Útjára indult a James Webb űrteleszkóp

Útjára indították a régóta várt James Webb űrteleszkópot, mely a valaha épített legnagyobb űrtávcső. A 6,5 méter tükörátmérőjű távcső a csillagászat és kozmológia egyik legizgalmasabb kérdéskörét fogja majd vizsgálni: hogyan születtek az első csillagok és galaxisok a kozmosz nagyon korai időszakában, ezelőtt 13,5 milliárd évvel. Ezen kívül exobolygók légkörét fogja még kutatni, a Földön kívüli élet esetleges jeleire koncentrálva.

Puskás Dávid


Illusztráció a James Webb űrtávcsőről (Forrás: NASA/Northrop Grumman).


Útjára indították a régóta várt James Webb űrteleszkópot (James Webb Space Telescope – JWST), mely a valaha épített legnagyobb űrtávcső. A 6,5 méter tükörátmérőjű távcső a csillagászat és kozmológia egyik legizgalmasabb kérdéskörét fogja majd vizsgálni: hogyan születtek az első csillagok és galaxisok a kozmosz nagyon korai időszakában, ezelőtt 13,5 milliárd évvel. Ezen kívül exobolygók légkörét fogja még kutatni, a Földön kívüli élet esetleges jeleire koncentrálva.


A több mint 10 milliárd dolláros projekt a NASA, az Európai Űrügynökség (ESA) és a Kanadai Űrügynökség (CSA) együttműködéséből született. Harminc éven át tartó hosszas tervezés, építés, tesztelés, valamint számos halasztás után december 25-én sikerült elindítani az űrtávcsövet az ESA Francia Guyana-i űrközpontjából. Igazi karácsonyi ajándék ez a csillagászok, valamint az egész emberiség számára is, mely válaszokat keres az egyik legmélyebb kérdésünkre: hol a helyünk az Univerzumban?


A James Webb, mint a Hubble utódja


A James Webb űrtávcső jelentőségének megértéséhez először vissza kell tekintenünk elődjére, a Hubble űrteleszkópra. Az 1990-ben fellőtt Hubble mondhatni egy paradigmaváltáshoz vezetett a csillagászaton és kozmológián belül. A mai napig működő, vizuális optikai tartományra érzékeny, 2,4 méteres tükörátmérőjű műszer, eddig a legnagyobb távcső volt mely a Föld légkörén kívül működött. A zavaró légköri hatások és fényszennyezés nélkül tökéletes feltételek közt tudta a Világegyetemet vizsgálni. Ezen kívül még szervizelni is lehetett a NASA régi Space Shuttle programjának köszönhetően.


Hagyatékához tartozik az Univerzum korának pontosabb meghatározása, mely körülbelül 13,8 milliárd éves. Segített a Világegyetem tágulását leíró Hubble-állandót is pontosítani. A gyorsuló tágulást okozó sötét energia felfedezéséhez is a Hubble mérései vezettek, mely teljesen megváltoztatta az Univerzumról alkotott képünket. Ezen kívül számos galaxisról, csillagködről, vagy naprendszerbeli objektumról készített szenzációs képeket, melyek rengetek tudományos felfedezéshez vezettek.


A több mint 31 éve működő Hubble űrtávcső (Forrás: ESA).


A Hubble, tükörátmérőjének és az általa lefedett hullámhossztartománynak köszönhetően, csak egy bizonyos távolságig képes ellátni. Mivel a fény véges sebességgel terjed, ezért minél távolabb található egy objektum, annál régebbi képét láthatjuk. Így, a csillagászati megfigyelésekkel valójában visszatekintünk a múltba. A Hubble által felfedezett legtávolabbi (és legrégebbi) galaxis a GN-z11 nevet viseli. Távolsága 13,4 milliárd fényév, ami azt jelenti, hogy a galaxis által kibocsátott fény 13,4 milliárd évet utazott ahhoz, hogy elérjen minket. Tehát a galaxis nagyon korai, „mindössze” az Ősrobbanás utáni 400 millió évvel ezelőtti állapotára tekinthetünk vissza. A Hubble technológiai határai miatt ez a galaxis csak egy halvány pacaként látszik, ahogy az alábbi kép is mutatja.


A Hubble készítette a legmélyebb felvételeket az égről, amelyek alapján kiderült, hogy körülbelül 2 billió (10^12) galaxis létezik az Univerzumban. Fúrási mintához hasonlóan, a Hubble is az égbolt egy-egy nagyon kis, nagyon sötét részét figyelte meg több napon keresztül. Az alábbi kép is egy hasonló „mély” felvétel, melyen több ezer galaxis található. Az előtérben található, részletgazdagabb (például spirális szerkezetű) galaxisok közelebbiek, míg a halvány apró objektumok távolabbiak. Így egyetlen kép több kozmológiai korszakot is megörökít.


A GN-z11 jelzésű, 13,4 milliárd fényév távolságú galaxis, amely az eddig felfedezett legtávolabbi galaxis. A többi fénypont mind egy-egy galaxis, összesen több ezer, különböző kozmológiai korszakokból (Forrás: NASA).


A James Webb űrtávcső pedig még távolabbra (időben még korábbra) lesz képes visszatekinteni, arra a korszakra, amikor az Univerzum csupán 250 millió éves volt. Nagy valószínűséggel ekkor születtek az első galaxisok, tehát ezeknek a keletkezését leszünk képesek megfigyelni. Ehhez egy sokkal nagyobb átmérőjű főtükörre lesz szüksége, egy 6,5 méteresre, valamint az infravörös megfigyelési tartományra. Azért van szükség egy nagyobb távcsőre, mert a tükör felülete arányos a fénygyűjtő képességével, nagyon távoli és halvány objektumokhoz pedig minél nagyobb fénygyűjtőképesség és felbontás szükséges. Az alábbi illusztráción látható a Hubble és a James Webb tükrének az összehasonlítása.


A Hubble és a James Webb űrtávcsövek főtükrének összehasonlítása (Forrás: ESA/Hubble).


Tudomány a James Webb űrtávcsővel


A James Webb űrteleszkóp, mint a NASA Nagy Obszervatóriumainak egyike, a csillagászat és kozmológia legkiemelkedőbb és legnagyobb kérdéseire próbál válaszokat keresni. Ezek négy nagy kutatási területbe sorolhatók.


Reionizáció és az első fény. Ahogy a fentiekben már leírtuk, a JWST az Univerzum 13,5 milliárd évvel ezelőtti állapotát, az úgynevezett Reionizáció korszakát fogja vizsgálni, melyben az első csillagok és galaxisok születtek. Az Ősrobbanás során kialakult hidrogén sűrűsödéseiből jöttek létre ezek az első fényforrások, de pontosan nem tudni hogyan. Rengeteg megválaszolatlan kérdés övezi ezt a korai korszakot, melyet a James Webb előtt nem voltunk képesek megfigyelni.


Galaxisok formálódása. Az első galaxisok és a jelen kor galaxisainak összehasonlításából pontosabban meg lehetne határozni a galaxisfejlődés mozzanatait és azt, hogy jelenleg miért létezik ennyi és ilyen sokféle galaxis.


Csillagok születése és protoplanetáris rendszerek. Az infravörös tartománybeli érzékenységének köszönhetően a James Webb képes lesz átlátni a születő csillagokat körülvevő gázburkokon, hogy a kialakulás folyamatát direkt módon megfigyelje. Más születő csillagok és bolygórendszerek által a saját Naprendszerünk történetét is sokkal jobban megérthetjük.


Exobolygók és az élet eredete. A James Webb a Naprendszeren kívüli bolygók, úgynevezett exobolygók légkörét lesz képes sokkal pontosabban vizsgálni. Különböző molekulákat kimutatva, akár a földönkívüli élet első építőelemeire bukkanhat.


Míg a Hubble az ultraibolya, a látható fény és a közeli infravörös tartományokban volt érzékeny, a James Webb a vöröstől a közép infravörösig lesz képes látni. A fent említett jelenségek legjelentősebb részei mind az infravörös tartományban játszódnak le, így a JWST lesz a legalkalmasabb a megfigyelésükre.


Összehasonlító ábra a Hubble, a James Webb és a Spitzer űrtávcsövek érzékenységi tartományaival (Forrás: NASA, STScI).


A fenti képen a Teremtés oszlopai nevezetű gázból és porból álló köd látható, melyben jelenleg csillagok születnek. A bal oldali kép a látható optikai tartományban készült a Hubble távcsővel, míg a jobb oldali az infravörös tartományban, ahogy majd a James Webb is érzékelni fogja (Forrás: NASA, ESA/Hubble).


Egy mérnöki mestermű


Az ekkora szabású űrprogramokat már az előző, hasonló jellegű misszió indítása után nem sokkal elkezdik megtervezni. A Hubble 1990-es indítása után nem olyan sokkal, 1996-ban már megszületett a James Webb űrtávcső ötlete. Nevét a NASA második igazgatójáról, James Edwin Webb-ről kapta, aki 1961-68 között vezette az űrügynökséget, az Apollo programok idején. Számos újratervezés után, eredetileg 2011-ben tervezték elindítani. Ez később 2016-ra, 2018-ra, majd végül idénre tolódott. Összesen közel 11 milliárd dollárba került a projekt és több mint ezren dolgoztak rajta.


A hatalmas, 6,5 méter átmérőjű főtükröt túl nehéz lenne egy darabból elkészíteni, valamint az űrbe juttatni. Így, egy mozaikszerű, 18 szegmensből álló tükröt kellett létrehozni, amelyet az űrbejuttatáshoz össze is lehet hajtani, akárcsak egy origamit. A 18 hatszögű szegmens egyenként 1,32 méter átmérőjű és berilliumól készült. Felületét aranybevonat borítja, mely kiváló fényvisszaverő képességet biztosít egy széles hullámhossztartományban. A tükrök rendkívül precízen ki vannak csiszolva, de ez mit sem ér, ha a rakétával való fellövéskor a szegmensek egymáshoz képest elmozdulnak. Emiatt, majd a célbaéréskor a tükröt nagyon pontosan kalibrálni kell mozgatómotorok segítségével.


A James Webb űrtávcső főtükre a NASA Goddard Űrközpontjában. A 6,5 méter átmérőjű főtükröt 18 arannyal bevont hatszögű szegmens alkotja (Forrás: NASA).


Magát a rendszer típusát nézve, a James Webb egy háromtükrű anasztigmát távcső. A főtükör konkáv, a másodlagos tükör konvex és az optikai főtengelytől kissé ferdén veri vissza a fényt, a harmadlagos tükör pedig megszünteti a keletkezett asztigmatizmust és kiegyenesíti a fókuszsíkot. A fény útját az alábbi videó szemlélteti:



A tükör mögött négy nagyon fontos tudományos műszer kapott helyet. Ezek főként infravörös tartományban működő kamerák és spektrográfok, melyek nagyon alacsony hőmérsékleten működnek megfelelően. A műszerek az USA, Európa és Kanada által lettek kifejlesztve.


A Hubble egy hagyományosabb, tubus alakú kialakítással rendelkezik, mely meggátolja a zavaró fények tükörbe való jutását. A Webb esetén, mely nyitott szerkezetű, ezt másképp kellett kivitelezni. Egy teniszpálya méretű védőpajzs gátolja meg, hogy a Nap fénye a távcsőbe jusson. A pajzs egy ötrétegű hőálló fóliából áll, melynek a napoldali része elérheti a 110 Celsius fokot, míg a hideg oldala akár a -273 fokot. Mivel a hőpajzs mérete túl nagy, ezért ezt összehajtogatva csomagolják be a rakétába, mellyel az űreszközt feljuttatják.


A JWST összehajtott főtükörrel és az ötrétegű hőpajzzsal (Forrás: NASA/Chris Gunn).


Az izgalmas indítás


A sokszori halasztás után végül 2021. december 25-én sikerült felküldeni a James Webb teleszkópot az űrbe. Ez az Európai Űrügynökség Ariane 5 rakétájával valósult meg és a Francia Guyana-i Kourou melletti űrközpontból történt. A hatalmas távcsövet origami-szerűen össze kellett hajtogatni és becsomagolni a szűkebb rakétába.


Művészi ábrázolás az ESA Ariane 5 rakétájáról és a benne található összecsomagolt James Webb űrtávcsőről, amint az elhagyja a Föld légkörét (Forrás: ESA).


A Hubble-lel ellentétben a JWST nem a Föld körül fog keringeni hanem a Föld egyik úgynevezett Lagrange pontja, méghozzá a 2-es számú körül. A Lagrange pontok két nagyobb tömegű test gravitációs terének azon pontjai, amelyek közelében egy hozzájuk képest kisebb tömegű test megközelítőleg nyugalomban maradhat. Az alábbi ábra szemlélteti a Nap-Föld gravitációs rendszer 5 Lagrange pontját. Az L2 pont a Napot és Földet összekötő egyenesen helyezkedik el, a Földtől 1,5 millió kilométerre, a Hold pályáján túl. Az alábbi rövid videó szemlélteti a távcső keringését.


A Nap-Föld gravitációs rendszer Lagrange pontjai. Az L2 pont a Földtől 1,5 millió kilométerre található, e körül fog keringeni a James Webb űrtávcső, a Föld keringési síkjára merőlegesen (Forrás: NASA).



Az L2 ponthoz a JWST az indítás után körülbelül 30 nap alatt fog megérkezni. Ezalatt, különböző napokon különböző lépéseket fog végrehajtani az űreszköz. Ilyen például a főtükör szétnyitása vagy a hőpajzs kieresztése, és különböző pályamanőverek. Miután eljutott a Földtől 1,5 millió kilométerre, megkezdődhet a tükrök és egyéb rendszerek körülbelül 6 hónapos kalibrációja. Csak ezt követően készülhetnek el az első csillagászatra alkalmas felvételek. Az alábbi rövid videó bemutatja az indítást követő 30 napban történő eseményeket:



Végül pedig örömmel közöljük, hogy a december 25-i indítás sikeres volt és a James Webb űrtávcső elhagyta a Földet. Jelenleg úton van a 2-es Lagrange pont felé, melyet január vége fele ér majd el. A valaha épült legnagyobb űrtávcső az ember és a kozmosz kapcsolatának történetében egy új mérföldkövet jelent majd. Később beszélhetünk a James Webb előtti és az azt követő tudományos időszakról. Eközben pedig várjuk a távcsőtől a legizgalmasabb csillagászati kérdésekre adott válaszokat: hogyan alakult ki a Világegyetem és létezik-e Földön kívüli élet?


Az összecsomagolt James Webb űrtávcső éppen lecsatlakozott az Ariane 5 hordozórakétáról, háttérben a Földdel (Forrás: NASA/APOD).


Bibliográfia

https://www.jwst.nasa.gov/index.html

https://www.nasa.gov/mission_pages/webb/science/index.html

https://www.space.com/21925-james-webb-space-telescope-jwst.html

https://www.space.com/nasa-james-webb-space-telescope-mirror-explained

https://telex.hu/komplex/2021/12/22/james-webb-space-telescope-urteleszkop-vilagegyetem-galaxisok-csillagaszat-urkutatas-nasa