Astronomia

Kosmiczny teleskop

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba od dawna zapowiadał się na bardzo udany. Kiedy wystartuje pod koniec tego roku, będzie największym i najbardziej złożonym teleskopem, jaki kiedykolwiek został wysłany na orbitę. Naukowcy opracowywali i przerabiali swoje marzenia i plany dotyczące tego wyjątkowego narzędzia od 1989 roku.

Początkowo misja miała wystartować między 2007 a 2011 rokiem, ale szereg problemów budżetowych i technicznych sprawił, że data startu przesunęła się o ponad dekadę. Co ciekawe, zasadniczy projekt teleskopu nie uległ większym zmianom. Zmieniła się natomiast nauka, do której może się on dostać. Przez lata oczekiwania na Webba pojawiły się ważne pytania naukowe. Kiedy Webb był wczesnym błyskiem w oczach astronomów, rewolucje kosmologiczne, takie jak odkrycie ciemnej energii i planet krążących wokół gwiazd poza naszym Układem Słonecznym, nie miały jeszcze miejsca.

„Minęło ponad 25 lat” – mówi kosmolog Wendy Freedman z Uniwersytetu w Chicago. „Ale myślę, że naprawdę warto było czekać”.

Zuchwały plan

Webb ma charakterystyczną konstrukcję. Większość teleskopów kosmicznych umieszcza pojedynczą soczewkę lub lustro w tubie, która blokuje światło słoneczne, aby nie raziło w kosmosie. Jednak masywne lustro Webba o szerokości 6,5 metra oraz jego instrumenty naukowe są wystawione na działanie próżni kosmicznej. Wielowarstwowa osłona wielkości kortu tenisowego będzie blokować światło ze Słońca, Ziemi i Księżyca.

Aby nieporęczny kształt zmieścił się na rakiecie, Webb wystartuje złożony, a następnie rozwinie się w przestrzeni kosmicznej (patrz niżej, Co może pójść nie tak?).

„Nazywają to satelitą origami” – mówi astronom Scott Friedman ze Space Telescope Science Institute, czyli STScI, w Baltimore. Friedman jest odpowiedzialny za choreografię Webba po starcie. „Webb jest inny niż jakikolwiek inny teleskop, który poleciał”.

Jego podstawowy projekt nie zmienił się od ponad 25 lat. Teleskop został po raz pierwszy zaproponowany we wrześniu 1989 roku na warsztatach zorganizowanych w STScI, który prowadzi również Kosmiczny Teleskop Hubble’a.

W tym czasie Hubble’owi brakowało mniej niż roku do wystrzelenia, a oczekiwano, że będzie funkcjonował tylko przez 15 lat. Trzydzieści jeden lat po uruchomieniu, teleskop wciąż działa prężnie, pomimo serii komputerowych usterek i awarii żyroskopów (SN Online: 10/10/18).

Ówczesny dyrektor instytutu, Riccardo Giacconi, obawiał się, że kolejna duża misja będzie trwała dłużej niż 15 lat. Więc on i inni zaproponowali, aby NASA zbadała możliwego następcę Hubble’a: teleskop kosmiczny z głównym lustrem o szerokości 10 metrów, który był czuły na światło w długości fal podczerwonych, aby uzupełnić zakres Hubble’a w ultrafiolecie, widzialnym i bliskiej podczerwieni.

Światło podczerwone ma większą długość fali niż światło widzialne dla ludzkich oczu. Jest jednak idealne dla teleskopu, aby spojrzeć w przeszłość. Ponieważ światło podróżuje ze stałą prędkością, patrzenie na odległe obiekty we wszechświecie oznacza oglądanie ich tak, jak wyglądały w przeszłości. Wszechświat się rozszerza, więc światło jest rozciągane, zanim dotrze do naszych teleskopów. W przypadku najbardziej odległych obiektów we wszechświecie – pierwszych galaktyk, które się połączyły, lub pierwszych gwiazd, które spłonęły w tych galaktykach – światło, które pierwotnie było emitowane na krótszych falach, jest rozciągnięte aż do podczerwieni.

Giacconi i jego współpracownicy marzyli o teleskopie, który wykrywałby to rozciągnięte światło z najwcześniejszych galaktyk. Gdy Hubble zaczął udostępniać swoje widoki wczesnego Wszechświata, marzenie to przekształciło się w plan naukowy. Galaktyki widziane przez Hubble’a w dużych odległościach „wyglądały inaczej niż ludzie się spodziewali” – mówi astronom Massimo Stiavelli, lider projektu James Webb Space Telescope, który pracuje w STScI od 1995 roku. „Ludzie zaczęli myśleć, że jest tu ciekawa nauka”.

W 1995 roku STScI i NASA zleciły przygotowanie raportu, który miał zaprojektować następcę Hubble’a. Raport, prowadzony przez astronoma Alana Dresslera z Carnegie Observatories w Pasadenie, Kalifornia, sugerował kosmiczne obserwatorium podczerwieni z lustrem o szerokości 4 metrów.

Im większe lustro teleskopu, tym więcej światła może on zebrać i tym dalej może widzieć. Cztery metry to niewiele więcej niż 2,4-metrowe lustro Hubble’a, ale cokolwiek większego byłoby trudne do uruchomienia.

Dressler poinformował ówczesnego administratora NASA Dana Goldina pod koniec 1995 roku. W styczniu 1996 roku, na dorocznym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego, Goldin wyzwał naukowców do większych ambicji. Zwrócił się do Dresslera po imieniu, mówiąc: „Dlaczego prosisz o tak skromną rzecz? Dlaczego nie pójdziesz po sześć lub siedem metrów?” (Nadal nigdzie w pobliżu pie-in-the-sky 10-metrowego życzenia Giacconiego.) Przemówienie otrzymało owację na stojąco.

Sześć metrów to większe lustro niż kiedykolwiek latało w kosmosie i większe niż zmieściłoby się w dostępnych pojazdach nośnych. Naukowcy musieliby zaprojektować lustro teleskopu, które mogłoby się złożyć, a następnie rozłożyć po dotarciu w kosmos.