Teleskop Webba za 10 miliardów dolarów pokaże nam początek wszechświata

Na początek słowo wyjaśnienia. Nowa witryna CD-Action to miejsce, gdzie prócz gier będziemy chcieli częściej pisać o technologii – przede wszystkim tej bliższej graczom. Gdy jednak trafi się dobra okazja, chcielibyśmy pożeglować też nieco dalej – np. w kosmos, tak jak tutaj. Nie ukrywam, że o teleskopie Jamesa Webba chciałem napisać sam i męczyłem redakcję tym tematem aż do znudzenia. Od lat jaram się kosmosem: czytam co popadnie, Stellarium jest u mnie jednym z częściej uruchamianych programów, w szafie mam zaś robiony na zamówienie teleskop o lustrze większym niż płyta gramofonowa i ogniskowej wynoszącej półtora metra – to sprzęt, przez który widziałem cienie w kraterach na Księżycu, przerwę Cassiniego w pierścieniach Saturna i galaktyki oddalone o dziesiątki milionów lat świetlnych.

Dlatego też od lat już śledzę telenowelę pod tytułem „robimy następcę Hubble’a”. A że urządzenie jest już poskładane i czeka na wystrzelenie daleko w przestrzeń kosmiczną – okazja jest wręcz wyborna, by ten temat poruszyć. Ale nie tylko dlatego. Główny powód jest taki, że nic podobnego do teleskopu Webba wcześniej nie powstało, a jeśli wszystko się uda – zyskamy narzędzie, które pokaże nam początki kosmosu.

Przed wystrzeleniem w kosmos wszystkie elementy teleskopu, w tym zwierciadło główne, zostały gruntownie przetestowane. Zdjęcie: Northrop Grumman

Z dzisiejszej perspektywy początkowe założenia konstrukcyjne następcy teleskopu Hubble’a wydają się śmieszne. Myśleć o nim zaczęto bardzo szybko, bo już w połowie lat 90. Zakładano wówczas, że wszystko pójdzie z górki i sprzęt zacznie działać w 2007 roku, będzie wyposażony w zwierciadło główne o średnicy ośmiu metrów, a koszty budowy zamkną się w 500 mln dolarów. Zapewne nikt wtedy nie zdawał sobie sprawy, jak bardzo przedsięwzięcie odwlecze się w czasie i o ile wzrosną nakłady finansowe.

Początkowo teleskop miał też nazywać się zupełnie inaczej: Next Generation Space Telescope. Obecna nazwa wprowadzona została dużo później i na przekór tradycji. Urządzenie ochrzczono bowiem imieniem Jamesa Webba, który przecież nie należał do grona astronomów czy ludzi nauki. Był za to administratorem NASA w czasach, kiedy Amerykanie wysłali ludzi na Księżyc. Nie obyło się też bez kontrowersji innego rodzaju. Patron nowego teleskopu został oskarżony o prześladowania członków społeczności LGBT – za jego rządów NASA miała zwalniać homoseksualnych pracowników właśnie ze względu na ich orientację. Ostatecznie jednak agencja wydała oświadczenie, że dowodów na tego rodzaju działalność nie ma i teleskop zachowa swą nową nazwę.

Po trwających całe lata przepychankach związanych ze specyfikacją urządzenia i wyszarpywaniu od amerykańskiego Kongresu coraz większych kwot stanęło na zmianie założeń konstrukcyjnych. Ostatecznie średnicę zwierciadła głównego (czyli instrumentu, który odpowiada za „zbieranie” światła – im jest większe, tym lepiej, mówiąc w skrócie) zmniejszono do 6,5 m, koszty finalnie zamknęły się zaś w 10 mld dolarów. Jak duża jest to kwota? W przybliżeniu można rzec, że budżet Polski jest… jedynie dziesięciokrotnie większy.

Berylowe segmenty zwierciadła pokryto warstwą złota o grubości 100 mikronów. Zdjęcie: NASA/Chris Gunn

Jak się okazało, nawet wspomniana mniejsza średnica zwierciadła głównego była zbyt duża, by teleskop mógł przybrać formę zbliżoną do teleskopu Hubble’a. Z tego względu JWST (James Webb Space Telescope) musiał zostać zaprojektowany od podstaw w zupełnie inny sposób. Konieczne stało się zastosowanie składanego, zbudowanego z sześciokątnych segmentów lustra. W toku badań okazało się, że najlepszym materiałem do ich wykonania jest beryl, który cechuje się świetną odpornością mechaniczną w stosunku do swej niewielkiej masy, dobrze też utrzymuje kształt w szerokim zakresie temperatur. Tyle że zupełnie nie nadaje się do pełnienia funkcji lustra. Dlatego oszlifowane berylowe segmenty pokryto warstwą złota o grubości 100 mikronów – ogółem w toku produkcji zużyto 48 g tego cennego surowca (czyli tyle, ile waży piłeczka golfowa), pokrywając nim ok. 25 m² zwierciadła. 

Zwierciadło główne podczas testów było m.in. mrożone i prześwietlane promieniami rentgenowskimi. Zdjęcie: NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given

Produkcja zwierciadła teleskopu trwała osiem lat. Składa się ono z osiemnastu segmentów, każdy zaś wraz z oprzyrządowaniem waży niecałe 40 kg, z czego ok. 20 kg przypada na sam beryl. Jak nietrudno policzyć – razem to ok. 700 kg. Sporo? Niekoniecznie! Lustro Teleskopu Hubble’a przy średnicy 2,4 m waży 828 kg. Obydwa instrumenty mają więc porównywalną masę, ale ten nowy cechuje się niemal sześciokrotnie większą powierzchnią zbiorczą – co przy obserwacjach kosmicznych ma znaczenie z grubsza takie samo jak dobra karta graficzna w graniu. Ogółem JWST waży 6,5 tony, czyli niemal dwukrotnie mniej od swojego utytułowanego poprzednika o masie 11,11 tony. Co, jak się okazuje, ma kolosalne znaczenie.

Nie tylko optykę zabezpieczono przed ekstremalnymi warunkami kosmosu. Zdjęcie: NASA/Chris Gunn

Im mniejsza masa, tym łatwiejsze i tańsze jest wyniesienie ładunku w przestrzeń kosmiczną – jest to dość oczywiste. Przy teleskopie Webba jest to tym istotniejsze, że zostanie on zaparkowany nie na niskiej orbicie Ziemi (Hubble unosi się ok. 540 km nad planetą), a znacznie dalej. NASA umieści bowiem JWST w tzw. punkcie libracyjnym L2 – mówiąc pokrótce, to takie miejsce na linii przecinającej Słońce i Ziemię, gdzie urządzenie będzie mogło zachować stałą pozycję względem tych ciał niebieskich. Jak daleko zatem poleci? Na odległość 1,5 mln kilometrów, czyli niemal czterokrotnie dalej, niż człowiek kiedykolwiek oddalił się od swej macierzystej planety.

To tylko niewielka część zespołu – nad teleskopem pracowały tysiące osób z 14 krajów. Zwróćcie również uwagę na lustro, w którym odbija się logo NASA. Zdjęcie: NASA/Chris Gunn

Przekłada się to na prosty fakt: w przeciwieństwie do teleskopu Hubble’a serwisowanie JWST w przestrzeni kosmicznej nie będzie możliwe. Poleci i… tyle. Jeśli okaże się, że nie będzie działać, to wyślemy ot tak, dla sportu, 10 mld dolarów w przestrzeń kosmiczną i nic z tym faktem nie będziemy mogli zrobić, jeśli zdalne próby usunięcia awarii zawiodą.

NASA oczywiście zabezpieczyła się przed tego rodzaju ewentualnością na wiele sposobów. Wspomniane lustro – a konkretnie jego wersję testową – sprawdzono pod kątem przeciążeń przy starcie, przeszło też testy uderzeniowe na okoliczność spotkania z mikrometeoroidami. Elektronika, ba, nawet elementy zwierciadła, mają swoje zapasowe odpowiedniki. Teleskop w całości, jak i jego części, mrożono, naświetlano, składano i rozkładano, by sprawdzić, czy wszystko gra. Wyciągnięto też lekcję z początkowej porażki Hubble’a. Do sprawdzenia optyki JWST stworzono zupełnie nowe narzędzia – nie używano tych, które zastosowano do produkcji lustra, co było przyczyną początkowej fatalnej jakości obrazu Hubble’a i wymusiło jego naprawę na orbicie (nosi on przez to „okulary”).

Osłona termiczna wygląda efektownie, ale jej zadaniem jest przede wszystkim zabezpieczenie sprzętu przed promieniowaniem słonecznym. Zdjęcie: Northrop Grumman

Sprawdzono też osłonę termiczną – czyli ten charakterystyczny „żagiel” teleskopu. Jego obecność jest konieczna, gdyż urządzenie zaprojektowano do pracy w temperaturze poniżej -213°C – a takiej nie da się osiągnąć, gdy na instrumenty pada światło słoneczne oraz… odbite od Ziemi i Księżyca promieniowanie naszej gwiazdy. Teleskop wyposażono więc w pięciowarstwowy płaszcz o wielkości mniej więcej odpowiadającej powierzchni kortu tenisowego. Oczywiście składanie i rozkładanie go też przetestowano – zresztą podczas jednego z takich sprawdzianów uległ on uszkodzeniu, co zaowocowało kolejnymi opóźnieniami. Jeśli dołożyć do tego zawirowania związane z sytuacją pandemiczną, to sumarycznie testy, naprawy i oczekiwanie na start przeciągnęły się do niemal pięciu lat.

JWST ma operować przede wszystkim w widmie podczerwieni – a więc inaczej niż teleskop Hubble’a, który obejmuje spektrum od bliskiego ultrafioletu przez całe światło widzialne do bliskiej podczerwieni. To jednak zaleta: obserwując kosmos w ten sposób, zobaczymy więcej. Kombinacja możliwości optycznych i zainstalowanych instrumentów pozwoli nam spojrzeć 13,5 mld lat wstecz. Jest to związane z tym, że światło podróżuje przez próżnię ze stałą prędkością ok. 300 tys. km/s – spoglądając dalej, niejako cofamy się w czasie. Dzięki temu będziemy w stanie – wedle przypuszczeń NASA – zobaczyć pierwsze galaktyki.

Według obowiązujących danych wiek wszechświata szacuje się na 13,82 mld lat. Teleskop Hubble’a, tworząc obraz „Ultragłębokie Pole Hubble’a” poprzez serię ok. 800 ujęć naświetlanych w sumie przez ponad dwa tygodnie, wyłuskał galaktyki powstałe 13 mld lat temu – i choć całość robi to kolosalne wrażenie, to rozdzielczość pojedynczych obiektów była jednak dość mizerna. Teraz ma być pod każdym względem lepiej. Możliwości aparatury JWST obrazuje zresztą przykład podany przez NASA: czysto teoretycznie urządzenie byłoby w stanie dostrzec trzmiela z odległości równej dystansowi między Ziemią a Księżycem. 

Dopiero w bezpośrednim porównaniu z człowiekiem widać, jak wielki jest teleskop Webba. Zdjęcie: NASA/Chris Gunn

Teleskop zostanie wysłany w kosmos rakietą o rodowodzie europejskim – Ariane 5 z Gujany Francuskiej. Szanse na sukces? Całkiem spore – do tej pory startowała ona 111 razy, z czego dwie próby uznane zostały za porażkę, dwie za częściową porażkę, jedna za częściowy sukces, pozostałe zaś w pełni się powiodły. Ryzyko, że zobaczymy kosmiczne fajerwerki za 10 mld dolarów, jest więc znikome. O wiele trudniej będzie później – procedura przygotowania teleskopu do działania jest potwornie długa.

Po starcie silniki Ariane 5 będą pracować przez 26 minut. Kilka minut po oddzieleniu się od rakiety z teleskopu wysunie się panel słoneczny odpowiedzialny za zasilanie urządzenia. Kolejne 24 godziny to kluczowe dla powodzenia misji korekty trajektorii i uruchomienie anteny odpowiedzialnej za komunikację z Ziemią. Potem, przez kolejny tydzień, będą nanoszone dalsze korekty kursu, rozłoży się również osłona termiczna i radiatory odpowiedzialne na chłodzenie aparatury. W ciągu następnego miesiąca rozłożone zostanie zwierciadło wtórne oraz dwa skrzydła zwierciadła głównego. Proces schładzania teleskopu potrwa kilka kolejnych tygodni.

Złożony teleskop zajmuje o wiele mniej miejsca, toteż bez problemu zmieści się w ładowni rakiety Ariane 5. Zdjęcie: NASA/Chris Gunn

Dopiero wówczas będzie można przeprowadzić pierwsze testy w przestrzeni kosmicznej, w międzyczasie nastąpi zaś kolejna korekta kursu i wprowadzenie urządzenia na docelową orbitę. Równocześnie zostaną uruchomione instrumenty badawcze. Tyle że… jeszcze nic sensownego nie pokażą. Przez następne cztery miesiące będzie bowiem trwać dostrajanie optyki – wymaga to ogromnej precyzji, gdyż zwierciadło główne składa się z segmentów, a każdy z nich trzeba będzie ustawić tak, by działały razem, pokazując jednolity obraz – pierwsze fotografie testowe będą podzielone na wiele zniekształconych fragmentów. W końcu nastąpi kalibracja instrumentów badawczych, która będzie się ciągnąć przez dwa ostatnie miesiące przygotowań wraz z testami systemów pozycjonowania – te zostaną sprawdzone poprzez śledzenie obiektów z Układu Słonecznego. Ogółem cała operacja przygotowania JWST do pracy potrwa sześć miesięcy – pierwszych fotografii z nowej zabawki NASA możemy zapewne spodziewać się w czerwcu 2022 roku.

Według ostatnich informacji start Ariane 5 z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba odbędzie się 25 grudnia między 13.20 a 13.52 naszego czasu i będzie można go oglądać na oficjalnym kanale NASA – transmisja rozpocznie się o godzinie 13.00. Nie wiem jak wy, ale ja będę oglądać!

PS Jeśli chcecie pogadać w komentarzach o teleskopie Webba lub tym mniejszym, który parkuje u mnie w szafie, to śmiało – odpowiem na każde pytanie. :)

Zwierciadło wtórne umieszczono na rozkładanym wysięgniku przed zwierciadłem głównym. Grafika: NASA

Zdjęcie otwierające artykuł: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez