James Webb-telescoop richt zijn blik op oneindig

Laurien Onderwater

24-12-2021 12:00:00

James Webb-telescoop

Veertien jaar later dan gepland staat dan eindelijk de grootste, krachtigste en duurste ruimtetelescoop die ooit gebouwd is op het punt om gelanceerd te worden. Maar als je eenmaal beseft hoe innovatief de James Webb Space Telescope in elkaar zit, is het ook niet zo gek dat hij nu pas zijn blik op het heelal richt.

‘Monstertelescoop met megaproblemen’, ‘NASA-ruimtetelescoop opnieuw vertraagd’, ‘Nieuwe tegenslag voor James Webb’. Het zijn enkele koppen van berichten die KIJK de afgelopen tien jaar op zijn website heeft gepubliceerd. Op de redactie werd zelfs gesproken van de James Webb-soap, want de gang van zaken rondom de bouw van de ruimtetelescoop begon bespottelijke trekjes te krijgen. Maar nu lijkt de kosmische kijker eindelijk klaar te zijn voor actie. Als alles volgens plan verloopt, lanceren de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, de Europese ESA en de Canadese CSA de ruimtetelescoop op 25 december vanaf de basis Centre Spatial Guyanais in Kourou (Frans-Guyana).

James Webb Space Telescope
De hoofdspiegel van de James Webb Space Telescope bestaat uit achttien zeshoekige platen. Elke zeshoek heeft zeven motortjes (actuatoren), waardoor hij in drie verschillende richtingen kan draaien (langs de x-, y- en z-as). Ook de kromming van de segmenten kan worden aangepast. © Desiree Stover/NASA

Genoeg tegenslagen

In 1996 maakte de NASA de eerste plannen openbaar van wat toen nog de Next Generation Space Telescope (NGST) heette. Veertien landen, waaronder Nederland, sloten zich bij het project aan en de ESA werd een belangrijke partner. Maar verreweg het grootste deel van de kosten is voor de NASA – en dat heeft de ruimtevaartorganisatie geweten. Vlak na de bekendmaking van de eerste plannen drong de NASA-leiding erop aan dat de nieuwe ruimtetelescoop niet meer dan 500 miljoen dollar mocht kosten. Al snel bleek dat nogal optimistisch. In 2005 waren de verwachte kosten opgelopen tot 3 miljard dollar en anno 2021 wordt er over bijna 9 miljard dollar (zo’n 7,78 miljard euro) gesproken.

De lanceerdatum van de “grootste en meest geavanceerde ruimtetelescoop aller tijden” is ook al een aantal keer uitgesteld. Zo zou de James Webb Space Telescope, vernoemd naar een voormalige NASA-directeur, aanvankelijk in 2007 de lucht in gaan. En met elke verschuiving van de lanceerdatum moest de NASA dieper in de buidel tasten. Het project heeft zelfs even op omvallen gestaan. Want toen in juni 2011 bleek dat de ruimtetelescoop minimaal vier keer zo duur zou worden als oorspronkelijk begroot en maar liefst zeven jaar later dan gepland de ruimte in zou gaan, was de maat voor het Amerikaanse Congres vol. De maand erop nam het Huis van Afgevaardigden een motie aan waarin de NASA in één klap 1,9 miljard dollar moest bezuinigen – en dus niet verder zou kunnen gaan met de JWST. Gelukkig is dat rampscenario voorkomen. Stoppen met het project zou namelijk duizenden banen kosten en de beide buitenlandse ruimtevaartorganisaties (ESA en CSA) hadden er ook al veel geld, tijd en moeite in gestoken.

Goed, in 2018 de monstertelescoop de ruimte in sturen is ook niet gelukt, maar de nieuwe lanceerdatum lijkt op het moment van schrijven wel haalbaar. Eind augustus maakte de NASA bekend dat de JWST alle tests heeft doorstaan en dat de ruimtekijker klaar was voor zijn zeereis naar Frans- Guyana. Ook nog een spannende onderneming, maar half oktober arriveerde het hele gevaarte veilig en wel op ESA’s lanceerbasis in Kourou. Daar gingen ingenieurs er meteen mee aan de slag; de telescoop moest natuurlijk eerst weer grondig worden geïnspecteerd en geconfigureerd voor de vlucht. Hij wordt in opgevouwen toestand in een Ariane 5-raket van de ESA gestopt.

Het uiteindelijke ontwerp van de JWST heeft namelijk een spiegel met een middellijn van 6,5 meter gekregen en die past niet in zijn geheel in een raket. De enorme spiegel is opgebouwd uit achttien hexagonale (zeskantige) kleinere segmenten van beryllium, afgewerkt met een dun laagje goud voor optimale reflectie. Elke zeshoek van 1,3 meter doorsnede weegt slechts 20 kilo en samen vormen ze de primaire spiegel. Onder die grote, gouden spiegel ‘hangt’ een zonnescherm dat bijna zo groot is als een tennisbaan. Dat vijflaagse scherm (gemaakt van kapton, een sterk materiaal dat zo dun is als plasticfolie, met een coating van aluminium en silicium) moet ervoor zorgen dat de telescoop zelf altijd in de schaduw blijft en daardoor beter kan ‘zien’. Ook het onderste gedeelte gaat ingeklapt de raket in en wordt in de ruimte met behulp van verschillende kabels en mechanismen uitgevouwen.

Blik op oneindig

Maar wat gaat die peperdure, geavanceerde telescoop doen als hij eenmaal in de ruimte hangt? Eerst moet hij zijn spiegel en zonnescherm uitvouwen, zijn instrumenten opstarten én met behulp van kleine stuwraketten een lange reis maken naar zijn uiteindelijke baan op 1,5 miljoen kilometer afstand van de aarde. Daar bevindt zich Lagrangepunt 2 (L2), een plek waar de zwaartekracht van aarde en zon de telescoop op dezelfde plaats houden. Bovendien draait de ruimtekijker hier synchroon met de aardbol om de zon, waardoor hij min of meer op dezelfde afstand kan blijven; dat is handig voor het contact met de telescoop vanaf onze planeet.

“Eenmaal op bestemming en up and running zal de James Webb Space Telescope vooral naar de eerste sterrenstelsels en het ontstaan van de eerste sterren in het heelal kijken”, legt Maurice te Plate uit, die al twintig jaar aan de ruimtetelescoop werkt. Daarmee doelt de ESA-ingenieur op licht dat kort na de oerknal werd verstuurd. “Telescopen zijn een soort tijdmachines: als ze het heelal in kijken, zien ze licht dat vele jaren onderweg is geweest. Met Webb kijken we zelfs miljarden jaren terug in de tijd. Dat licht komt van zó ver dat we het met onze huidige telescopen niet hebben kunnen meten.” Ook de ruimtetelescoop Hubble niet, die licht in een ander deel van het elektromagnetische spectrum waarneemt dan Webb zal doen. Bovendien is de hoofdspiegel van die eerste legendarische ruimtekijker 2,4 meter in doorsnede, terwijl die van de JWST 6,5 meter is. Daardoor vangt hij veel meer licht op en is hij vele malen gevoeliger.

In die miljarden jaren is er echter wel het een en ander met het heelal gebeurd: het is uitgedijd. Licht uit het zichtbare spectrum, dus met kortere golflengtes, is daardoor uitgerekt en heeft nu langere golflengtes, die niet met ‘gewone’ telescopen zijn waar te nemen, legt Te Plate uit. Daarom gaat Webb tijdens zijn missie op zoek naar licht in het nabij-infrarode en middelinfrarode spectrum. “Infrarood is warmtestraling. Dus om ervoor te zorgen dat de JWST zichzelf niet als lichtbron ziet tijdens het doen van metingen wordt hij afgekoeld tot bijna 240 graden Celsius onder nul. Op die manier kan de Space Telescope verder dan ooit de ruimte in kijken.”

Alleskunner

Met zijn forse, goudkleurige spiegel vangt Webb het inkomende licht op, maar dankzij zijn vier wetenschappelijke instrumenten kunnen onderzoekers dat licht op aarde bestuderen. Te Plate: “De ESA heeft een grote bijdrage geleverd aan twee van die vier instrumenten. Zo is de Near-InfraRed Spectrograph (NIRSpec), op enkele onderdelen na, volledig gebouwd onder leiding van de ESA in Noordwijk.”

Deze spectrograaf splitst het vroege sterrenlicht op in verschillende kleuren of spectra die wetenschappers een enorme hoeveelheid informatie geven over de objecten die de telescoop observeert. Naast de NIRSpec heeft de ESA met haar Europese partners voor een groot deel het Mid-InfraRed Instrument (MIRI) ontwikkeld. Dat neemt met zijn gevoelige detectoren licht van verre stelsels, pas gevormde sterren en exoplaneten waar. Het instrument zal zelfs de atmosfeer kunnen bestuderen van planeten die om een andere ster dan onze zon draaien. Om dat goed te kunnen doen, moet MIRI nog verder dan de andere instrumenten worden afgekoeld, tot maar liefst -267 graden Celsius.

Dan is er nog de Near-Infrared Camera (NIRCam), die licht detecteert van de vroegste sterren en sterrenstelsels die zich vormden na de oerknal, en van jonge sterren in de Melkweg en Kuipergordelobjecten. Deze nabij-infraroodcamera is aan de Universiteit van Arizona ontwikkeld.

Tot slot heeft de Canadese ruimtevaartorganisatie CSA de FGS (Fine Guidance Sensor) ontwikkeld. “Dit instrument zorgt ervoor dat de telescoop heel precies kan richten en stabiel blijft tijdens observaties”, legt Te Plate uit. “Als een telescoop de ruimte in kijkt, wil je natuurlijk niet dat hij gaat trillen. Deze sensor meet daarom zeer nauwkeurig de bewegingen van de telescoop en stuurt hem waar nodig bij.”

Naast wetenschappelijke instrumenten heeft de ESA in nog meer behoeften van het JWST-project voorzien. Te Plate: “Een heel grote en belangrijke bijdrage van ons is natuurlijk de Ariane 5-raket waarmee de telescoop in de ruimte zal worden gebracht.” Dat is vrij bijzonder, want meestal lanceert de NASA met zijn eigen raketten.

“En als laatste heeft de ESA een groep wetenschappers en ingenieurs, onder wie ikzelf, die aan de James Webb-telescoop werken en het project tijdens de missie zullen blijven ondersteunen. Dat gebeurt bij het Space Telescope Science Institute in Baltimore, in de Amerikaanse staat Maryland.” Daar is ook het Mission Operations Center gevestigd waar de kosmische kijker – een ware alleskunner – door een team van ingenieurs en wetenschappers nauwlettend in de gaten zal worden gehouden.

Want multi-inzetbaar is de James Webb Space Telescope zeker. Deze telescoop gaat weliswaar voornamelijk kijken naar het licht dat van vroege sterrenstelsels afkomstig is, en naar het ontstaan van de eerste sterren, maar daarnaast kunnen astronomen er manen in ons zonnestelsel mee observeren en achterhalen of bepaalde exoplaneten een atmosfeer hebben die moleculen bevatten die wij nodig achten voor leven. “Eigenlijk is Webb een soort Zwitsers zakmes”, zegt Te Plate.

Waarin verschillen Hubble en de JWST?


De James Webb-ruimtetelescoop zal de grootste en krachtigste telescoop zijn die ooit is gelanceerd. Hij treedt in de voetsporen van de Hubble-ruimtetelescoop, is ook op de website van de ESA te lezen, maar mag hij wel ‘de opvolger van Hubble’ worden genoemd? Strikt genomen niet, want deze twee kijkers zien niet hetzelfde. Zo richt de hier afgebeelde Hubble zich op licht uit het zichtbare spectrum (oftewel: elektromagnetische straling met golflengtes tussen de 400 en de 800 nanometer), een deel van het ultraviolette licht (golflengtes korter dan 400 nanometer) en een deel van het infrarode licht (golflengtes langer dan 800 nanometer). De JWST ziet daarentegen veel meer infrarode golflengtes, maar slechts een deel van het zichtbare licht en helemaal geen ultraviolet. Een ander verschil met Hubble is de afstand waarop de JWST zijn werk zal doen: zo’n 1,5 miljoen kilometer van de aarde, wat vier keer zo ver is als de maan. Hubble bevindt zich slechts 600 kilometer hiervandaan.

Testen, testen, testen

Het moge duidelijk zijn: de JWST is de meest geavanceerde telescoop tot nu toe die de ruimte in zal worden geschoten. En dat is meteen zijn grootste voordeel. Doordat de ruimtekijker niet op aarde maar op een afstand van 1,5 miljoen kilometer opereert, wordt het licht dat hij opvangt niet verstoord door de aardse atmosfeer. Iets waar grondtelescopen wel mee kampen. De atmosfeer is heel dynamisch, onder meer door de wind en temperatuurverschillen.

Maar die grote afstand brengt ook meteen het grootste nadeel met zich mee: als er, zoals bij Hubble gebeurde, iets mis is met de hardware van de telescoop, kan die fout niet worden hersteld. Upgrades zijn ook niet mogelijk en dus moet de JWST het zijn hele carrière doen met de systemen waarmee hij is gelanceerd. Dit in tegenstelling tot Hubble, die zich slechts 600 kilometer van ons vandaan bevindt en de afgelopen jaren verschillende keren is gerepareerd en verbeterd.

De JWST is de meest geavanceerde ruimtetelescoop tot nu toe

Te Plate: “We hebben daarom alles door en door getest. En dan niet één keer, maar heel veel keren. Er zijn echt enorm veel tests uitgevoerd om er zeker van te zijn dat alles goed zal functioneren. Bovendien kunnen we op aarde de situatie in de ruimte goed nabootsen. Helaas valt niet alles te simuleren; het is bijvoorbeeld lastig de zwaartekracht weg te nemen, maar we bootsten wel het vacuüm van het heelal en de extreem lage temperaturen na die daar heersen.”

Daarbij maakten de ruimtevaartorganisaties onder andere gebruik van de grootste thermische vacuümkamer ter wereld in het Johnson Space Center in Houston, die destijds ook is gebruikt voor het testen van de commando-/ servicemodules van de Apollo-missies. Neem de ISIM (Integrated Science Instrument Module), het hart van de ruimtetelescoop. Daarvan is elk los onderdeel – tot de kleinste lampjes aan toe – uitvoerig getest. Vervolgens werden die componenten samengevoegd tot de grote module en is die als geheel ook weer op de proef gesteld. Toen werd de ISIM in de telescoop geplaatst en onderging het instrument opnieuw vele extra tests. En zo is dat met elk (sub)systeem gegaan. “We hebben zelfs de lancering met de Ariane 5-raket nagebootst door de complete telescoop in ingeklapte vorm op een enorme shaker te plaatsen en hem flink heen en weer te schudden, precies zoals de raket dat zal doen.”

In deze thermische vacuümkamer, de grootste ter wereld, worden de omstandigheden in het heelal nagebootst. De kamer bevindt zich in het Johnson Space Center in Houston. © Chris Gunn/NASA

Behalve thermische en vibratietests moest de JWST akoestische proeven ondergaan. Een lading die door een raket de ruimte in wordt gebracht krijgt namelijk te maken met een oorverdovend lawaai en die geluidstrillingen kunnen ook schade veroorzaken. Alle instrumenten en de telescoop in zijn geheel zijn daarom in akoestische testkamers geplaatst waar het geluid dat de Ariane 5-raket produceert is nagebootst. Daarbij hebben ingenieurs een extra marge genomen, zodat ze tijdens de lancering niet voor onaangename verrassingen komen te staan. Tot slot hebben alle systemen een back-up: als een onderdeel van de JWST het af laat weten, neemt een andere component zijn taken over. Te Plate zal dan ook niet nagelbijtend toekijken hoe deze megacomplexe monstertelescoop straks de ruimte in wordt geschoten. “Ik ben volkomen relaxed, omdat ik erop vertrouw dat wij als team een prima job hebben gedaan. We hebben werkelijk álles getest en geoefend wat we konden. Dus ik ben ervan overtuigd dat het goed gaat komen.”

Dit artikel staat ook in KIJK 12/2021.

Meer informatie:

Beeld: B. Tafreshi/ESO, NASA, Bewerking Bert van den Broek/IDETIF

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE






Meer Nieuws