James Webb geimsjónaukinn

Sjónaukinn var upphaflega kallaður Next Generation Space Telescope (NGST) en var árið 2002 gefið nafnið James Webb, til heiðurs James Edward Webb (1906-1992) sem var forstöðumaður NASA frá 1961 til 1968, í árdaga geimkapphlaupsins. 

James Webb geimsjónaukinn er eitt kostnaðarsamasta rannsóknartæki NASA til þessa. Áætlaður kostnaður er um fimm milljarðar bandaríkjadala, að undanskildnum kostnaði við geimskotið en Geimstofnun Evrópu, ESA, greiðir þann hluta.

Spegill James Webb geimsjónaukans er 6,5 metri í þvermál, en til samanburðar er spegill Hubbles „aðeins” 2,4 metrar. Þetta þýðir að James Webb getur grein 10 til 100 sinnum daufari fyrirbæri en Hubble. Honum er því ætlað að skyggnast inn í fjarlægustu víðáttur alheims og kanna fyrstu stjörnurnar og vetrarbrautirnar sem mynduðust í alheiminum, auk þess að varpa ljósi á myndunar- og þróunarferli sólkerfa og reikistjarna.

Gangi allt að óskum verður James Webb sjónaukanum skotið út í geiminn árið 2021 og bíða stjörnufræðingar hans með mikilli eftirvæntingu.

Samanburður á ljóssöfnunargetu James Webb geimsjónaukans og Hubblessjónaukans. Mynd James Webb er tölvugerð en mynd Hubbles er raunveruleg og sýnir hún fjarlægustu vetrarbrautir sem sést hafa hingað til í alheiminum. James Webb mun sjá miklu lengra en Hubble. Mynd: NASA / ESA og Stjörnufræðivefurinn

1. Sagan á bak við sjónaukann

James E. Webb (1906-1992) var ekki vísindamaður líkt og Hubble heldur forstöðumaður NASA á tímum Apollo geimferðanna frá 1961 til 1968. Þótti mönnum hann verðskulda að geimsjónauki næstu kyslóðar yrði kenndur við nafn hans.

Strax árið 1989, ári áður en Hubble var sendur út í geiminn, fóru menn að huga að næsta geimsjónauka; arftaka Hubbles. Undirbúningsvinna og hönnun geimsjónauka getur tekið tvo áratugi og líftími Hubbles átti aðeins að vera um 15 ár.

Eftir að Hubble komst á braut um jörðu og opnaði augun uppgötvuðu menn skekkju í sjóntækjunum. Beindi því NASA öllum sínum kröftum í að lagfæra og endurbæta Hubble. Öllum áætlunum um nýjan geimsjónauka var slegið á frest. Árið 1993 hófst undirbúningur að nýju og fram kom tillaga um smíði fjögurra metra spegilsjónauka sem sér innrautt ljós. Árið 1996 komu fram nýjar tillögur um innrauðan geimsjónauka sem þyrfti að vera í mikilli fjarlægð frá jörðinni til að forðast innrauða bakgrunnsgeislun. NASA ákvað að veita fé í frekari rannsóknir á slíkum geimsjónauka sem þá gekk undir heitinu Next Generation Space Telescope (NGST). Árin 1997 til 2000 fór fram mikil undirbúningsvinna. Var þá gert grein fyrir helstu markmiðum NGST auk þeirra rannsóknartækja sem urðu að vera í sjónaukanum. Gert var ráð fyrir innrauðum myndavélum, sólarskildi, samanbrotnum átta metra breiðum spegli auk þess sem sjónaukann átti að staðsetja í svonefndum L2 punkti í 1,5 milljón km fjarlægð frá jörðinni. Ljóst var að sjónaukinn kæmist ekki í gagnið á upphaflega áætluðum tíma árið 2008.

Árið 2001 urðu tæknileg vandamál og fjárskortur þess valdandi að spegillinn varð minnkaður niður í 6,5 metra. Ári síðar var sjónaukinn nefndur eftir James Webb fyrrum forstöðumanni NASA. Næstu ár á eftir unnu menn að öllum tæknilegum smáatriðum og árið 2004 var allt verkefnið endurskipulagt. Stefnt var að geimskoti árið 2011. Árið 2005 kom í ljós að íhlutir í sjónaukann kæmu til með að kosta mun meira en ráð var fyrir gert í upphafi. Stríðsrekstur Bandaríkjanna er talinn hafa sett þar stórt strik í reikninginn. Slakað var á kröfum um tæknilega getu sjónaukans og stefnt að geimskoti árið 2013. Eftir miklar hrakfarir hefur James Webb sjónaukinn loks komist á fullt skrið og samstarfssamningar hafa verið undirritaðir af NASA, Geimstofnun Evrópu (ESA) og Geimstofnun Kanada (CSA). Alls taka fimmtán þjóðir þátt í verkefninu. Í dag er James Webb verkefnið á beinu brautinni og stefnt er að því að skjóta sjónaukanum á loft árið 2021.

2. Sjónaukinn

Samanburður á speglum James Webb og Hubble.

James Webb geimsjónaukinn er ólíkur Hubble að því leiti að hann er hannaður til að sjá innrautt ljós, en Hubble sér aðallega sýnilegt ljós (það sama og þú og ég sjáum). Ástæðan er sú að þá er James Webb betur í stakk búinn til að sjá fjarlæg fyrirbæri sem hafa hátt rauðvik. Allra fjarlægustu fyribæri alheims senda frá sér sýnilegt ljós sem breytist í innrautt ljós á leið til okkar. Ástæðan er sú að þegar ljóseindir ferðast í geimnum tognar á bylgjulengd þeirra þannig að ljós sem lagði af stað sem blátt ljós verður sífellt rauðara eftir því sem það ferðast lengra. Er þetta afleiðing útþenslu alheims. Sjónauki sem rannsaka á þessa tegund ljóss verður að vera í geimnum þar sem lofthjúpur jarðar hleypir því ekki í gegn.

Reginmunur er á spegilstærð James Webb og Hubble. Spegill James Webb er miklu stærri sem gerir honum kleyft að greina mjög dauf og fjarlæg fyrirbæri. Þar að auki verður James Webb staðsettur mun lengra frá jörðu en Hubble. 

Nær allir hlutirnir í James Webb hafa verið þróaðir og hannaðir sérstaklega fyrir sjónaukann. Sjónaukinn mun vega 6,5 tonn og verður á stærð við tennisvöll. Helstu hlutar sjónaukans eru:

• Safnspegill sem safnar ljósinu frá fjarlægum fyrirbærum. Safnsepegillinn er nýstárlegasti hluti sjónaukans. Hann er samsettur úr 18 fisléttum sexhyrndum einingum sem saman mynda einn 6,5 metra breiðan spegil með 25 fermetra heildarflatarmál. Ekki er til nógu stór eldflaug til að rúma 6,5 metra spegil. Þess vegna þarf að brjóta hann saman og opna svo í tveimur skrefum á áfangastað.
  
  Spegillinn þarf að vera nægilega léttur (625 kg) til þess að eldflaug geti borið hann út í geiminn en líka nægilega sterkur til að þola það gríðarlega álag sem fylgir geimskotinu. Honum þarf ennfremur að halda köldum 40 Kelvin (-233°C) svo innrauð varmageislun yfirgnæfi ekki ljósið frá stjarnfræðilegum fyrirbærum. Af þessum ástæðum var hönnuð tý tegund spegils úr beryllíni. Beryllín er léttur málmur sem aflagast mun minna en hefðbundið gler. Beryllín speglarnir eru vandalega slípaðir og húðaðir með þunnu lagi af 24 karata gulli. Innrauðir sjónaukar eru gullhúðaðir þar sem það nedurvarpar rauðu ljósi sérstaklega vel. Með gulli endurvarpar spegillinn 98% af innrauða ljósinu sem á hann fellur. Spegill James Webb sjónaukans er dýrari en allir aðrir hlutar sjónaukans til samans!

• Aukaspegill situr á þrífæti fyrir framan íhvolfan safnspegil og beinir ljósinu inn í mælitækin sem eru bak við safnspegilinn.

• Sólskjöldur hlífir speglinum fyrir sólargeislunum og heldur speglinum köldum. Til að halda varmageislun í lágmarki þarf sjónaukinn og búnaðurinn að haldast kaldur. Sjónaukinn mun því alltaf snúa frá sólu, jörðu og tungli. Skjöldurinn samanstendur af fimm hitaþolnum lögum úr kísilhúðuðu Kaptoni sem er sama efni og er notað í ysta lag geimbúninga. Sólskjöldurinn er samanbrotinn við geimskot líkt og spegillinn en fullopnaður er hann á stærð við tennisvöll.

• Lest á bak við spegilinn þar sem mælitækin eru geymd. Þar er kælibúnaður sem heldur mælitækjunum mjög köldum. Mælitækin sem þar er að finna eru:

• Nær-innrauð myndavél (Near-Infrared Camera (NIRCam)) - NIRCam á að skoða nær-innrautt ljós (með 600 nanómetra upp í 5 míkrómetra bylgjulengd) frá myndun elstu stjarna og vetrarbrauta, stjörnuhópa í nálægum vetrarbrautum, ungar stjörnur í Vetrarbrautinni okkar og íshnetti í Kuipersbeltinu

• Nær-innrauður litrófsmælir (Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec)) - NIRSpec er litrófsriti sem brýtur nær-innrautt ljós í bylgjulengdir sínar eða liti. NIRSpec getur fylgst með meira en 100 fyrirbærum í einu. Mælirinn er hannaður til rannsókna á myndun stjarna og efnasamsetningu ungra, fjarlægra vetrarbrauta, svo dæmi séu tekin. 

• Mið-innrauð myndavél (Mid-Infrared Instrument (MIRI)) - MIRI á að rannsaka innrautt ljós með 5 til 28 míkrómetra (einnig kallað míkron) bylgjulengd frá nýmynduðum stjörnum og íshnöttum yst í sólkerfinu okkar.

• Fine Guidance Sensor-Tunable Filter (FGS-TF) - FGS-TF er myndavél og "miðari" sem hjálpar til við að beina sjónaukanum á ákveðið fyrirbæri. Tækið getur valið úr víðu sviði innrauðs ljóss og einbeitt sér að ákveðinni bylgjulengd þess. FGS-TF verður notað til að rannsaka nýmynduð sólkerfi og rykskífur sem gætu þést í reikistjörnur, skoða aflfræði vetrarbrauta og greint stök frumefni og sameindir í gas- og rykskýjum í Vetrarbrautinni.   

• Stjórnstöðin er undir sólskildinum. Hún sér um að stýra sjónaukanum, halda honum á réttum stað og knýja hann áfram. Í stjórnstöðinni eru sólarrafhlöður sem sjá búnaði sjónaukans fyrir orku og tölva sem geymir gögnin og sendir þau til jarðar með útvarpssendi. Eldsneytisbirgðir sjónaukans eiga að endast í um 10 ár. 

3. Geimskot og staðsetning

James Webb sjónaukanum verður skotið á loft með Ariane 5 ECA eldflaug frá Kourou geimferðamiðstöðinni í Frönsku-Gvæjana í Suður-Ameríku. Geimstofnun Evrópu útvegar eldflaugina og hefur yfirumsjón með geimskotinu. James Webb þarf að rúmast efst á eldflauginni sem er um 16 metrar á hæð og 4,5 metrar á breidd. Þetta eru þröngar aðstæður fyrir slíkt ferlíki sem sjónaukinn er og er hann því samanbrotinn. Á þriggja mánaða leið sinni á áfangastað opnast sjónaukinn smátt og smátt, líkt og fiðrildi að klekjast úr eggi sínu. Myndskeiðið hér fyrir neðan sýnir hvernig samanbrotinn sjónaukinn opnast.

Hér má ekkert fara úrskeiðis. Vegna fjarlægðarinnar frá jörðu er ómögulegt fyrir geimfara að fara í viðhaldsleiðangur til James Webb sjónaukans. Hubble er aðeins í um 600 km hæð yfir yfirborði jarðar á meðan James Webb verður í 1,5 milljón km fjarlægð, miklu lengra frá jörðu en nokkurt mannað geimfar hefur komist. Ef farinn yrði viðhaldsleiðangur í framtíðinni myndi NASA líklegast senda fjarstýrt ómannað geimfar til sjónaukans.

James Webb sjónaukinn er innrauður sjónauki sem ætlað er að greina dauf innrauð fyrirbæri. Innrauð geislun er betur þekkt sem varmageislun en allir hlutir sem hafa ákveðið hitastig gefa frá sér innrautt ljós, meira að segja sjónaukar. Þess vegna þarf að kæla sjónaukann verulega niður, skýlahonum frá sólu, jörðu og tungli og koma honum eins langt frá sólinni og jörðinni og unnt er.

Svo skemmtilega vill til að hinn svokallaði Lagrange punktur 2 (L2) er kjörinn staðsetning fyrir James Webb. Stærðfræðingurinn Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) reiknaði út að til væru fimm staðir þar sem hlutir gætu haldist á sama stað með tilliti til tveggja hnatta (jarðar og sólar). Þessir jafnvægispunktar eru kallaðir L1, L2, L3, L4 og L5 eftir Lagrange sjálfum. Lagrange punktur eru með öðrum orðum jafnvægispunktar frá sólinni og jörðinni. Þetta þýðir að hlutur í Lagrange punkti helst á sama stað með tilliti til sólar og jarðar, ólíkt Hubblessjónaukanum og öðrum gervitunglum sem hringsóla á sporbraut umhverfis jörðina. L2 er í 1,5 milljón km fjarlægð frá jörðinni í átt frá sólu svo jörðin mun ávallt skyggja á sólina séð frá L2. Þar helst James Webb sjónaukinn á sama stað þökk sé þyngdarkrafti jarðar og sólar svo það krefst ekki mikils eldsneytis að halda honum þar. Athugaðu að Lagrange punktarnir eru ekki kyrrstöðupunktar. Gervitunglin sveima um og eru ekki kyrr. Líta má á L2 sem þann punkt þar sem sameiginlegur þyngdarkraftur frá sólinni og jörðinni er jafn miðflóttakraftinum sem þarf til þess að James Webb sé samferða jörðinni á hringferð hennar í kringum sólina.

4. Markmið

Það var ljóst frá upphafi að næsta kynslóð geimsjónauka ætti að miða að mikilvægum spurningum um tilurð stjarna, vetrarbrauta, reikistjarna og lífs. Þessum spurningum má að hluta svara með sjónauka sem greinir fjarlægustu og þar með elstu fyrirbæri alheims. Markmiðið er að senda á loft sjónauka sem er fær um að greina ljós sem lagði af stað þegar alheimurinn var á barnsaldri. James Webb sjónaukinn getur skyggnst inn í þróunarsögu alheimsins sem við búum í, allt frá fyrstu glæðum Miklahvells til sólkerfa dagsins í dag. NASA skilgreinir rannsóknarmarkmiðum James Webb í fjögur meginþemu:

• Endalok hinna myrku alda: Fyrsta ljósið og endurjónun alheimsins. Himinhvolfið er stjörnum prýtt. Sumar eru gamlar og nálægt endalokum sínum en aðrar eru nýmyndaðar. Stjörnur þurfa talsverðan tíma til að myndast þannig að skömmu eftir Miklahvell höfðu engar stjörnur enn haft tíma til að myndast og ekkert ljós var í alheiminum (reyndar fyllti veik bakgrunnsgeislun, örbylgjukliðurinn, rúmið). Þetta skeið í sögu alheimsins er kallað hinar myrku aldir (Dark Ages). Einhvern tímann hljóta fyrstu stjörnurnar að hafa myndast. Hubblessjónaukinn sér stjörnur og vetrarbrautir svo langt sem augað eygir svo við vitum að fyrsta ljósið á rætur að rekja enn lengra en Hubble sér. James Webb sjónaukinn getur skyggnst enn lengra aftur í tímann en Hubble og er eitt helsta markmið hans að ákvarða hvenær og hvernig fyrsta ljósið kviknaði í alheiminum. Endurjónun alheimsins helst í hendur við myndun fyrstu stjarna og vetrarbrauta. Alheimurinn byrjaði í heitu ástandi en þandist út og kólnaði mjög. Eftir um 400.000 ár var hann nógu kaldur til að róteind og rafeind mynduðu vetniseind. Ef hitastigið hækkar verður hreyfirorkan svo mikil að rafeindirnar sleppa burt og gasið jónast. Stjörnufræðinga grunar að fyrstu stjörnurnar hafi verið mjög bjartar, skammlífar og massamiklar, allt að 300 sinnum massameiri en sólin. Eftir að fyrstu risastjörnurnar mynduðust hækkaði hitinn í alheiminum og sterka útfjólubláa ljósið frá þeim jónaði alheiminn. Alheimurinn er enn jónaður í dag en efnið milli vetrarbrautanna er rafgas (frjálsar rafeindir þjóta milli atómkjarnanna). Spurningin hvernig fyrsta ljósið kviknaði er þannig jafngild spuringunni hvenær alheimurinn endurjónaðist. Með því að rannsaka endurjónun alheimsins má skera úr um hvers konar fyrirbæri áttu í hlut. Voru það risastjörnur eða hugsanlega svarthol með aðsópskringlu? Með hjálp James Webb geta vísindamenn vonandi í fyrsta skipti sagt: „Og þá varð ljós!”

• Hvernig mynduðust vetrarbrautirnar? Þessari spurningu er að mestu enn ósvarað. James Webb geimsjónaukanum er ætlað að kanna hvers vegna vetrarbrautirnar sem við sjáum í dag eru jafn fjölbreyttar og þær eru. Stjörnufræðinga þyrstir í að vita hvers vegna vetrarbrautir eru eins og þær eru í dag. Við vitum að í öllum vetrarbrautum er eitt risasvarthol, en þrátt fyrir það eru tengslin milli uppbyggingu vetrarbrautar og svarthols enn óljós. Hvort kom á undan, vetrarbrautin eða svartholið? Stjörnufræðingar vita líka að myndun vetrarbrauta ræðst af hulduefninu. Samkvæmt útreikningum og tölvulíkönum ætti hulduefnið að safnast saman og mynda þyngdarbrunna sem síðan draga til sín venjulegt efni sem við í dag sjáum sem vetrarbrautir og vetrarbrautaþyrpingar. Með því að skyggnast inn í myndunarsögu vetrarbrauta má afla mikilvægra upplýsinga um uppbyggingu þeirra, risasvartholin og hulduefnið.

• Hvernig verða stjörnur og sólkerfi til? Myndun stjarna hefur í grófum dráttum verið kortlögð, en atburðarásin í rykskífunni umhverfis frumstjörnu er enn óljós. Stjörnur verða til þegar köld gas- og rykský falla saman undan eigin þunga. Skýið byrjar að snúast og myndar rykskífu sem er eins og pönnukaka í laginu. Gasið safnast saman í miðjunni, hitnar og myndar frumstjörnu, sem síðar verður sólstjarna, og reikistjörnur verða til úr efninu í skífunni. Hugmyndir stjörnufræðinga um myndun sólkerfa gerbreyttust þegar önnur sólkerfi fundust þar sem gasrisar voru mjög nálægt móðurstjörnunni. Gasrisar eru reikistjörnur sem ættu aðeins að myndast við kaldari aðstæður langt frá heitri stjörnunni. Hvers vegna eru gasrisar nálægt móðurstjörnunni í sumum sólkerfum? Eru gasrisar í öllum sólkerfum? Hvaða áhrif hefur þetta á litlar lífvænlegar reikistjörnur? Til að kortleggja fyrstu skrefin í þróun sólkerfa og ungra stjarna þarf að skyggnast djúpt inn í rykuga skífuna umhverfis frumstjörnuna. Rykið gerir skífuna ógegnsæja í sýnilegu ljósi en er gegnsætt í innrauðu ljósi. Það gerir James Webb sjónaukann kjörinn til rannsókna á myndun sólkerfa og skilyrðum til lífs.

• Önnur sólkerfi og uppruni lífsins. Þegar önnur sólkerfi og fjarreikistjörnur eru rannsakaðar er heppilegast að nota innrautt ljós svo unnt sé að forðast glýjuna frá stjörnunni. Fyrirbæri í fjarlægum sólkerfum geisla öll frá sér varmageislun eða innrauðu ljósi og þar verður James Webb sjónaukinn í broddi fylkingar. Nýlega tókst stjörnufræðingum að ljósmynda fjarreikistjörnu með Hubblessjónaukanum. James Webb gæti haft nægileg greinigæði til að ljósmynda aðrar fjarreikistjörnur og mæla litróf þeirra. Þannig má bera kennsl á efnisinnihald þeirra, reikna út massa og jafnvel aldur þeirra. Ekki er vitað með fullri vissu hve smáar reikistjörnur James Webb getur greint. James Webb mun líka skoða fjarlæga íshentti í okkar eigin sólkerfi. Efnisinnihald halastjarna í útjaðri sólkerfisins gefa mikilvægar vísbendingar um uppruna sólkerfisins og þar með jarðarinnar.

Heimildir

• James Webb sjónaukinn á vef Space Telescope Science Institute. 
• James Webb sjónaukinn á vef NASA
• Gardner, J.P. et al. Space Science Reviews, Vol. 123 No. 4 2006
  

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Kári Helgason (2010). James Webb geimsjónaukinn. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/alheimurinn/rannsoknir/james-webb-geimsjonaukinn (sótt: DAGSETNING).