James Webb Space Telescope

Binnen een aantal weken is het zover, de Hubble space telescope (HST) krijgt eindelijk nieuw gezelschap. De James Webb space telescope zal op 24 december om 13:20 onze tijd gelanceerd worden vanaf Kourou in Frans-Guyana. De telescoop is uniek in een hele boel manieren en zal ons nog verder doen kijken dan dat we tot nu toe konden doen. Toch is er nog een lange weg te gaan voordat we onze nieuwste telescoop eindelijk kunnen inzetten.

De eerste ideeën voor een telescoop zoals de James Webb Space Telescope (JWST) komen al vanuit de jaren 1989, op dit moment stond de Hubble Space Telescope (HST) klaar om gelanceerd te worden. Toch waren wetenschappers toen al aan het nadenken over wat de volgende grote ruimtetelescoop zou moeten kunnen doen. Zeven jaar later, in 1996, werd bevestigd door de NASA welke eigenschappen deze telescoop zou hebben en in 2002 wees men officieel een team deze opdracht toe. De JWST is dus zeker geen nieuw idee. Sinds 2004 is men al bezig aan de bouw van deze telescoop, die is uitgegroeid tot een van de grootste projecten in de voorbije decennia.

Wat maakt de telescoop zo speciaal?

Er zijn een aantal redenen waarom deze telescoop speciaal is. De eerste is de enorme samenwerking rond het project. Het project wordt ontwikkeld door de NASA (USA), de ESA (Europa) en de CSA (Canada). Het is niet de eerste keer dat er meerdere ruimtevaartorganisaties werken aan hetzelfde project (denk bijvoorbeeld aan het ISS, Hubble of Cassini-Huygens) maar omdat het totale prijskaartje zo hoog is (10,42 miljard euro^[1]) is dit soort samenwerking alleen nog maar gebeurd met het CERN, het ISS en de HST.

Wat de JWST nog speciaal maakt, en dit is toch het interessantste voor ons, is de wetenschap aan boord. We mogen de JWST eigenlijk geen opvolger van de HST noemen. Hiervoor zijn een aantal redenen: om te beginnen de baan. De HST zit in een lage baan rond onze aarde. Hoewel we nergens op Aarde beter kunnen doen dan dit, is het nog steeds niet de allerbeste plek om een telescoop te plaatsen. De aarde bedekt namelijk een deel van het zichtveld van de telescoop. Dit is natuurlijk geen groot probleem en geeft zelfs wat nuttige voordelen zoals een groot zonnenscherm (hierover later meer). De JWST zal zich om een baan rond het L2 punt (2de Lagrange punt van het Aarde-zon systeem) bevinden, dit punt ligt op ongeveer een 1,5 miljoen kilometer achter de Aarde. Dit L2 punt is een punt in de ruimte dat stabiel is en altijd op dezelfde positie blijft zitten ten opzichte van de Zon en de Aarde.

Doordat deze telescoop zo ver staat, is het dus ook niet mogelijk om bij eventuele problemen (zoals de spiegelproblemen van de HST) astronauten te sturen om de telescoop te herstellen. Dit geeft het hele project een extra moeilijkheid omdat het toch gaat om een gigantische investering. Het is niet de eerste keer dat we een ruimtetuig rond het L2 punt laten draaien, denk maar aan sondes zoals GAIA en Planck van de ESA.

Als we het dan hebben over de echte wetenschap aan boord, komen we bij de voornaamste reden waarom de JWST geen echte opvolging is van de HST. De HST onderzocht licht met golflengtes van 115 tot 2500 nanometer, vooral het zichtbare spectrum. De JWST gaat licht tussen de 600 en de 28500 nanometer onderzoeken en zit zo bijna volledig in het infrarode spectrum. De JWST is daarom op het vlak van onderzoeksgebied meer te vergelijken met NASA’s Spitzer telescoop die van 2003 tot 2020 het verre infrarode spectrum verkende.

Een laatste opvallend weetje: De ruimtetelescopen (en bij uitbreiding alle satellieten) worden normaal genoemd naar historisch belangrijke wetenschappers, dat is deze keer anders. James Webb was een Amerikaans ambtenaar, hij was directeur van NASA tijdens de Mercury en Gemini missies. Hij was de tweede directeur van NASA van 1961 tot en met 1968, hierdoor miste hij net de bemande fase van de Apollo-missies. James Webb heeft veel betekend voor de NASA maar door de JWST zijn naam te geven, kregen ze ook veel kritiek omdat de NASA tijdens zijn beleid aan segregatie deed (kijk voor meer informatie hiervoor zeker eens naar de film hidden figures). De NASA onderzocht dit en vond niets dat erop wees James Webb hier persoonlijk mee akkoord was en behield de naam.

De wetenschap aan boord

Met 10,42 miljard euro (dat is 10.420.000.000 euro), kun je wel wat beginnen. De JWST is een van de duurste objecten dat ooit de ruimte ingeschoten is en moet dan natuurlijk ook iets speciaal kunnen doen. Dat kan het zeker en vast. Met een spiegel van meer dan 6,5 meter in doorsnede en de nieuwste technologie moet de JWST zorgen voor ongeziene ontdekkingen. Hier een korte opsomming.

Door in het infrarode spectrum te gaan zoeken, kan de JWST veel verder kijken dan dat we voordien konden met de Hubble. Dit komt door het dopplereffect dat zegt dat wanneer een bron (iets wat een bepaalde golf uitzendt) van ons weg beweegt, de golflengte (de lengte waarover een volledige golf zich uitstrekt) langer wordt. Voor licht heeft dit het gevolg dat het een rode kleur krijgt. Wanneer dit dus zeer snel van ons weg beweegt, zoals de sterrenstelsels die het verst van ons af staan, zorgt dit dat het licht van deze sterrenstelsels infrarood wordt.
Hierdoor kunnen we met de JWST onderzoek doen naar de allereerste sterrenstelsels die gevormd werden na de oerknal. Daarnaast zullen we ook de uitdijing van ons universum verder kunnen onderzoeken.

Naast onderzoek naar sterrenstelsels, zal ons nieuwste speelgoed straks ook aan spectrografie gaan doen. Deze keer niet van sterren maar van exoplaneten! En als dat niet indrukwekkend genoeg klinkt, de JWST zal kunnen zien uit wat de atmosfeer bestaat van een planeet dat zich op tientallen lichtjaren van ons bevindt (als dat het nog niet doet weet ik het ook niet). De telescoop doet dit door het licht dat door de atmosfeer van een planeet gegaan is af te breken en op te splitsen. Hierdoor krijg je een regenboog met hier en daar gaten in. Deze gaten zijn delen van het licht dat tegengehouden worden door specifieke elementen of moleculen. Door de exacte locatie van deze gaten te bepalen, kunnen wetenschappers bepalen welke elementen of moleculen in de atmosfeer zitten.
Dit is helemaal geen nieuwe techniek en wordt al lang gebruikt om bijvoorbeeld de samenstelling van de atmosfeer van planeten in ons zonnestelsel te onderzoeken. Toch is dit de eerste keer dat we de atmosfeer van exoplaneten hiermee onderzoeken. Dit komt door de zeer hoge resolutie (hoe klein de kleinste afstand is tussen 2 objecten dat je kan onderscheiden op een foto; hoe beter de resolutie hoe kleiner deze afstand is) van de JWST.

Dit wilt zeggen dat we met de JWST zullen kunnen onderzoeken of een planeet bijvoorbeeld zuurstof in haar atmosfeer heeft. Op deze manier kan men onderzoeken of er leven kan zijn op een exoplaneet. Een van de planetenstelsels die onderzocht zal worden op deze manier is het TRAPPIST-1 stelsel ontdekt in 2017 door een team Belgische astronomen van SPECULOOS (Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars).

Daarnaast zal de JWST ook nog onderzoek doen naar de planeten in ons eigen zonnestelsel, objecten in de kuiper gordel, kometen en meteoren in onze nabije buurt. De missie van de JWST zou minstens 5,5 jaar moeten duren maar is gebouwd om zeker 10 jaar mee te kunnen. Dit wilt dus zeggen dat wanneer de JWST uit dienst genomen zal worden, de Hubble misschien nog steeds bezig is. De deorbit van Hubble is pas gepland tussen 2030 en 2040.

Nog een lange weg te gaan

De JWST heeft al een lange weg afgelegd sinds de eerste ideeën ondertussen al 32 jaar geleden. Met de lancering in zicht lijkt het dus misschien dat de telescoop eindelijk helemaal klaar is. Het antwoord hierop is zowel ja als nee. Ja, de telescoop is inderdaad eindelijk klaar en de werken hier op aarde zijn het overgrote deel van het werk maar deze satelliet is zo groot dat we hem niet gewoon kunnen lanceren en direct gebruiken.

Om de satelliet te lanceren wordt hij opgevouwen om in de Europese Arianne 5 raket te kunnen passen, zoals NASA het noemt: “like giant high-tech origami” (zoals gigantische hoog technologische origami). Om dit te doen werden er 107 mechanismen ingebouwd die de satelliet na de lancering terug kan ontvouwen naar zijn originele vorm. Dit is een zeer delicaat proces, elke stap in de ontplooiing is cruciaal. Als er één van deze 107 mechanismes niet helemaal perfect werkt, kan de telescoop niet gebruikt worden. Hieronder zie je een filmpje over hoe de telescoop zal uitklappen tot zijn originele vorm.

Een van deze opgevouwen componenten is een groot zonnescherm. Dit scherm is zo groot als een tennisveld en bestaat uit 5 lagen kapton. Kapton is een soort plastiek dat gecoat werd met een metaal, deze membranen zijn zo dun als een menselijk haar maar elk membraan zorgt ervoor dat het temperatuurverschil tussen de zonkant en de niet-zonkant kan verschillen tot 310 graden celcius. Aan de niet-zonkant kan het zelfs tot -235 graden celcius worden. Deze temperaturen zijn zeker en vast nodig omdat de instrumenten sterk gekoeld moeten worden tot tegen het absolute nulpunt (-273,15 graden celcius) aan. Om dit makkelijker te maken, zorgt dit scherm ervoor dat de temperatuur veel lager is aan de achterkant. Als het een factor had zoals bij zonnecrème, was het een factor 1 miljoen!

Hopelijk zien we na een maand tijd de eerste beelden binnenstromen van deze allernieuwste telescoop. Vergeet zeker niet te kijken op 24 december!

[1]: https://www.planetary.org/articles/cost-of-the-jwst
[2]: https://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/needToKnow.html
[3]: https://www.space.fm/astronomy/starsgalaxies/dopplerredshift.html
[4]: https://svs.gsfc.nasa.gov/Gallery/JWST.html