Megaprojecten
JWST – De James Webb Space Telescope
Dieper Kijken in het Heelal
Sommige megaprojecten omvatten gigantische infrastructuur, zoals bijvoorbeeld de 27-kilometer diameter cirkel van de CERN-deeltjesversneller of de 800-mile-lange neutrino-experiment van DUNE.
Andere kunnen worden gekwalificeerd als megaprojecten niet vanwege hun grootte, maar vanwege hun pure complexiteit, kosten en hoe transformatief ze zijn voor ons begrip van het Heelal.
Een goed voorbeeld hiervan is de James Webb Space Telescope (JWST). Deze ruimtegebaseerde telescoop voor infrarood licht is de meest krachtige en grootste ooit gemaakt. De telescoop is vernoemd naar James E. Webb, de legendarische administrator van NASA van 1961 tot 1968 tijdens de Mercury-, Gemini- en Apollo-programma’s.
Source: NASA
JWST is zo krachtig dat het ons kan helpen de allereerste sterren te observeren die in het Heelal zijn ontstaan en potentieel bewoonbare exoplaneten te vinden. En om deze resultaten te behalen, hebben wetenschappers en ingenieurs wonderen verricht om de grenzen van wat telescopen konden bereiken te verleggen.
Waarom een Telescoop in de Ruimte Placeren?
Het eerste dat men moet begrijpen over de James Webb Space Telescope is waarom het in de ruimte moet worden geplaatst. Immers, het is veel moeilijker om complexe machines in de ruimte te plaatsen dan om hetzelfde ding op aarde te bouwen.
Door buiten de atmosfeer te gaan, kunnen telescopen een ongestoord uitzicht op het Heelal krijgen, zonder lichtvervuiling, atmosferische turbulentie en, natuurlijk, wolken en weersomstandigheden.
Dit is de reden waarom de relatief kleine Hubble-telescoop zo goed presteerde in vergelijking met grondgebaseerde telescopen. Maar dit was extra belangrijk voor JWST, aangezien deze telescoop niet zichtbaar licht meet, maar infrarood licht.
Waterdamp in de aardatmosfeer absorbeert infrarode straling. Grondgebaseerde infraroodtelescopen worden meestal op hoge bergen en in zeer droge klimaten geplaatst om de zichtbaarheid te verbeteren, maar dit is nog steeds niet ideaal en vormt een inherente beperking voor wat ze kunnen observeren.
JWST is de laatste en verreweg de meest krachtige in een reeks van ruimtegebaseerde infraroodtelescopen, na de Infrared Astronomical Satellite (IRAS), de Spitzer Space Telescope en de Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE).
JWST werd in 2021 gelanceerd met een Franse Ariane 5-lanceringsraket, vanuit Frans-Guyana. Een maand later arriveerde het bij zijn bestemming, het zon-aarde L2 Lagrange-punt, ongeveer 1,5 miljoen kilometer (930.000 mijl) van de aarde.
Lagrange-punten zijn posities in de ruimte die constant blijven in vergelijking met de aarde, ondanks dat ze niet in een baan om de aarde zitten. Op dit moment wordt een ander Lagrange-punt (L1) gebruikt door DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
Source: NOAA
De positie van JWST betekent dat het bijna elk punt aan de hemel het hele jaar door kan observeren, zolang het niet in de richting van de aarde en de zon is; 39% van de hemel is potentieel zichtbaar voor Webb op elk moment.
Waarom Infrarood Observatie Gebruiken?
Verre Objecten
Voor zeer verre objecten in het Heelal treedt een fenomeen op dat “roodverschuiving” wordt genoemd, waardoor hun licht naar het infrarode spectrum verschuift. Dus elke observatie van het zeer diepe (en dus zeer oude) deel van het Heelal moet in het infrarode deel van het lichtspectrum worden gedaan.
Source: SciTech Daily
Door in het infrarood te kijken, kan JWST zo ver in de geschiedenis van het Heelal kijken als de vorming van de allereerste sterren.
Exoplaneten
Infraroodobservaties hebben nog een voordeel, dit keer met betrekking tot de analyse van exoplaneten. JWST zal een systeem hebben dat een coronagraaf wordt genoemd: dit zal het licht dat van een ster komt blokkeren, waardoor we de minder heldere objecten die eromheen draaien, zoals kleine exoplaneten, beter kunnen zien.
Het beeld van een exoplaneet zou alleen een vlek zijn, geen groot panorama.
Source: NASA
Toch kan het licht van die vlek worden geanalyseerd met een methode die spectroscopie wordt genoemd, die ons de samenstelling van de atmosfeer van deze exoplaneten kan vertellen. Op infrarode golflengten hebben de moleculen in de atmosfeer van exoplaneten het grootste aantal spectrale kenmerken, dus we krijgen veel meer informatie dan wanneer we zichtbaar licht gebruiken.
Met deze methode konden we niet alleen bepalen of planeten in andere zonnestelsels water en CO2 hebben, maar ook methaan, ammoniak of complexe moleculen die mogelijk op buitenaards leven duiden.
JWST in Vergelijking met Hubble
Wat betreft zijn waarnemingsvermogen is JWST voornamelijk gericht op near-infrarood licht, maar kan ook oranje en rood zichtbaar licht en mid-infrarood bereik zien, afhankelijk van het instrument dat wordt gebruikt.
Het kan objecten detecteren die 100 keer minder helder zijn dan Hubble. En in veel gevallen wordt het gebruikt om terug te kijken naar objecten die Hubble voor het eerst heeft onthuld om nieuwe inzichten over hen te krijgen.
Het beeldscherm zal echter vergelijkbaar zijn met dat van Hubble vanwege het feit dat infraroodbeelden inherent 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 die zichtbaar licht blokkeren, maar niet infrarood. Dus JWST’s versie van de beroemde Pillars of Creation-foto, in de Eagle Nebula, onthult veel sterren in en rond de pilaren.
Source: Webb Telescope
JWST Specificaties
JWST heeft een 6,5 meter (21 voet) gouden berylliumspiegel die bestaat uit 18 afzonderlijke hexagonale spiegels, waardoor het zijn iconische uiterlijk krijgt.
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 sterk genoeg te maken. Dit geeft het een lichtverzameloppervlak dat 6 keer groter is dan dat van Hubble. In totaal werd slechts 48,25 g (1,7 ounce) goud gebruikt.
Source: NASA
Webb, in tegenstelling tot Hubble, is niet ontworpen om door astronauten te worden onderhouden, vanwege de grote afstand tot de aarde. Als gevolg hiervan zijn alle kritieke onderdelen dubbel, zoals twee Near Infrared Cameras, of zijn ontworpen om vele jaren mee te gaan, zoals de spiegels.
JWST wordt verwacht minstens 5 jaar mee te gaan, met als doel 10 jaar operationeel te zijn. Het heeft echter voldoende brandstof (om in het Lagrange-punt te blijven) voor een totaal van 20 jaar, dus het kan langer meegaan als geen cruciaal onderdeel faalt.
JWST Budget
In totaal is de James Webb Space Telescope meer dan $11 miljard waard, meer dan 10 keer de oorspronkelijke schatting van NASA voor dit project. Deze explosie van de prijs bedreigde de levensvatbaarheid van het project in de jaren 2010, vanwege de (toen) exploderende begroting van “slechts” $6,5 miljard.
Een lancering die oorspronkelijk gepland was voor 2014, maar uiteindelijk 7 jaar later, voegde toe aan de kritiek.
“De fundamentele oorzaak van het probleem is dat op het moment van (de formele goedkeuring van het programma), dat teruggaat tot juli 2008, de begroting die NASA kreeg van het projectkantoor, eigenlijk gebrekkig was,” zei hij tegen journalisten in een teleconferentie.
De begroting bevatte simpelweg niet de inhoud die het project op dat moment kende. En dus, vanuit een financieel oogpunt, was het gewoon onvoldoende om het werk uit te voeren.”
John Casani, een breed gerespecteerd projectmanager bij NASA’s Jet Propulsion Laboratory
Aangezien het project bijna twee decennia nodig had om te worden ontworpen en gebouwd, ging het nooit boven de 3% van de jaarlijkse begroting van NASA uit. Het consumeerde echter 1/3 van de begroting van NASA’s afdeling Astrofysica tussen 2003-2021.
En nu JWST een van de meest indrukwekkende en succesvolle programma’s in de astronomie is, worden de meeste van deze discussies vergeten.
JWST’s Geweldige Ingenieurskunst
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 het te zwaar zijn geweest om in de ruimte te worden gelanceerd.
Dit is waarom de keuze werd gemaakt om beryllium te gebruiken, dat zowel sterk als licht genoeg is. Een ander factor was de extreme temperatuur van de diepe ruimte, die de vereiste extreem precieze kromming van de spiegels kon doen buigen.
Beryllium was een goede optie hier, omdat het ophoudt met van vorm veranderen als het echt koud is. Dus werden de spiegels gefabriceerd met een “verkeerde” hoek, die exact zou buigen naar de beoogde eindvorm als het werd blootgesteld aan de kou van de ruimte (-233°C/-388°F).
Source: JWST
Elke spiegel zou uiteindelijk worden uitgelijnd met een precisie gelijk aan 1/10.000ste de dikte van een mensenhaar.
Ultra-lichte materialen zoals composieten werden ook gekozen voor het frame van de telescoop, waardoor nog meer gewicht werd bespaard.
Source: NASA
Opvouwen
Een ander groot probleem was dat de extreme grootte van de telescoospiegel die nodig was voor dit ontwerp, niet in enige beschikbare raket paste.
Dus werd het al vroeg besloten om de structuur component voor component op te vouwen, inclusief de zonnescherm en de spiegels. Hoe de hele efficiënt en betrouwbaar op te vouwen was, was nog een zorg.
NASA-wetenschappers haalden inspiratie uit origami, de Japanse kunst van papier vouwen, met de definitieve keuze voor een hexagonaal origamipatroon.
Dit was een risicovolle beslissing voor het James Webb-ontwerpteam, aangezien zo’n complexe ontvouwing nog nooit eerder was gedaan. En elk falen zou het hele project hebben gedoemd.
Je kunt zien hoe de ontvouwing werkte stap voor stap in deze korte JWST-video:
Zonnescherm
Aangezien de telescoop zijn doelen observeert in infrarood, was het beschermen ervan tegen de hitte van de zon even essentieel als het hebben van spiegels die licht genoeg zijn en goed zijn ontvouwen.
JWST’s zonnescherm houdt het verschil tussen de hete en koude kant van de telescoop op bijna 315°C/600°F, dankzij een 5-laags isolatie.
Het zonnescherm is zo groot als een tennisbaan en gemaakt van lagen van Kapton E (polyimide film) met aluminium en gesinterde siliciumcoatings om de hitte van de zon terug de ruimte in te reflecteren.
Telecommunicatie
JWST verzendt zijn gegevens terug en ontvangt instructies van de aarde via NASA’s Deep Space Network. Dit gebeurt via grondstations in Canberra, Madrid en Goldstone.
Webb kan minstens 57,2 gigabyte aan opgenomen wetenschappelijke gegevens per dag downloaden, met een maximale gegevensoverdrachtsnelheid van 28 megabit per seconde.
Source: Webb Telescope
Andere Componenten
De rest van de telescoop was niet minder geavanceerd en hoogwaardig. Eervolle vermeldingen kunnen worden gegeven aan een aantal apparaten:
- Cryocooler: JWST’s mid-infrarood (MIRI) sensoren moeten werken bij -266,15°C/-447°F, kouder dan de diepten van de ruimte. Dus werd een extra koelsysteem toegevoegd om het instrument te koelen.
- Backplane: De ruggegraat van de telescoop weegt 2,4 ton (5.300 pond) en biedt de absolute bewegingloze positie die nodig is voor de telescoop om scherpe beelden te maken. Het werd ontworpen om stabiel te zijn tot 32 nanometer, wat 1/10.000ste de diameter van een mensenhaar is.
- Micro-shutters: dit rooster van 248.000 kleine deuren kan individueel worden geopend en gesloten om licht door te laten of te blokkeren. Dit stelt JWST in staat om honderden afzonderlijke objecten in een veld van sterren of sterrenstelsels tegelijk te observeren. Als gevolg hiervan kan JWST veel meer observaties uitvoeren in een bepaalde tijd.
JWST’s Prestaties
In bedrijf voor slechts een paar jaar, heeft JWST al volledig veranderd hoe astronomen het Heelal begrijpen. Dus, terwijl het bijna onmogelijk is om alles te noemen wat het al heeft gedaan, zijn een paar verhalen het vermelden waard.
Verdeling van Nieuw Gevormd Koolstof
JWST heeft twee sterren geïdentificeerd die verantwoordelijk zijn voor het genereren van koolstofrijke stof op slechts 5.000 lichtjaren afstand in onze eigen Melkweg. Het heeft concentrische sferische “schillen” ontdekt die worden gevormd door de botsende zonnewinden van de twee sterren, die nieuw gevormde koolstof in de Melkweg verspreiden.
Source: Webb Telescope
Elke schil raast weg van de sterren met meer dan 1.600 mijl per seconde (2.600 kilometer per seconde), bijna 1% van de snelheid van het licht. In dit systeem toont de telescoop aan dat de stofschillen van jaar tot jaar uitbreiden.
De telescoop heeft mid-infraroodbeelden gemaakt die schillen detecteren die meer dan 130 jaar hebben standgehouden. Oudere schillen zijn zo ver uitgedund dat ze nu te zwak zijn om te detecteren.”
Jennifer Hoffman, een co-auteur en professor aan de Universiteit van Denver
Actieve Objecten Aan de Rand van Ons Zonnestelsel
JWST detecteert gasuitstoot van het ijsachtige “Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann”, een komeetachtig object in de buurt van Neptunus.
Ze ontdekten een nieuwe straal van koolstofmonoxide (CO) en eerder ongeziene stralen van koolstofdioxide (CO2)-gas, die nieuwe aanwijzingen geven over de aard van de kern van het sterrenobject.
Source: Webb Telescope
Beeld van Dichtbije Exoplaneten
JWST heeft een direct beeld gemaakt van een exoplaneet op slechts 12 lichtjaren afstand van ons, Epsilon Indi Ab. De planeet is meerdere keren zo groot als Jupiter en draait om een ster die enigszins lijkt op onze zon.
Het is een van de koudste exoplaneten die ooit direct zijn gedetecteerd, met een geschatte gemiddelde temperatuur van 2°C/35°F (voor referentie is de gemiddelde temperatuur op aarde 15°C/59°F).
“Koude planeten zijn erg zwak, en de meeste van hun emissie is in het mid-infrarood.
Het is een beetje warmer en is groter, maar lijkt meer op Jupiter dan op enige andere planeet die ooit is gefotografeerd.”
Elisabeth Matthews van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Duitsland.
Complexe Moleculen in Vormende Planeten
Ondertussen kan de exoplaneet K2-18 b een Hycean-exoplaneet zijn, die het potentieel heeft om een waterstofrijke atmosfeer en een door water bedekte oppervlakte te hebben.
Exoplaneten zoals K2-18 b, die groter zijn dan de aarde en kleiner dan Neptunus, zijn niets zoals we in ons zonnestelsel zien. Onze bevindingen onderstrepen het belang van het overwegen van diverse bewoonbare omgevingen in 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.
Source: NASA
JWST vond voor het eerst buiten ons zonnestelsel ethaan (C2H6), evenals ethyleen (C2H4), propyn (C3H4) en de methylradicaal CH3 rond een jonge ster.
Het maakte ook de eerste detectie van zware elementen van een sterfusie, wat resulteert in de tweede helderste gammaflits ooit gedetecteerd, of een kilonova. JWST’s wetenschappers detecteerden tellurium in de nasleep van de explosie.
Meest Verre (Oude) Zwarte Gat Ooit Gedetecteerd
In combinatie met NASA’s Chandra X-ray Observatory, detecteerde JWST een groeiend zwart gat slechts 470 miljoen jaar na de oerknal. JWST vond de Melkweg, en Chandra het zwarte gat zelf.
