JWST – De James Webb-ruimtetelescoop

Dieper in het universum kijken

Sommige megaprojecten omvatten gigantische infrastructuren, zoals bijvoorbeeld: de 27 kilometer grote cirkel van de CERN-deeltjesversneller of de 800 mijl lang neutrino-experiment van DUNE.

Andere projecten kunnen worden gekwalificeerd als megaprojecten, niet vanwege hun omvang, maar vanwege hun complexiteit, de kosten en de mate waarin ze ons begrip van het heelal veranderen.

Een goed voorbeeld hiervan is de James Webb Space Telescope (JWST). Deze infraroodlicht-ruimtetelescoop is de krachtigste en grootste die ooit is gemaakt. De telescoop ontleent zijn naam aan James E. Webb, de legendarische beheerder van NASA van 1961 tot 1968 tijdens de Mercury-, Gemini- en Apollo-programma's.

Bron: NASA

JWST is zo krachtig dat het ons ook zou kunnen helpen de allereerste sterren in het heelal te observeren en potentieel bewoonbare exoplaneten te vinden. En om deze resultaten te verkrijgen, hebben wetenschappers en ingenieurs wonderen verricht om de grenzen van wat telescopen konden bereiken te verleggen.

Waarom een ​​telescoop in de ruimte plaatsen?

Het eerste wat je moet begrijpen over de James Webb Space Telescope is waarom deze überhaupt in de ruimte moet zijn. Het is tenslotte veel moeilijker om complexe machines de ruimte in te tillen dan hetzelfde ding op aarde te bouwen.

Door buiten de atmosfeer te kijken, kunnen telescopen het heelal bekijken zonder dat er sprake is van lichtvervuiling, atmosferische turbulentie en natuurlijk ook van wolken en weerpatronen.

Dit is de reden waarom de relatief kleine Hubble-telescoop zo goed presteerde vergeleken met telescopen op de grond. Maar dit was extra belangrijk voor JWST, omdat deze telescoop geen zichtbaar licht meet, maar infrarood licht.

Waterdamp in de aardatmosfeer absorbeert infraroodstraling. Infraroodtelescopen op de grond worden vaak op hoge bergen en in zeer droge klimaten geplaatst om het zicht te verbeteren, maar dit is nog steeds niet ideaal en creëert een inherente beperking aan wat ze kunnen waarnemen.

JWST is de nieuwste en verreweg krachtigste in een reeks van in de ruimte gebaseerde infraroodtelescopen, na de Infrarood Astronomische Satelliet (IRAS), de Spitzer ruimtetelescoopen Breedveld-infraroodonderzoeksverkenner (VERSTANDIG).

JWST werd in 2021 gelanceerd op een Franse Ariane 5-raket, vanuit Frans-Guyana. Een maand later arriveerde het op zijn bestemming, het Sun-Earth L2 Lagrange-punt, ongeveer 1.5 miljoen kilometer (930,000 mijl) van de aarde.

Lagrangepunten zijn posities in de ruimte die constant blijven ten opzichte van de aarde, ondanks dat ze niet in een baan om de aarde zitten. Momenteel wordt een ander Lagrangepunt (L1) gebruikt door DSCOVR: Klimaatobservatorium in de diepe ruimte.

Bron: NOAA

Dankzij de positie van JWST kan het toestel het hele jaar door vrijwel elk punt aan de hemel observeren, zolang het maar niet in de richting van de aarde en de zon staat. Webb kan op elk moment 39% van de hemel zien.

Waarom infraroodobservatie gebruiken?

Verre objecten

Voor zeer verre objecten in het heelal treedt een fenomeen op dat "roodverschuiving" wordt genoemd, waardoor hun licht naar het infrarood beweegt. Dus elke observatie van het zeer diepe (en dus zeer oude) deel van het heelal moet meestal in het infrarooddeel van het lichtspectrum worden gedaan.

Bron: SciTech dagelijks

Door dit fenomeen kon Hubble slechts zo ver in de verte en terug in de tijd kijken toen de eerste sterrenstelsels ontstonden. Door in het infrarood te kijken, kan JWST net zo ver in de geschiedenis van het heelal kijken als de eerste sterren die zich vormden.

exoplaneten

Infraroodwaarnemingen hebben nog een voordeel, dit keer met betrekking tot de analyse van exoplaneten. JWST zal een systeem dragen dat een coronagraaf wordt genoemd: dit zal het licht van een ster blokkeren, waardoor we de minder heldere objecten die er omheen draaien, zoals kleine exoplaneten, beter kunnen zien.

Het beeld van een exoplaneet zou slechts een stip zijn, geen groots panorama.

Bron: NASA

Toch kan het licht van die plek worden geanalyseerd met een methode die spectroscopie heet, die ons de samenstelling van de atmosfeer van deze exoplaneten kan vertellen. Bij infrarode golflengten hebben de moleculen in de atmosfeer van exoplaneten het grootste aantal spectrale kenmerken, dus krijgen we veel meer informatie dan wanneer we zichtbaar licht gebruiken.

Bron: ESA

Met deze methode konden we niet alleen bepalen of planeten in andere zonnestelsels water en CO2 bevatten,₂ maar ook methaan, ammoniak of complexe moleculen die mogelijk duiden op buitenaards leven.

JWST vergeleken met Hubble

Wat het observatievermogen betreft, richt de JWST zich vooral op nabij-infrarood licht, maar kan ook oranje en rood zichtbaar licht en midden-infrarood licht waarnemen, afhankelijk van het gebruikte instrument.

Het kan objecten detecteren die 100x minder helder zijn dan Hubble. En in veel gevallen wordt het gebruikt om terug te kijken naar objecten die Hubble in de eerste plaats onthulde om er nieuwe inzichten over te krijgen.

De beeldscherpte zal echter vergelijkbaar zijn met die van Hubble, omdat infraroodbeelden van nature minder scherp zijn dan zichtbaar licht vanwege de langere golflengten.

Een ander verschil tussen de twee iconische telescopen is dat JWST door gaswolken heen kan kijken en zichtbaar licht blokkeert, maar geen infrarood. Zo onthult JWST's versie van de beroemde foto van de Zuilen der Schepping, in de Adelaarsnevel, vele sterren in en rond de zuilen.

Bron: Webb-telescoop

JWST-specificaties

De JWST is voorzien van een 6.5 meter (21 voet) lange primaire spiegel van goudgecoat beryllium, die bestaat uit 18 afzonderlijke zeshoekige spiegels. Dit geeft de JWST zijn iconische uiterlijk.

Elk van deze spiegels weegt 20 kg (44 pond). De 100-nanometer gouden coating zorgt voor infrarood lichtreflectie en is bedekt met glas om het bestand genoeg te maken. Dit geeft het een lichtopvangend oppervlak dat 6x groter is dan Hubble. In totaal werd er slechts 48.25 g goud (1.7 ounce) gebruikt.

Bron: NASA

Webb is, in tegenstelling tot Hubble, niet ontworpen om door astronauten te worden onderhouden, vanwege de grote afstand tot de aarde. Als gevolg hiervan zijn alle kritische subcomponenten dubbel, bijvoorbeeld twee Near Infrared Cameras, of zijn ontworpen om vele jaren mee te gaan, zoals de spiegels.

JWST zal naar verwachting minstens 5 jaar meegaan, met een doel van 10 jaar aan operaties. Het heeft echter genoeg stuwstof (om in het Lagrange-punt te blijven) voor in totaal 20 jaar, dus het zou langer mee kunnen gaan als er geen belangrijk onderdeel kapotgaat.

JWST-begroting

In totaal, de James Webb-ruimtetelescoop kostte uiteindelijk meer dan 11 miljard dollar, meer dan 10x de initiële schatting van NASA voor dit project. Deze prijskaartjesexplosie bedreigde de levensvatbaarheid van het project in de jaren 2010, omdat het (destijds) budget explodeerde tot “slechts” $6.5 miljard.

De lancering, die aanvankelijk gepland stond voor 2014 en uiteindelijk 7 jaar te laat kwam, zorgde voor nog meer kritiek.

"De fundamentele oorzaak van het probleem is dat ten tijde van (de formele goedkeuring van het programma), die teruggaat tot juli 2008, het budget dat NASA van het projectkantoor kreeg voorgelegd, fundamenteel gebrekkig was", vertelde hij verslaggevers tijdens een teleconferentie in de middag.

Het budget bevatte simpelweg niet de inhoud die het project op dat moment kende. En dus was het vanuit financieel oogpunt gewoon niet voldoende om het werk uit te voeren.”

John Casani, een veelgeprezen projectmanager bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA

Omdat het project bijna twintig jaar duurde om te ontwerpen en te bouwen, ging het echter nooit verder dan 2% van NASA's jaarlijkse budget. Het verbruikte echter wel een derde van het budget van NASA's Astrophysics Division tussen 3 en 1.

En nu JWST een van de meest indrukwekkende en succesvolle programma's in de astronomie is geworden, raken de meeste van deze debatten in de vergetelheid.

De verbazingwekkende techniek van JWST

Wat gewicht verliezen

Het eerste probleem dat de ontwerpers van JWST moesten oplossen, was dat zo'n grote spiegel te zwaar zou zijn. Als ze het ontwerp van Hubble hadden hergebruikt, zou hij te zwaar zijn geweest om de ruimte in te worden gelanceerd.

Daarom is er gekozen voor beryllium, dat zowel sterk als licht genoeg is. Een andere factor was de extreme temperatuur van de diepe ruimte, die de vereiste extreem precieze kromming van de spiegels uit vorm kon buigen.

Beryllium was hier ook een goede optie, omdat het stopt met vormverandering als het echt koud is. Dus de spiegels werden gemaakt met een "verkeerde" hoek, die precies zou buigen naar de beoogde uiteindelijke vorm wanneer blootgesteld aan de kou van de ruimte (-233°C/-388°F).

Bron: JWST

Uiteindelijk zou elke spiegel worden uitgelijnd met een precisie die gelijk is aan 1/10,000e van de dikte van een menselijke haar.

Ook voor de ruggengraat van de telescoop werd gekozen voor ultralichte materialen zoals composieten, waardoor er nog meer gewicht bespaard kon worden.

Bron: NASA

Opvouwen

Een ander groot probleem was dat de extreem grote telescoopspiegel die voor dit ontwerp nodig was, niet in een bestaande raket paste.

Al vroeg werd besloten om de structuur onderdeel voor onderdeel uit te vouwen, inclusief de zonnekap en de spiegels. Hoe het geheel efficiënt te vouwen en betrouwbaar te laten uitvouwen was nog een zorg.

Wetenschappers van NASA lieten zich inspireren door origami, de Japanse kunst van het vouwen van papier. Uiteindelijk viel de keuze op een zeshoekig origamipatroon.

Dit was een risicovolle beslissing voor het James Webb-ontwerpteam, aangezien een dergelijke complexe ontvouwing nog nooit eerder was gedaan. En elke mislukking zou het hele project tot mislukken gedoemd hebben.

In deze korte JWST-video kunt u stap voor stap zien hoe de ontvouwing verliep:

Zonnekap

Omdat de telescoop zijn doelen in het infrarood observeert, was het net zo belangrijk om hem te beschermen tegen de hitte van de zon als dat de spiegels voldoende licht moesten geven en goed moesten zijn uitgevouwen.

Dankzij een isolatielaag van 315 lagen houdt het zonnescherm van de JWST het verschil tussen de warme en koude kant van de telescoop op bijna 600°C/5°F.

De zonnekap is zo groot als een tennisbaan en bestaat uit lagen Kapton E (polyimidefolie) met aluminium en gedoteerde siliciumcoatings om de warmte van de zon terug de ruimte in te kaatsen.

Bron: NASA

telecommunicatie

De JWST zendt zijn gegevens terug en ontvangt instructies van de aarde via NASA's Deep Space Network. Dit netwerk loopt langs grondstations in Canberra, Madrid en Goldstone.

Webb kan elke dag minimaal 57.2 gigabyte aan geregistreerde wetenschappelijke gegevens downloaden, met een maximale gegevenssnelheid van 28 megabit per seconde.

Bron: Webb-telescoop

Andere componenten

De rest van de telescoop was niet minder hightech en high-performance. Eervolle vermeldingen kunnen worden gegeven aan een paar stukken apparatuur:

• Cryokoeler: JWST's mid-infrarood (MIRI) sensoren moeten werken bij -266.15°C/-447°F, kouder dan zelfs de diepten van de ruimte. Dus moest er een extra koelsysteem worden toegevoegd om het instrument te koelen.
• backplane: De ruggengraat van de telescoop weegt 2.4 ton (5,300 pond) en biedt de absoluut bewegingsloze positie die nodig is voor de telescoop om scherpe foto's te maken. Het is ontworpen om stabiel te zijn tot 32 nanometer, wat 1/10,000 is van de diameter van een mensenhaar.
• Micro-sluiters: dit raster van 248,000 kleine deuren kunnen individueel worden geopend en gesloten om licht door te laten of te blokkeren. Hierdoor kan JWST tegelijkertijd honderden individuele objecten in een veld van sterren of sterrenstelsels observeren. Als gevolg hiervan kan JWST veel meer observaties uitvoeren voor een bepaalde tijdspanne.

Prestaties van JWST

JWST is pas een paar jaar in bedrijf en heeft de manier waarop astronomen het heelal begrijpen al compleet veranderd. Dus hoewel het bijna onmogelijk is om alles op te sommen wat het al heeft gedaan, zijn een paar verhalen het waard om nog eens te worden uitgelicht.

Verspreiding van nieuw gevormde koolstof

JWST heeft twee sterren geïdentificeerd die verantwoordelijk zijn voor het genereren van koolstofrijk stof op slechts 5,000 lichtjaar afstand in ons eigen Melkwegstelsel. Het ontdekte concentrische bolvormige "schillen" die gevormd werden door de botsende zonnewinden van de twee sterren die nieuw gevormd koolstof in het sterrenstelsel verspreidden.

Bron: Webb-telescoop

Elke schil racet weg van de sterren met meer dan 1,600 mijl per seconde (2,600 kilometer per seconde), bijna 1% van de lichtsnelheid. In dit systeem laat het observatorium zien dat de stofschillen van jaar tot jaar uitdijen.

De mid-infraroodbeelden van de telescoop detecteerden schelpen die al meer dan 130 jaar bestaan. Oudere schelpen zijn genoeg verdwenen dat ze nu te zwak zijn om te detecteren.”

Jennifer Hoffman, medeauteur en hoogleraar aan de Universiteit van Denver

Actieve objecten aan de rand van ons zonnestelsel

JWST detecteert gasuitstoot van de ijzige “Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann”, een komeetachtig object in de buurt van Neptunus.

Ze ontdekten een nieuwe straal van koolmonoxide (CO) en tot nu toe onbekende stralen van koolstofdioxide (CO2) gas, die nieuwe aanwijzingen geven over de aard van de kern van het stellaire object.

Bron: Webb-telescoop

Afbeelding van nabijgelegen exoplaneten

JWST heeft een direct beeld vastgelegd van een exoplaneet die slechts 12 lichtjaren van ons verwijderd is, Epsilon Indi Ab. De planeet is meerdere malen zo zwaar als Jupiter en draait om een ​​ster die enigszins lijkt op onze zon.

Het is een van de koudste exoplaneten die ooit direct is waargenomen, met een geschatte gemiddelde temperatuur van 2°C/35°F (ter referentie: de gemiddelde temperatuur op aarde is 15°C (59 °F)).

“Koude planeten zijn erg zwak en het grootste deel van hun emissie bevindt zich in het midden-infrarood.

Het is iets warmer en massiever, maar lijkt meer op Jupiter dan welke andere planeet dan ook die tot nu toe in beeld is gebracht.”

Elisabeth Matthews van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Duitsland.

Complexe moleculen bij het vormen van planeten

In de protoplanetaire schijf die zich vormt rond een ster op 1,350 lichtjaar afstand in de Orionnevel, detecteerde JWST een methylkation (CH3+).

Ondertussen zou de exoplaneet K2-18 b een Hycische exoplaneet kunnen zijn, een planeet die potentieel een waterstofrijke atmosfeer en een met water bedekt oceaanoppervlak zou kunnen hebben.

Exoplaneten zoals K2-18 b, die qua grootte tussen die van de aarde en Neptunus liggen, zijn anders dan alles in ons zonnestelsel. Onze bevindingen onderstrepen het belang van het overwegen van diverse leefbare omgevingen bij de zoektocht naar leven elders.”

Nikku Madhusudhan, een astronoom aan de Universiteit van Cambridge

JWST vond ook verschillende koolstofverbindingen en zelfs dimethylsulfide in de atmosfeer van de planeet.

Bron: NASA

JWST voor het eerst buiten ons zonnestelsel ontdekt ethaan (C2H6), evenals ethyleen (C2H4), propyn (C3H4), en het methylradicaal CH3 rond een jonge ster.

Het deed ook de eerste detectie van zware elementen afkomstig van een samensmelting van sterren, wat resulteerde in de op één na helderste gammaflits ooit gedetecteerd, oftewel een kilonova. De wetenschappers van JWST ontdekten tellurium in de nasleep van de explosie.

Het meest verre (oude) zwarte gat ooit ontdekt

In combinatie met NASA's Chandra röntgenobservatorium ontdekte JWST een groeiend zwart gat, slechts 470 miljoen jaar na de oerknal. JWST ontdekte het sterrenstelsel, en Chandra het zwarte gat zelf.

Bron: NASA

Wij denken dat dit de eerste keer is dat er een 'buitengewoon zwart gat' is gedetecteerd dat direct is ontstaan ​​door de ineenstorting van een enorme gaswolk.

Voor het eerst zien we een kortstondig stadium waarin een superzwaar zwart gat ongeveer evenveel weegt als de sterren in zijn sterrenstelsel, voordat het achterop raakt.”

Priyamvada Natarajan van de Yale Universiteit

De toekomst van JWST

Na het vinden en analyseren van exoplaneten gaat JWST op jacht naar exomanen. We weten dat deze planetaire lichamen, die in sommige gevallen mogelijk groter zijn dan de aarde, moeten bestaan, maar we hebben nooit een instrument gehad dat gevoelig genoeg is om ze te detecteren. Gasvormige reuzenexoplaneten zoals Jupiter zijn goede kandidaten.

JWST zal ook superzware zwarte gaten en quasars onderzoeken, zwarte gaten die met de lichtsnelheid van hun polen spugen, een hoeveelheid materie die de moeite waard is om te tellen. De telescoop zal zich richten op zeer vroege exemplaren van deze stellaire fenomenen.

Ten slotte zou het al heel vroeg bestuderen van sterrenstelsels en grootschalige structuren van het heelal nieuwe inzichten kunnen opleveren in de aard van donkere materie en donkere energie. Wetenschappers lijken dit al tientallen jaren te ontgaan.

De belangrijkste particuliere aannemer van JWST

Northrop Grumman ruimtevaartsystemen

Een project als JWST is bijna altijd het resultaat van een internationale samenwerking, met in dit geval de deelname van NASA, ESA en het Canadese ruimtevaartagentschap.

Ook veel aannemers uit de particuliere sector waren erbij betrokken, waarvan de grootste het lucht- en ruimtevaart- en defensiebedrijf Northrop Grumman was.

Northrop Grumman is het meest bekend vanwege de creatie van de iconische B-2 stealth strategische bommenwerper, elk met een prijskaartje van bijna een miljard dollar. Dit meer dan 20 jaar oude ontwerp wordt vervangen door de B-21, die nog in ontwikkeling is.

Het bedrijf bevindt zich ook aan de rand van de ruimtetechnologie, zoals blijkt uit het werk aan de state-of-the-art James Webb Space Telescope. Het bedrijf haalt het grootste deel van zijn inkomsten uit ruimte- en luchtvaartsystemen.

Bron: Northrop

Een ander groot segment is de divisie missiesystemen, die een breed scala aan sensoren, cyberdefensiesoftware, beveiligde communicatie en C4ISR (Commando, Controle, Communicatie, Computers, Inlichtingen, Surveillance en Verkenning).

Het is ook een toonaangevende producent van munitie, van klein kaliber tot geleide projectielen en groot kaliber.

Northrop Grumman kijkt uit naar zijn positie als leverancier van geavanceerde wapens, met de ontwikkeling en inzet van autonome wapensystemen:

• X-47B, een staartloos, onbemand vliegtuig ter grootte van een gevechtsvliegtuig.
• De helikopter-drone Vuurverkenners.
• Bewakingsdrones Global Hawk en MQ-4C Triton.
• Maritieme drones Mantarog en AQS-24B/C Mijnenjachtsysteem.
• Vleermuis onbemand vliegtuigsysteem (UAS), multifunctionele, persistente en betaalbare tactische onbemande vliegtuigsystemen.

Bron: Northrop

Het bedrijf staat aan de rand van de ontwikkeling van directe energiewapens (lasers), elektronische oorlogsvoering, anti-drone systemenen  intercontinentale ballistische raketten.

Vanuit een investerings- en financieel oogpunt heeft Northrop Grumman zijn dividend met 12% CAGR verhoogd sinds 2014, terwijl het ook het aantal aandelen met 31% heeft verminderd. Dit resulteerde in $ 2.6 miljard aan dividenden en aandeleninkopen in 2023, terwijl het bedrijf $ 2.1 miljard aan vrije kasstroom genereerde.

Northrop Grumman haalt zijn inkomsten vrijwel geheel uit het Amerikaanse defensiebudget. NASA is goed voor 3% van de inkomsten en de internationale verkoop voor 12%.

Bron: Northrop

Waar bedrijven als RTX en Lockheed het grootste deel van de Amerikaanse luchtmacht leveren (straaljagers, raketten, luchtverdediging), levert Northrop Grumman de meest geavanceerde capaciteit, van ruimtevaart tot geïntegreerde commando- en stealth-zware bommenwerpers.

En misschien binnenkort ook een aanzienlijk deel van de geavanceerde drones, elektronische oorlogsvoering en energiewapens.

Met het toenemende belang van drones en elektronische oorlogsvoering zal Northrop waarschijnlijk een steeds belangrijkere rol gaan spelen in zowel de offensieve als defensieve capaciteiten van de VS. En de nieuwe stealth-bommenwerpers zullen een belangrijke factor zijn om gelijke tred te houden met rivalen zoals Rusland en China, met wie de spanningen hoog oplopen.