Vesolje je polno čudes, na kar nas znanstveniki opominjajo vsak dan z vedno novimi odkritji. A za vsakim odkritjem stoji vrhunski teleskop, opremljen z najnovejšimi instrumenti. Naše znanje o Vesolju je torej povezano z razvojem tehnike. Leta 2018 si lahko obetamo izstrelitev dolgo pričakovanega Vesoljskega teleskopa James Webb. Poglejmo si, kaj lahko pričakujemo od naslednika slavnega Hubbla.
Minilo je že več kot 26 let odkar je bil v vesolje izstreljen Vesoljski teleskop Hubble (v nadaljevanju Hubble), ki danes spada med najslavnejše znanstvene instrumente. Teleskop je poskrbel za številna znanstvena odkritja, ki so naše poznavanje Vesolja dodobra pretresli. Kdo ne pozna slavnih Stebrov stvarjenja, pogleda v mlado Vesolje (Hubblovo Globoko polje in njegovi nasledniki), in pretresljivih posnetkov zvezd v različnih stopnjah razvoja? Poleg znanstvenih odkritij je teleskop s svojimi "umetninami" poskrbel tudi za zmanjšanje prepada med znanostjo in laično javnostjo, katere zanimanje za astronomijo se je prav zaradi Teleskopa Hubble izjemno povečalo.
Vesoljski teleskop James Webb
Čeprav Hubble še vedno deluje izvrstno in je v sodobni astrofiziki nepogrešljiv, pa ima vendar določene omejitve, zaradi katerih so se znanstveniki že leta 1996 odločili, da potrebujejo Hubblu komplementaren znanstveni observatorij. Leta 2002 je observatorij, katerega izgradnja poteka v sodelovanju med Naso, Eso in Kanadsko vesoljsko agencijo, dobil ime: Vesoljski teleskop James Webb (JWST, v nadaljevanju tudi Webb).
Kdo je pravzaprav James Webb? Poimenovanje teleskopov, tako vesoljskih kot tistih na Zemlji, ni podvrženo vnaprej napisanim pravilom. Verjetno si najlažje zapomnimo tiste teleskope, ki nosijo imena slavnih znanstvenikov, kot so XMM-Newton ali Planck. Imena drugih teleskopov izražajo njihove značilnosti (Swift) ali pa so akronimi (INTEGRAL). James Webb ni bil slaven znanstvenik temveč drugi direktor agencije Nasa med letoma 1961-1968. Bil je med najbolj zaslužnimi za stabilno delovanje agencije in uspehe programa Apollo. Njegovo prepričanje, da je vesoljski program več kot zgolj politična tekma s Sovjetsko zvezo, je bilo zelo pomembno za izvajanje programov z astrofizikalno vsebino. Zaslužen je bil tudi za vzpostavitev tesnejšega sodelovanja med Naso in univerzami v ZDA.
Navdušujoča osebna izkaznica
Opazovanja z Webbom bodo potekala v optični in infrardeči (IR) svetlobi (0.6 - 28.5 mikrometrov), kar prinese nekatere omejitve pri načrtovanju observatorija. Optična zasnova teleskopa sledi osnovni ideji modernih teleskopov. Svetloba opazovanih objektov se bo odbila od velikega primarnega zrcala do manjšega sekundarnega zrcala. Od slednjega pa se bo zopet odbila nazaj, kjer bo potovala skozi odprtino v središču primarnega zrcala, kjer se nahajajo instrumenti.
Skupni premer primarnega zrcala je enak 6.5 m. To pomeni, da bo Webb največji teleskop, kar smo jih do sedaj poslali v Vesolje. Tako veliko zrcalo predstavlja kar nekaj težav, povezanih tako z izgradnjo kot z izstrelitvijo. Predvsem pri slednjem se zatakne, saj današnje rakete enostavno niso dovolj velike, da bi v njih lahko pospravili tako velik teleskop. Zato so znanstveniki iznašli zanimivo rešitev. Zrcalo je sestavljeno iz osemnajstih delov, ki bodo ob izstrelitvi zloženi v ozko strukturo. Šele ko bo teleskop varno v Vesolju, se bodo posamezna zrcala kot roža razprli v končno zrcalo. Preko površine zrcal je nanešena tanka plast zlata, ki v nasprotju z običajnimi snovmi dobro odbija IR svetlobo.
Slika sestavljenega Webbovega primarnega zrcala. Vir: NASA
Pri opazovanju v infrardečem območju naletimo na dodatno težavo: predmeti v temperaturnem območju od -100 do nekaj 1000 stopinj Celzija izsevajo največ svetlobe pri valovnih dolžinah, v katerih bo opazoval JWST [1]. Predvsem pri opazovanju temnih objektov v infrardečem delu spektra bi tak šum teleskopa povzročal nepremostljive ovire, zato bo teleskop hlajen na vsaj -230 stopinj Celzija. Da svetloba s Sonca ne bi preveč segrela bistvenih elementov teleskopa, bo imel observatorij toplotni ščit. Tudi ščit bo med izstrelitvijo zložen, v vesolju pa se bo razprostrl v velikost teniškega igrišča.
Izstrelitev Webba v vesolje naj bi se zgodila v oktobru leta 2018. Hubble se nahaja v orbiti okoli Zemlje na višini 570 km. Nasprotno pa se bo JWST nahajal v drugi Lagrangejevi točki (L2), 1.5 milijonov kilometrov stran od Zemlje [2]. Lagrangejeve točke predstavljajo rešitev problema medsebojnega gibanja treh teles, pri čemer ima eno telo veliko manjšo maso od drugih dveh. Ali obstaja taka razporeditev treh teles, da bi bila njihova medsebojna lega ves čas enaka? Lagrange je našel pet takšnih točk. Točki L4 in L5 sta stabilni - telo, ki se nahaja v okolici teh dveh točk, bo tam ostalo ves čas. Preostale tri točke pa niso stabilne, zato telesa okoli takšnih točk počasi odnese stran. A vseeno je položaj satelita okoli L2 enostavno obdržati z občasnimi manjšimi potiski raket. Prednost lege v L2 je v tem, da bo observatorij vedno v istem položaju glede na Zemljo in na Sonce. Ves čas bo tako lahko obrnjen s toplotnim ščitom proti Soncu, po drugi strani pa bomo lahko z Zemlje tudi ves čas prejemali podatke z observatorija.
Observatorij bo vseboval štiri različne znanstvene instrumente. Poleg običajnega slikanja v različnih filterih bo mogoča tudi spektroskopija v bližnjem IR spektralnem območju.
Kaj pa znanost?
Hubble je v osnovi namenjen opazovanju v ultravijolični in optični svetlobi. Kakšno prednost ima opazovanje v infrardečem? [3]
Hitrost svetlobe je končna. Oddaljene galaksije tako vidimo takšne, kakršne so bile pred milijardami let, s tem pa dobimo vpogled v čas, ko je bilo Vesolje še zelo mlado. Zanimivo bi bilo torej opazovati prve galaksije, ki so nastale v Vesolju. Ne samo, da bi to pomagalo pri razumevanju nastanka galaksij. Prve galaksije so s svojim sevanjem tudi bistveno prispevale pri t.i. reionizaciji Vesolja [4]. Pri opazovanju oddaljenih objektov v Vesolju pa ne moremo obiti zanimivega pojava. Vesolje se širi, posledično pa se fotoni, ki potujejo skozi širajoč se prostor, "raztegnejo". Njihova valovna dolžina se podaljša. Še več, bolj ko je sevalec oddaljen od nas, bolj se valovna dolžina izsevane svetlobe poveča. Pravimo, da je takšen sevalec bolj rdeč. Posledično oddaljene galaksije vidimo predvsem v infrardečih valovnih dolžinah, zato je JWST za takšna opazovanja zelo pomemben - seveda pa pri opazovanju izredno temnih galaksij pomaga tudi zrcalo z veliko zbiralno površino.
Velikost in oblika galaksij se s časom spreminjata. Oblaki plina se sesedejo pod vplivom lastne gravitacije, pri čemer nastanejo nove zvezde. Eksplozije supernov medzvezdni plin bogatijo s težkimi kemičnimi elementi, ki nadalje vplivajo na nastanek in razvoj novih zvezd. Med manjšimi galaksijami prihaja do trkov in zlitja, pri čemer galaksije postanejo masivnejše. Ni potrebno posebej poudariti, da je razvoj galaksij zapleten proces, ki ga še ne razumemo povsem. Kako so nastale prve galaksije in kako se razlikujejo od mlajših galaksij? Zakaj danes vidimo tako pester nabor galaksij najrazličnejših oblik? Kakšna je vloga centralnih supermasivnih črnih lukenj v centru galaksij pri galaktičnem razvoju? Kakšno vlogo ima pri vsem tem temna snov? To je le nekaj vprašanj, na katera bomo poskušali odgovoriti s pomočjo opazovanj z Webbom.
Primerjava meglice Carina v vidni (levo) in infrardeči (desno) svetlobi. Vir: NASA
Spektakularne slike meglic v naši galaksiji pokažejo pestre strukture plina in prahu. Predvsem v območjih, najbolj bogatih s prahom, se rojevajo nove zvezde. Opazovanje teh področij z optičnimi teleskopi je onemogočeno, saj se svetloba siplje na prašnih delcih in ne pride do nas (zato ta področja na slikah vidimo temna). Po drugi strani pa infrardeča svetloba lahko pobegne izven prašnih območij. Z infrardečimi teleskopi kar naenkrat lahko pogledamo v središča zvezdnih porodnišnic. Opazovanja z Webbom bodo pomagala pri razumevanju nastanka zvezd. Kako se oblaki plina in prahu sesedejo? Zakaj večinoma zvezde nastanejo v skupinah? Kako nastanejo planetarni sistemi?
Opazovanje atmosfere eksoplaneta. Ko planet pride med svojo zvezdo in opazovalca (JWST), del svetlobe z zvezde potuje skozi atmosfero planeta. V svetlobo se takrat vtisnejo lastnosti atmosfere - različne molekule absorbirajo svetlobo v različnih valovnih dolžinah. Če v tem trenutku opazujemo spekter svetlobe z zvezde, se bomo torej naučili tudi nekaj o atmosferi planeta. Vir: STScl
Zadnje veliko poglavje predstavljajo eksoplaneti. Eden izmed glavnih ciljev, povezanih z eksoplaneti, je opazovanje njihove atmosfere (glej zgornjo sliko). Ker molekule svoj spektralni odtis pustijo predvsem v infrardečem delu spektra, bo JWST nepogrešljiv za takšne raziskave. Skupaj z direktnim opazovanjem teh eksoplanetov bomo lahko dobili informacije o letnih časih, vremenu, ter celo o rastlinju (če le to obstaja). Med drugim bo JWST opazoval tudi naše lastno Osončje.
Leto 2018 vse bližje
Kot vsak večji projekt se je tudi JWST v dvajsetih letih od njegove zasnove soočal s številnimi težavami. Tehnološke ovire so bile uspešno odpravljene z inovativnimi rešitvami, pri tem pa je, tudi zaradi slabega načrtovanja, prišlo do ogromne prekoračitve stroškov. Tako bo projekt po trenutnih ocenah stal slabih devet milijard dolarjev, kar je štirikrat več od začetnih napovedi. Ceno so plačali manjši Nasini projekti, ki so bili v preteklih letih enostavno ustavljeni. Zato so pričakovanja upravičeno visoka: z observatorijem enostavno ne sme iti ničesar narobe.
Vesoljski teleskop James Webb bo komplementaren trenutno še delujočemu Hubblu. Z večjim primarnim zrcalom in drugačnim valovnim območjem bo pomembno prispeval k razumevanju raznolikih tem sodobne astrofizike. Znanstveniki tako že nestrpno čakajo na pričetek njegovega delovanja.
Več podrobnosti o projektu najdete na uradni spletni strani, od koder prihaja tudi večina tehničnih podatkov v prispevku.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
[1] Se še spomnite Stefan-Boltzmanovega in Wienovega zakona?
[2] Kar pomeni, da v nasprotju s Hubblovim teleskopom JSWT ne sme imeti nobene napake, saj po izstrelitvi dostop do teleskopa ne bo več mogoč.
[3] Bolj podrobno si lahko razlike med teleskopma Hubble in Webb ogledate v interaktivni animaciji.
[4] Atomi medgalaktičnih oblakov plina so skoraj popolnoma ionizirani. Opazovanja pokažejo, da je do procesa ionizacije prišlo po nastanku prvih galaksij, zato so slednje najverjetnejši kandidati vira ionizacije.
Jure Japelj