obserwatora, to rejestrowana długość fali wzrasta. Im dalej znajduje się interesujący nas obiekt, tym długość fali większa, więc gdy chcemy patrzeć naprawdę daleko, zamiast światła widzialnego interesuje nas to o dużej długości fali - podczerwone.

Podróż w przeszłość

Problem w tym, że nawet patrząc w podczerwieni, nie widzimy aktualnego obrazu. Zamiast niego rejestrujemy ten z przeszłości - nawet sprzed miliardów lat. Wynika to z faktu, że światło – choć bardzo szybkie – porusza się ze skończoną prędkością. Aby przebyć jakiś dystans, potrzebuje czasu. A dystanse w Kosmosie są tak ogromne, że wymykają się ludzkiej wyobraźni.

Northrop Grumman

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba - wizualizacjaŹródło: Northrop Grumman

Mierzymy je w jednostkach astronomicznych, parsekach i latach świetlnych. Te ostatnie to odległość, jaką pokonuje światło w ciągu roku – około 9 460 000 000 000 km. W takim ujęciu odległość Ziemi od Słońca to nieco mniej niż 8 i pół minuty.

W praktyce oznacza to, że im dalej patrzymy, tym starszy obraz widzimy. A zatem patrząc przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, wsiądziemy do wehikułu czasu – ujrzymy obraz z bardzo odległej przeszłości. Spojrzymy na Kosmos taki, jaki był bliżej Wielkiego Wybuchu - sięgniemy w czasie i przestrzeni tak daleko, jak jeszcze nigdy wcześniej. To bezcenna wiedza, która zbliży nas do poznania odpowiedzi na pytanie o początki naszego (wszech)świata. Kiedy ją poznamy?

Sam 26-minutowy (tyle będą pracować silniki rakiety) start misji będzie dopiero początkiem długiego wyczekiwania. Po nim nastąpi trwające tygodnie rozkładanie osłon i zwierciadeł, lot na docelową pozycję, a następnie wielomiesięczna kalibracja urządzenia. Pierwsze nietestowe obrazy zaczną spływać z obserwatorium dopiero w połowie 2022 roku - mniej więcej pół roku po rozpoczęciu misji.

Kim był James Webb?

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba to hołd złożony zasłużonemu administratorowi NASA. Imponująca kariera urodzonego w 1906 roku Webba zaczęła się jeszcze przed II wojną światową. Sprawował wówczas kierownicze stanowisko w firmie Sperry Corporation, produkującej dla wojska żyroskopy, autopiloty i sprzęt nawigacyjny.

Domena publiczna

James Webb, administrator NASA w latach 1961-1968Źródło: Domena publiczna

Jego rola była tak ważna, że gdy w czasie wojny zgłosił się jako ochotnik do wojska, odmówiono mu - był bardziej istotny dla zwycięstwa kierując produkcją zbrojeniową, niż jako walczący żołnierz z karabinem. Powojenna kariera Webba obejmowała m.in. stanowisko Sekretarza Skarbu i zadanie ustabilizowania amerykańskiej gospodarki po zakończeniu gigantycznych zbrojeń z czasów II wojny.

W 1961 roku James Webb przyjął z rąk prezydenta Kennedy'ego nominację na stanowisko administratora NASA. Postawiono przed nim jasne zadanie: wygrać w kosmicznym wyścigu z Sowietami i wylądować na Księżycu przed 1970 rokiem.

Z tego zadania wywiązał się bez zarzutu, organizując i zapewniając finansowanie dla załogowych programów Gemini i Apollo, a także bezzałogowych Mariner i Pioneer. Jako współpracownik administracji prezydenta Lyndona B. Johnsona, zrezygnował ze stanowiska, gdy prezydent postanowił nie ubiegać się o reelekcję. Zmarł w 1992 r.