Niemal 20 lat prac inżynierskich. 20 razy przesunięty start rakiety. Wreszcie 25 grudnia 2021 roku o godz. 13:20 następca kultowego teleskopu Hubble’a (HST) – świętującego w ubiegłym roku 30 lat na orbicie – ma opuścić Ziemię. Nazwany imieniem drugiego w historii administratora NASA, odpowiedzialnego m.in. za misje Apollo, James Webb Space Telescope (JWST), powstał dzięki współpracy NASA z agencjami kosmicznymi z Europy i Kanady.

W swoją kosmiczną podróż ruszy z kosmodromu Europejskiej Agencji Kosmicznej w Gujanie Francuskiej. Wyniesie go sprawdzona i ceniona ciężka rakieta nośna Ariane 5.

Ogromne lustro teleskopu oraz chroniące go osłony będą złożone w trakcie transportu. Rozłożą się dopiero w przestrzeni kosmicznej.

Misja teleskopu Webba: zobaczyć pierwsze gwiazdy

Teleskop Webba ma prowadzić obserwacje gwiazd powstałych po Wielkim Wybuchu, badać formowanie się i ewolucję galaktyk, gwiazd i całych systemów planetarnych. Potężne, mające 6,5 metra średnicy zwierciadło JWST ma rejestrować ślady pozostałe po tzw. gwiazdach trzeciej populacji, czyli tych, które mogły powstać jeszcze przed uformowaniem się galaktyk.

Te potężne gwiazdy o masach przekraczających niekiedy 100 naszych Słońc składały się z wodoru i helu, bo te pierwiastki powstały w czasie Wielkiego Wybuchu. Żyły wyjątkowo krótko w skali kosmicznej, bo zaledwie około miliona lat. To właśnie wybuchy supernowych kończące ewolucję gwiazd trzeciej populacji miały wzbogacić środowisko kosmiczne o pierwiastki ciężkie. Z nich w przyszłości uformowały się gwiazdy kolejnej, drugiej populacji.

Jak zarejestrować dane dotyczące gwiazd, które nie istnieją od wielu miliardów lat, a pozostałości ich materii przeszły już wiele cykli gwiezdnego recyklingu? – Aby to wyjaśnić, musimy najpierw skupić się na tym, jaka jest natura światła i czym jest podczerwień – mówi dr hab. Leszek Błaszkiewicz, astronom i popularyzator nauki związany z Uniwersytetem Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie.

Jak można wykryć podczerwień sprzed miliardów lat

Spójrzmy na tęczę, czyli stworzony przez samą naturę mechanizm rozszczepiania światła. Zewnętrzna część łuku jest czerwona, ale poza nią istnieje jeszcze światło podczerwone, niewidoczne dla naszych oczu. To samo, którego używamy chociażby w pilotach do telewizorów. Podczerwień jest promieniowaniem termicznym emitowanym przez wszystkie ciała, których temperatura przekracza zero bezwzględne (czyli minus 273,15 st. C).

Emitują ją również gwiazdy, w tym te, których dawno już nie ma. Ich światło przemierza przestrzeń kosmiczną od kilkunastu miliardów lat. Umieszczając teleskop poza ograniczeniami ziemskiej atmosfery – chodzi tu głównie o działanie pochłaniającej promieniowanie podczerwone pary wodnej – możemy zapolować na sygnały wysłane do nas z początku czasu.

Prowadzenie obserwacji astronomicznych odległych i słabych obiektów w podczerwieni wymaga bardzo niskiej temperatury otoczenia: optymalnie poniżej 50 stopni Kelvina (minus 223 st. C), a nawet w granicach zera bezwzględnego. Właśnie dlatego JWST będzie wyposażony w specjalną osłonę termiczną chroniącą go przed ciepłem słonecznym. Osłona o wymiarach ponad 20 na 14 metrów składa się z pięciu warstw, z których każda kolejna ma być coraz chłodniejsza.

Teleskop Webba musi się znaleźć daleko od Ziemi

Również ze względu na konieczność osłonięcia urządzenia przed działaniem promieni słonecznych teleskop Webba będzie zakotwiczony w odległości 1,5 miliona kilometrów za Ziemią. – Nie zostanie on umieszczony na orbicie okołoziemskiej, jak w przypadku teleskopu Hubble’a. Zamiast tego NASA ma zamiar wysłać go do tzw. punktu L2 – mówi dr hab. Grzegorz Brona, fizyk związany z CERN i były prezes Polskiej Agencji Kosmicznej.

W 1772 r. wielki francuski matematyk Joseph-Louis Lagrange obliczył, że w układzie Ziemia-Słońce znajduje się pięć stabilnych punktów. Raz umieszczone w nich obiekty powinny pozostać w tym samym miejscu w relacji do Słońca i Ziemi – już na zawsze. Jeden z nich, nazywany L2, znajduje się właśnie ok. 1,5 mln kilometrów od Ziemi w kierunku przeciwnym do Słońca.

– Umieszczony w tym punkcie statek kosmiczny, a w końcu teleskop też jest statkiem kosmicznym, porusza się po orbicie wokół Słońca dokładnie w takim samym okresie, co Ziemia. Czyli Słońce i Ziemia widziane z tego statku są zawsze po tej samej stronie – wyjaśnia dr Brona.

Orbita teleskopu Webba będzie jednak troszkę bardziej skomplikowana. Będzie on powoli krążył wokół punktu L2 i co jakiś czas włączał silniki korekcyjne. W ten sposób ma zrównoważyć dodatkowe zaburzenia grawitacyjne pochodzące choćby od Księżyca.

– Wybór punktu L2 z jednej strony nieco komplikuje misję z punktu widzenia mechaniki orbitalnej i uniemożliwia serwisowanie teleskopu przez astronautów. Z drugiej strony jednak pozwala myśleć o wydłużeniu misji nawet do kilkunastu lat – dodaje dr Brona. Obecnie zakłada się, że nowy teleskop będzie pracował pięć lat z opcją wydłużenia działania o kolejne pięć lat.

Teleskop Webba: zastępca czy następca teleskopu Hubble’a?

Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba bywa nazywany zastępcą wysłużonego Hubble’a – teleskopu, który otworzył ludzkości oczy na odległy kosmos. Jednak sami twórcy nowego obserwatorium wolą określać go mianem sukcesora.

„Jego cele naukowe były motywowane wynikami dostarczonymi przez Hubble’a. Odległe obiekty są na skali światła bardziej przesunięte ku czerwieni, a ich światło jest wypychane z UV i widzenia optycznego do bliskiej podczerwieni. Zatem obserwacje tych odległych obiektów (na przykład pierwszych galaktyk powstałych we Wszechświecie) wymagają teleskopu na podczerwień” – można przeczytać na oficjalnej stronie teleskopu.

– Zarówno HST, jak i JWST są teleskopami optycznymi, ale obserwują przestrzeń w kompletnie inny sposób. Hubble bada ją głównie na falach optycznych i ultrafioletowych. Webb ma z kolei znacznie większe lustro niż Hubble. Ten większy obszar zbierania światła oznacza, że może zajrzeć dalej w czasie i przestrzeni. Aby móc zaobserwować najstarsze echa młodego Wszechświata, pojedyncza obserwacja danego wycinka nieba będzie trwała niekiedy wiele godzin – mówi dr Błaszkiewicz. Ten czas jest potrzebny po to, by z pojedynczych fotonów rejestrowanych przez czułe detektory uformował się czytelny obraz.

Słabe światło sprzed miliardów lat można dziś obserwować jako promieniowanie podczerwone

Mówiąc o najbardziej odległych obiektach, nie możemy pominąć ogólnej teorii względności Einsteina. Mówi ona, że rozszerzanie się Wszechświata oznacza, iż przestrzeń między obiektami faktycznie się rozciąga, powodując oddalanie się galaktyk od siebie. Co więcej, każde światło w tej przestrzeni również się rozciągnie, zwiększając długość swojej fali.

Może to spowodować, że odległe obiekty będą bardzo słabe lub niewidoczne, jeśli będziemy próbowali obserwować je w świetle widzialnym. Po rozciągnięciu zmienia się ono bowiem w podczerwień. Dlatego teleskopy takie jak JWST są idealne do obserwacji wczesnych galaktyk.

Co ważne, Webb, podobnie jak Hubble, jest narzędziem absolutnie demokratycznym. Każda zainteresowana osoba, niezależnie od miejsca zamieszkania czy pracy, a nawet tytułu naukowego, będzie miała prawo złożyć propozycję skierowania oka teleskopu w konkretne miejsce. Liczy się tylko, jakie dane naukowe miałaby przynieść obserwacja, a nie to, kto chce jej dokonać.

Teleskop Webba przeszedł już wszystkie konieczne testy. Pozostaje trzymać kciuki za udany start i mieć nadzieję, że wszystkie komponenty zadziałają poprawnie. Bo jeśli coś pójdzie nie tak, nie da się już niczego naprawić w kosmosie. Było to możliwe w przypadku teleskopu Hubble’a, ale Webb będzie po prostu za daleko.