Ostro oko, ki bo zrlo dlje in bolj natančno

Vsak teleskop, ki je pogledal v nočno nebo, je našel nekaj novega – in marsikaj nenavadnega, da so se znanstveniki praskali po glavi. In tudi tokrat bo zanesljivo tako. V petek bo (končno!) po dveh desetletjih razvoja in skoraj desetih milijardah evrov vloženih sredstev poletel vesoljski teleskop Jamesa Webba. A še preden bo priskrbel težko pričakovane odgovore (in vprašanja), se bo moralo na tisoče stvari zgoditi prav in niti ena narobe.

Webbov teleskop, skupni projekt ameriške, evropske in kanadske vesoljske agencije, je kot švicarski nož, ki bo vesolje seciral po dolgem in počez. S šest metrov in pol velikim glavnim zrcalom in štirimi instrumenti, pri čemer bo vsak omogočal več tehnik opazovanja, bo Webb lovil infrardečo svetlobo najrazličnejših teles, od planetov in lun našega osončja do najbolj oddaljenih galaksij v vesolju.

Teleskop se bo odprl v vesolju

Marsikomu, ki je velik del kariere posvetil najnovejšemu čudežu tehnologije, se je verjetno pred tedni za trenutek ustavilo srce, ko se je med premikanjem Webba strgal spoj in skozi teleskop poslal nezaželene vibracije. Tresljaj bi lahko vodil do napak, zato so inženirji temeljito pregledali vsak milimeter. Čeprav je od tega že nekaj desetletij, se skupnost še vedno spominja prvih fotografij Hubblovega teleskopa. Namesto ostrih podob galaksij so znanstvenike presenetile nejasne, zabrisane slike, ki so bile posledica napačno pobrušenega zrcala. Na srečo Hubble kroži okoli Zemlje kakšnih 570 kilometrov nad nami, zato so ga astronavti lahko obiskali z raketoplani, ga ujeli in popravili napako. Tokrat možnosti popravnega izpita ne bo.

Da bo Webb, ki bo v vesolje zrl v infrardečem valovnem spektru, pokazal vse svoje zmogljivosti, mora namreč daleč daleč stran. Biti mora hladen, kar je ključno za zaznavanje šibkih in zelo oddaljenih objektov. Po izstrelitvi bo odpotoval v drugo Lagrangeevo točko ali L2, od nas oddaljeno poldrugi milijon kilometrov, ki leži »za Zemljo«, če gledamo od Sonca.

Webbov teleskop bodo izstrelili z raketo Ariane 5 iz Francoske Gvajane predvidoma na božični večer. Foto Chris Gunn/Nasa

A to ni dovolj. Sonce, Zemlja in Luna so še vedno preveč moteči in teleskop so opremili z vrhunskim, okoli 20 metrov dolgim sončnim ščitom, v senci katerega se bodo skrivali zrcalo in različne kamere. Ti za ustrezno delovanje potrebujejo temperaturo globoko pod ničlo, –223 stopinj Celzija (instrument MIRI bo ohlajen celo na –266 stopinj). Do L2 bo potoval mesec dni. Orbito teleskopa bo treba ves čas nekoliko popravljati, sicer bi sčasoma odplaval v globine vesolja. Prav ti popravki, ki porabljajo gorivo, omejujejo Webbovo življenjsko dobo. Vsa opazovanja bodo pozorno načrtovana, da ne bo teleskopov pogled ves čas omahoval z ene strani neba na drugo. Vse za to, da se ohrani dragoceno gorivo. Po pričakovanjih naj bi teleskop deloval približno deset let.

Kroženje okoli L2:

Teleskop je ogromen – je kot velika hiša in za takšnega nobeno podjetje nima dovolj prostora na raketi. Glavno zrcalo je sestavljeno v satovje osemnajstih manjših zrcal, ki bodo ob izstrelitvi zložena. Tudi sončni ščit bo zapakiran v manjši zvitek. Ko bo teleskop končno zajadral v temnino vesolja, se bodo zrcala razprla in ščit razvil: teleskop se bo razcvetel v končno obliko. Nasa je najnevarnejši del odprave zaupala evropskim partnerjem v projektu.

Animacija odpiranja:

Webb bo z raketo Ariane 5 poletel iz Francoske Gvajane, raketa ga bo potisnila naravnost proti L2, ne da bi mu bilo treba pridobivati pospešek z orbito okoli Zemlje. V prvem tednu po izstrelitvi se bodo razvijale tanke membrane ščita (pri satelitih veliko vlogo igra tudi masa, ob izstrelitvi bo ta 6200 kilogramov), odpiralo se bo glavno zrcalo, nato sekundarno, sledilo bo ohlajanje na delovno temperaturo, skratka, gre za niz velikih in malih korakov in pri nobenem ne sme klecniti. »Trdo smo delali, da smo polovili vse napake, da smo stestirali in zvadili,« poudarja John Mather, z Nobelovo nagrado nagrajeni astrofizik, glavni znanstvenik v projektu, ki se je od prvih skic do zdaj močno podražil in zelo zamujal.

Malo je tudi slovenski

Izstrelitev in prve podatke nestrpno in z veliko vznemirjenja pričakuje tudi slovenska astrofizičarka Maruša Bradač, ki je več let sodelovala pri izdelovanju kamere teleskopa. »Sem del znanstvene ekipe kanadske vesoljske agencije, ki je razvila kamero in spektrograf Nirris. Teleskop je opremljen s štirimi kamerami, prednost Nirissa je, da posname spektre celotnega vidnega polja, tako bomo v podatkih lahko odkrili objekte, ki jih prej nismo poznali. S spektri lahko ugotovimo sestavo in oddaljenost posameznih objektov.«

Poleg te je Webb opremljen še z bližnje infrardečo kamero NIRCam, bližnje infrardečim spektrografom NIRSpec in srednjevalovno infrardečim instrumentom MIRI. »V nasprotju z Nirissom je treba za NIRSpec vnaprej določiti opazovalno območje, a lahko z njim opazujemo res šibke objekte. NIRSpec ima tudi večjo ločljivost. Vsekakor se instrumenti med seboj dopolnjujejo,« pojasnjuje profesorica, ki se po skoraj dveh desetletjih iz ZDA, kjer je delala na univerzi Davis v Kaliforniji, vrača v Slovenijo in bo del ekipe ljubljanske fakultete za matematiko in fiziko.

Prve galaksije in črne luknje

Glavni projekt njene ekipe je opazovanje prvih galaksij v vesolju. »Opazovali jih bomo na petih lokacijah na nebu. In ker bomo dobili spekter vsega v vidnem polju, bomo zagotovo odprli še množico drugih raziskav, saj bomo hkrati opazovali še jate galaksij in galaksije na vrhuncu svojega življenja,« razlaga slovenska znanstvenica.

Webbov teleskop bo vesolje opazoval v infrardeči svetlobi, zato mora biti močno ohlajen. FOTO: Nasa

Razdalje v vesolju so tako velike, da svetloba z oddaljenih zvezd in galaksij potrebuje veliko časa, preden nas doseže. Astronomi so pravzaprav zgodovinarji, ki raziskujejo preteklost vesolja. Teleskop Hubble je močno premaknil mejo vidnega vesolja. Najbolj oddaljene galaksije v Hubblovih globokih poljih so svojo svetlobo oddale le 500 milijonov let po velikem poku. Ampak to niso bile prve galaksije. Za te moramo pogledati še dlje v preteklost. Kdaj so prve galaksije nastale in zakaj so nastale ravno takrat – na ti vprašanji bo poskušal odgovoriti Webb.

Marcia Rieke, profesorica na arizonski univerzi, pri projektu Webb dela že več kot dve desetletji. Vodila je razvoj kamere NIRCam, obenem pa je na čelu večjega projekta opazovanja oddaljenih galaksij, ki bo prinesel prve prave znanstvene rezultate teleskopa. »Opazovali bomo Hubblovo globoko polje,« pravi Riekova. »To je logično opazovanje, saj smo doslej zbrali že veliko podatkov o galaksijah v polju v drugih valovnih dolžinah. Zanimajo nas najbolj oddaljene galaksije, pa tudi statistične študije.« Opazovanje večjega števila galaksij na različnih razdaljah bo omogočilo raziskavo razvoja galaksij skozi čas.

Prve galaksije so se verjetno pojavile nekaj sto milijonov let po velikem poku. Galaksije pa so zgrajene iz zvezd – astronomi si že leta želijo najti prve zvezde, ki so med svojim življenjem in kasneje s smrtjo medzvezdni plin obogatile s težkimi kemičnimi elementi in tako vplivale na nadaljnji razvoj zvezd in galaksij skozi čas. Webbov teleskop prvih zvezd ne bo videl neposredno, lahko pa bi našel sledi, ki so jih pustile na lastnostih galaksij v zgodnjem vesolju.

Teleskop bo torej videl vesolje, ko je bilo še »otročiček«, in ker tako daleč še nismo segli, bi lahko podatki dodobra spremenili današnje razumevanje zgodnjega vesolja. »To pravzaprav pričakujemo. Že sedanja opazovanja nam govorijo, da je bilo zgodnje vesolje precej drugačno, kot napovedujejo modeli. S Hubblom smo odkrili zvezde, ki so bile drugačne od pričakovanj. Kako točno drugačne, s Hubblom nismo mogli ugotoviti, za to potrebujemo spektre. Na drugačnost zgodnjega vesolja kaže tudi peščica opazovanih galaksij. Toda preveriti moramo, ali smo morda opazovali skupino, ki je bolj izjema kot pravilo. Vsekakor bo odkritij veliko, saj marsičesa ne razumemo,« pojasnjuje Maruša Bradač.

Posnetek, kako so ga zložili za potovanje:

V zadnjih letih so astronomi v zgodnjem vesolju našli tudi supermasivne črne luknje. Pošastna telesa, ki bivajo v središču galaksij, imajo maso več milijard Sonc. Nihče ne ve, kako so črne luknje lahko zrasle tako hitro po nastanku prvih galaksij. Mogoče bo trdi oreh strl prav Webb.

Omenimo še eksplozije zvezd in trke nevtronskih zvezd. Več znanstvenih skupin bi teleskop v primeru zanimive eksplozije ali trka usmerilo proti dogodku ter zajelo neprecenljivo svetlobo. Zaradi natrpanega urnika in potrebe po ohranjanju goriva bo teleskop za takšen manever potreboval približno dva dni, a za številne vrste eksplozij je takšen odziv dovolj hiter. Webbovo pozornost si bodo zaslužili le najbolj redki in zanimivi dogodki.

Ščit bo teleskop varoval pred svetlobo in toploto Sonca, Zemlje in Lune. FOTO: Chris Gunn/Nasa

Raznoliki oddaljeni svetovi

Med načrtovanjem Webba pred nekaj manj kot tremi desetletji še nismo vedeli, da okoli drugih zvezd krožijo planeti. Medtem se je veliko spremenilo. Odkrili smo že več kot štiri tisoč eksoplanetov in postalo je jasno, da jih v naši galaksiji mrgoli. Veliko pomembnih informacij o eksoplanetih dobimo prav iz infrardeče svetlobe, zato ni presenetljivo, da bo Webb igral zelo pomembno vlogo tudi na tem področju.

Teleskop ni namenjen iskanju novih, temveč natančnemu opazovanju že znanih eksoplanetov. Prvo leto bodo znanstveniki večino časa namenili manjšemu številu izbrancev. Večina je že starih znancev, ki pa tako ali drugače begajo znanstvenike. Med njimi je tudi Trappist-1, sistem s sedmimi kamnitimi planeti podobne velikosti kot Zemlja. Trije planeti so v območju, kjer bi lahko bila tekoča voda. Webb bo poskušal najti odgovor na vprašanje, ali imajo ti planeti atmosfero, in če jo imajo, iz katerih plinov je sestavljena.

Kako velik je teleskop? Foto Nasa

Mali planeti so na splošno velik hit. Astronomi bodo z Webbom naredili prvi sistematični pregled planetov, ki so večji od Zemlje in manjši od Neptuna. Na drugi strani so planeti velikosti Jupitra, ki krožijo izredno blizu zvezde. Astronomi že dandanes opazujejo atmosfero takšnih vročih Jupitrov, z Webbom pa bodo raziskovanje dvignili na povsem novo raven. Kot zanimivost omenimo vroče planete velikosti Jupitra, a z veliko manjšo maso, ki so kot nekakšne kepe sladkorne pene v vesolju. O teh čudakih se ve bore malo, zato bo vsak pogled v njihovo atmosfero več kot dobrodošel.

Dragoceni teleskop se bo pogosto ozrl tudi k planetom, lunam, asteroidom in kometom našega osončja. Prav tako ga bodo zanimali protoplanetarni diski okoli novorojenih zvezd, v katerih planeti šele rastejo. Prek iskanja vode in zapletenih organskih spojin znanstveniki želijo razumeti procese, ki vodijo do nastanka diskov, planetov in lun ter nenazadnje življenja, kot ga poznamo na Zemlji.

Webb sicer ne bo dal odgovora, ali obstaja življenje tudi drugod, bo pa raziskal, v kakšnih razmerah bi se lahko razvilo, pravi slovenska astrofizičarka. »To seveda ne bo zadosten dokaz, da tam življenje tudi je, bomo pa korak bližje odgovoru na to večno vprašanje.«

Počasen začetek v aktivno desetletje

Webb stopa v velike čevlje. Nasledil in nadgradil bo marsikateri teleskop, kot sta iskalec planetov Kepler in infrardeči Spitzer. In seveda, kdo ne pozna slovitega Hubbla, ki je z osupljivimi posnetki vesolja astronomijo zasidral v naš vsakdanjik in postal sinonim za znanost? A razen pričakovanih prelomnih rezultatov primerjava med teleskopoma ni povsem umestna. Webb ima premer zrcala šest metrov in pol, Hubble pa dva metra in pol. Prvi bo lovil infrardečo svetlobo, medtem ko drugi večinoma opazuje v vidni in ultravijolični. Kljub razlikam in posledično različnim znanstvenim ciljem pa si znanstveniki obetajo, da bosta oba teleskopa sočasno delovala vsaj nekaj let. V zadnjih mesecih se je zdaj že več kot 30-letni Hubble zaradi napak nekajkrat začasno ustavil, vendar ga je znanstvenikom vedno uspelo prižgati nazaj.

Velikost zrcal FOTO: Nasa

»Pravzaprav je Webb pravi naslednik Spitzerja, torej ne Hubbla, saj opazujeta v drugačnih valovnih dolžinah. Gre za komplementarnost. Upam, da bosta oba kar nekaj časa skupaj na nebu, saj bodo podatki kar klicali po dodatnih opazovanjih s Hubblom, ki jih z Webbom ne bomo mogli opraviti,« pojasnjuje Maruša Bradač.

Z Webbom bomo morali biti potrpežljivi. Na lepe slike in znanstvene rezultate bo namreč treba nekoliko počakati, saj bodo prva prava opazovanja stekla šele pol leta po izstrelitvi, torej okoli maja. Pred tem bodo znanstveniki natančno umerili položaje osemnajstih zrcal, ki sestavljajo satovje glavnega zrcala, in preizkušali posamezne instrumente.

Prvo leto delovanja bomo na trnih spremljali zmogljivost teleskopa. »Začetek bo obenem razburljiv in strašljiv,« pravi Marcia ​Rieke. Kljub podrobnim simulacijam znanstveniki do trenutka, ko bodo na Zemljo pritekli prvi podatki, ne bodo vedeli, česa vsega je teleskop sposoben. Zato bo prvo leto namenjeno »varnim« projektom, ki bodo z veliko verjetnostjo privedli do dobrih rezultatov. Čas na teleskopu je dragocen – zahtevnejši in drznejši projekti pridejo na vrsto, ko bodo znanstveniki in inženirji teleskop bolje poznali.

Z vsakim novim revolucionarnim teleskopom ali detektorjem pridejo nepričakovana odkritja. Najbolj zanimiva odkritja Webba bodo verjetno prinesli ravno projekti, ki znanstvenikom sploh še niso prišli na pamet. Vsekakor se z Webbom začenja desetletje, ki bo prineslo marsikaj novega na tem področju. Na trdnih tleh se gradijo teleskopi z več deset metrov širokimi zrcali, Ekstremno velik teleskop, Magellanov in 30-metrski teleskop, ki bodo prvo svetlobo uzrli proti koncu desetletja. Do takrat bodo nared tudi drugi vesoljski teleskopi. In vsi skupaj nam bodo postregli s podatki o čudesih, ki jih vesolje zdaj še skriva.