Waarom NASA’s James Webb Space Telescope zo belangrijk is

  • Bron: Quantamagazine.org
  • Bron: NASA.gov

De James Webb-ruimtetelescoop is ontworpen om antwoord te geven op veel van de kernvragen die astronomen de afgelopen halve eeuw hebben beziggehouden. Met een prijskaartje van $ 10 miljard is het een van de meest ambitieuze technische initiatieven die ooit zijn geprobeerd. Maar om zijn potentieel te bereiken – niets minder dan de geschiedenis van de kosmos te herschrijven en de positie van de mensheid daarin te hervormen – moeten veel dingen precies goed werken.

De James Webb-ruimtetelescoop belooft een revolutie teweeg te brengen in ons begrip van verre planeten en diepe tijd.

Om terug te kijken in de tijd naar de kindertijd van de kosmos en getuige te zijn van de eerste sterren die opflikkeren, moet je eerst een spiegel zo groot als een huis slijpen. Het oppervlak moet zo glad zijn dat, als de spiegel de schaal van een continent zou zijn, er geen heuvel of dal groter zou zijn dan enkelhoogte. Alleen een spiegel die zo groot en glad is, kan het zwakke licht opvangen en focussen dat afkomstig is van de verste sterrenstelsels aan de hemel – licht dat zijn bron lang geleden heeft verlaten en daarom de sterrenstelsels laat zien zoals ze er in het verre verleden uitzagen, toen het universum jong was. De allerzwakste, verste sterrenstelsels die we nog in het geboorteproces zouden zien, wanneer mysterieuze krachten in het donker samenzweren en de eerste sterrenoogsten begonnen te schijnen. 

Maar om dat vroege hoofdstuk in de geschiedenis van het heelal te lezen – om de aard van die eerste, waarschijnlijk gigantische sterren te leren kennen, om meer te weten te komen over de onzichtbare materie waarvan de zwaartekracht hen tot bestaan ​​heeft gebracht, en over de rol van magnetisme en turbulentie, en hoe enorme zwarte gaten groeiden en baanden zich een weg naar de centra van sterrenstelsels – een uitzonderlijke spiegel is lang niet genoeg.

De reden dat niemand het tijdperk van de vorming van sterrenstelsels heeft gezien, is dat het oude sterlicht, na zoveel miljarden jaren naar ons toe te hebben gereisd door het zich uitbreidende weefsel van de ruimte, is uitgerekt. Ultraviolet en zichtbaar licht dat door de verste sterren aan de hemel wordt uitgestoten, strekte zich tijdens de reis hierheen uit tot ongeveer 20 keer langere golflengten en werd infrarode straling. Maar infrarood licht is het soort atoom-wiebelend licht dat we warmte noemen, dezelfde warmte die uitstraalt van ons lichaam, de atmosfeer en de grond onder onze voeten. Helaas overspoelen deze lokale warmtebronnen de erbarmelijke vlammen van oersterren. Om die sterren waar te nemen, moet de telescoop met zijn grote perfecte spiegel erg koud zijn. Het moet de ruimte in worden gelanceerd. 

De vangst is dat een spiegel ter grootte van een huis te groot is om in een raketstroomlijnkap te passen. De spiegel moet dus kunnen opklappen. Een spiegel kan alleen vouwen als hij gesegmenteerd is – als het, in plaats van een enkel, ononderbroken oppervlak, een honingraatarray van spiegelsegmenten is. Maar om gezamenlijk scherpe beelden te creëren, moeten de spiegelsegmenten, nadat ze zich autonoom in de ruimte ontvouwen, vrijwel perfect uitgelijnd zijn. Spectaculair nauwkeurige motoren zijn nodig om een ​​goede focus te bereiken – motoren die elk spiegelsegment kunnen duwen met stappen van de helft van de breedte van een virus totdat ze allemaal op hun plaats zijn.

De geassembleerde telescoop staat hoog met zijn spiegel opgevouwen in de faciliteit van Northrop Grumman in Californië.

Het vermogen om zwakke infraroodbronnen te zien, geeft je niet alleen toegang tot het vormende hoofdstuk van het universum – ruwweg de periode van 50 miljoen tot 500 miljoen jaar na de oerknal – het zou ook andere, aantoonbaar net zo belangrijke aspecten van de kosmos onthullen , van eigenschappen van planeten ter grootte van de aarde die om andere sterren draaien tot de veelbesproken snelheid waarmee de ruimte uitdijt. Maar om de telescoop te laten werken, is er nog een element nodig, naast een onberispelijke spiegel die zich autonoom ontvouwt en scherpstelt nadat hij in de lucht is geschoten. 

Zelfs in de ruimte verwarmen de aarde, de maan en de zon de telescoop nog steeds te veel om de vage twinkeling van de meest verre structuren in de kosmos waar te nemen. Tenzij, dat wil zeggen, de telescoop naar een bepaalde plek gaat die vier keer verder van de aarde verwijderd is dan de maan die Lagrange-punt 2 wordt genoemd. Daar liggen de maan, de aarde en de zon allemaal in dezelfde richting, waardoor de telescoop alle drie de lichamen op een keer door het plaatsen van een zonnescherm ter grootte van een tennisbaan. Op deze manier in de schaduw gesteld, kan de telescoop eindelijk een diepe kou ingaan en eindelijk de zwakke hitte van de kosmische dageraad detecteren. 

Het zonnescherm is zowel de enige hoop van een infraroodtelescoop als zijn achilleshiel.

Om zich tot voldoende grote proporties te ontvouwen zonder een raket te verzwaren, moet het zonnescherm uit dunne stof bestaan. (Het hele observatorium, inclusief de spiegels, camera’s en andere instrumenten, de zenders en de stroombronnen, moet trouwens maar ongeveer 2% van de typische massa van een grote telescoop op de grond hebben.) Nog niets over het bouwen van een reus lichtgewicht ruimtevaartuigen met infrarooddetectie zijn eenvoudig, maar het onvermijdelijke gebruik van stof maakt het tot een inherent risicovolle aangelegenheid. Stof is, zeggen ingenieurs, “niet-deterministisch”, zijn bewegingen zijn onmogelijk perfect te controleren of te voorspellen. Als het zonnescherm blijft haken terwijl het zich ontvouwt, verandert de hele telescoop in ruimteafval. 

Momenteel is de telescoop – die ongelooflijk is gebouwd – opgevouwen en klaar om bovenop een Ariane 5-raket te worden geplaatst. De lancering van de raket is gepland voor 22 december vanaf Kourou, Frans-Guyana, meer dan 30 jaar nadat zijn nuttige lading, de James Webb Space Telescope (JWST), voor het eerst werd bedacht en geschetst. De telescoop loopt 14 jaar achter op schema en 20 keer boven het budget. “We hebben zo hard mogelijk gewerkt om al onze fouten op te sporen en te testen en te oefenen”, zegt John Mather, de Nobelprijswinnende astrofysicus die al 25 jaar hoofdwetenschapper is van het door NASA geleide project. Nu zei hij, “we gaan onze telescoop van een miljard dollar bovenop een stapel explosief materiaal plaatsen” en de zaak aan het lot overlaten.

Video : De James Webb-ruimtetelescoop is als niets dat ooit in de ruimte is gelanceerd. 
Het zou de allereerste sterren van het universum kunnen verkennen, bewijs van buitenaards leven kunnen ontdekken – of letterlijk een addertje onder het gras kunnen raken en waardeloos worden.
Emily Buder /Quanta Magazine

Het verhaal van de ontwikkeling van JWST in de afgelopen drie decennia loopt parallel met de enorme vooruitgang die we hebben geboekt in ons begrip van de kosmos, niet in de laatste plaats vanwege de voorgangers van Webb. Met de Hubble-ruimtetelescoop hebben we geleerd dat sterren, sterrenstelsels en superzware zwarte gaten veel eerder in de kosmische geschiedenis bestonden dan iemand had verwacht, en dat ze sindsdien een radicale verandering hebben ondergaan. We hebben geleerd dat donkere materie en donkere energie de kosmos vormgeven. Met de Kepler-telescoop en anderen hebben we gezien dat allerlei soorten planeten sterrenstelsels versieren als kerstballen op kerstbomen, inclusief miljarden potentieel bewoonbare werelden in onze Melkweg alleen. Deze ontdekkingen hebben vragen doen rijzen die de James Webb Space Telescope kan beantwoorden. Astronomen hopen ook dat, net als bij andere telescopen, de waarnemingen nieuwe vragen zullen oproepen. 

De lancering zal beginnen met wat de astronoom Natalie Batalha “zes maanden van spelden en naalden” noemde, terwijl de verbluffend complexe telescoop zal proberen zichzelf in honderden stappen te ontvouwen en scherp te stellen. Het observatorium zal een maand lang 1 miljoen mijl naar Lagrange punt 2 drijven. Onderweg zal het veranderen in een hemelse waterlelie, waarbij zijn gigantische bloesem van vergulde spiegelsegmenten bovenop een nog groter bladzilver zal worden geplaatst.

“Het wordt ons eigen ‘durf machtige dingen’-moment”, zegt Grant Tremblay, een astrofysicus aan de Harvard University die lid was van de tijdtoewijzingscommissie van de telescoop. “Het gaat geweldige dingen doen. We zullen in The New York Times praten over hoe dit getuige is van de geboorte van sterren aan de rand van de tijd, dit is een van de vroegste sterrenstelsels, dit is het verhaal van andere aardes.” 

‘Alsjeblieft, werk,’ voegde Tremblay eraan toe, terwijl zijn ogen omhoog fladderden.

Van glad tot klonterig 

De laatste keer dat NASA een observatorium van dergelijke betekenis lanceerde – de Hubble Space Telescope, in 1990 – was een ramp. “Absoluut catastrofaal”, de ervaren astronoom Sandra Faberheeft me verteld. Faber zat in het team dat kampeerde bij NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, om de aandoening te diagnosticeren. Uit de manier waarop een ster in een van Hubble’s foto’s eruitzag als een ring, leidden zij en een collega af dat de hoofdspiegel – de grote, holle spiegel die licht weerkaatste naar een secundaire spiegel die het vervolgens weerkaatste op een cameralens – niet was geslepen tot een behoorlijke holte om het licht te focussen; het was een halve golflengte te dik rond de rand. Als de primaire en secundaire spiegels vóór de lancering samen waren getest, zou deze aberratie zijn opgemerkt, maar in de haast om de lang uitgestelde en te dure telescoop omhoog te krijgen, is die test nooit gebeurd.

Sommige NASA-leiders riepen op om de telescoop te verlaten, wat al een controversieel project was. In plaats daarvan zorgde senator Barbara Mikulski van Maryland voor het geld voor een reddingsmissie. Het was mogelijk om het te repareren omdat Hubble, als optische telescoop die gevoelig is voor de kleuren van de regenboog in plaats van voor infrarood licht, een duidelijk beeld kan krijgen vanuit een lage baan om de aarde, slechts 340 mijl omhoog, in plaats van een miljoen mijl weg te moeten reizen . In 1993 meerde de spaceshuttle aan bij Hubble en installeerden astronauten een soort contactlens. De telescoop zou een revolutie teweegbrengen in de astronomie en kosmologie.

Beelden van het sterrenstelsel M100 gemaakt door de Hubble-ruimtetelescoop voor en nadat astronauten in december 1993 een corrigerende lens op de hoofdspiegel van de telescoop installeerden. (NASA

Misschien wel de belangrijkste vraag over het universum voor een groot deel van de 20e eeuw was of het een begin had of dat het altijd zo is geweest. Voor de Britse kosmoloog Fred Hoyle en andere gelovigen in de laatste “steady state”-theorie, “was de dwingende logica eenvoud”, zei Jay Gallagher, een astronoom en emeritus hoogleraar aan de Universiteit van Wisconsin, Madison. “Dat er op een gegeven moment iets veranderde en het universum materie creëerde, waarom moest dat?” Hoyle, de voorstander van een stabiele toestand, schreef het geloof van zijn rivalen in de ‘Big Bang’ (zoals hij het noemde) toe aan de invloed van het boek Genesis.

Toen kwam er gesis in een radioantenne bij Bell Labs in New Jersey in 1964. Het gesis werd opgewekt door microgolven die van overal in de lucht kwamen, precies zoals voorspeld door de oerknaltheorie. (Het licht kwam vrij in een vroege faseovergang toen het hete, dichte universum afkoelde.) De ontdekking van de kosmische microgolfachtergrond, zoals het werd genoemd, maakte niet meteen een einde aan het debat – mensen in een stabiele toestand zoals Hoyle wantrouwden de interpretatie ervan en klampten zich eraan vast. nog vele decennia aan hun theorie. Maar voor anderen, die het nagloeien van de oerknal herkenden toen ze het zagen, creëerde de CMB een puzzel. De bijna perfecte uniformiteit van microgolven die uit alle delen van de lucht kwamen, gaf aan dat het pasgeboren universum verbazingwekkend glad was – een puree van materie. “Het raadsel is dat we tegenwoordig een heel klonterig universum zien”, zei Faber, die eind jaren ’60 een afgestudeerde student was die sterrenstelsels bestudeerde. “Dus de eerste uitdaging bij het begrijpen van sterrenstelsels is om te begrijpen hoe het universum van glad naar klonterig gaat.”

Kosmologen wisten dat atomen door de zwaartekracht geleidelijk aan samengeklonterd moeten zijn en uiteindelijk uiteenvallen in structuren zoals sterren en sterrenstelsels. Maar op papier leek het erop dat de groei van de structuur buitengewoon traag zou zijn geweest. Niet alleen was materie aanvankelijk soepel verdeeld, en dus in geen bepaalde richting getrokken door de zwaartekracht, maar de uitdijing van de ruimte en de druk gecreëerd door licht zelf zouden beide hebben gewerkt om materie te scheiden, en de zwakke aantrekkingskracht ervan tegen te gaan. 

Samuel Velasco . Afbeelding van Quantamagazine.org

Voer donkere materie in. In de jaren zeventig merkte Vera Rubin van het Carnegie Institute of Washington op dat de buitenwijken van sterrenstelsels veel sneller roteren dan verwacht, alsof ze rondgeslingerd werden door een extra, onzichtbare zwaartekrachtsbron. Dit bewijs voor substantieel ontbrekende materie in en rond sterrenstelsels, donkere materie genoemd, kwam overeen met Fritz Zwicky’s waarnemingen uit de jaren dertig dat sterrenstelsels elkaar meer lijken aan te trekken dan ze zouden moeten op basis van alleen hun lichtgevende materie. Ook in de jaren ’70 berekenden Jim Peebles en Jerry Ostriker van Princeton University dat roterende galactische schijven die alleen uit sterren, gas en stof bestaan, onstabiel zouden worden en tot bollen zouden opzwellen; zij stelden dat onzichtbare materie een sterkere zwaartekrachtbron moet creëren waarbinnen de zichtbare schijf roteert. In 1979 schreven Faber en Gallagher:een invloedrijk artikel dat al het bewijs voor donkere materie verzamelde, dat ze koppelden aan ongeveer 90% van de materie in het universum. (De huidige schatting is ongeveer 85%.) 

Deze onderzoekers realiseerden zich dat donkere materie, met zijn aanzienlijke zwaartekracht en ondoordringbaarheid voor de druk van licht, zich relatief snel in het vroege heelal had kunnen ophopen. Peebles, die de helft van de Nobelprijs voor natuurkunde 2019 wonvoor zijn bijdragen aan de kosmologie, ontwikkelde hij een kwalitatief beeld waarin donkere-materiedeeltjes zouden zijn samengesmolten tot klonten (bekend als halo’s) die vervolgens werden samengevoegd tot grotere en grotere klonten. De Britse astrofysicus Simon White demonstreerde dit ‘hiërarchische clustering’-proces in primitieve computersimulaties uit de jaren 80. Hoewel zichtbare materie in die tijd te ingewikkeld was om te simuleren, vermoedden onderzoekers dat de conglomererende donkere materie lichtgevende materie zou hebben meegebracht voor de rit: opeengepakt in halo’s van donkere materie zouden atomen tegen elkaar zijn gestoten, opgewarmd, naar het centrum gezonken en uiteindelijk stortte door de zwaartekracht in tot sterren en schijfvormige sterrenstelsels.

Hoewel de meeste kosmologen overtuigd raakten van dit beeld, was een grote vraag hoe variaties in de dichtheid van materie zich aanvankelijk voordeden, waardoor het zwaartekrachtclusteringsproces een vliegende start maakte. “Mensen hadden geen duidelijk idee van wat redelijke initiële voorwaarden waren voor de vorming van een kosmische structuur”, vertelde White, die nu met pensioen is en in Duitsland woont, me via Zoom. “Je zou deze simulaties kunnen draaien, maar je had in het begin geen idee wat je moest invoeren.” 

‘SPECTACULAIRE REALISATIE’, krabbelde de kosmoloog Alan Guth in 1979 in zijn notitieboekje. Hij had berekend dat als de ruimte plotseling zou opblazen als het oppervlak van een ballon aan het begin van de oerknal, dit zou verklaren hoe het zo groot, glad en vlak. Kosmische inflatie , zoals Guth de oorspronkelijke groeispurt noemde, werd al snel populair als een oerknal-add-on. Kosmologen merkten al snel opdat, tijdens inflatie, kwantumfluctuaties in het weefsel van de ruimte zouden zijn ingevroren toen de ruimte opblies, waardoor subtiele dichtheidsvariaties door het universum zouden ontstaan. De vermeende dichte plekken die door inflatie werden gecreëerd, hadden kunnen dienen als de kiem voor toekomstige structuren. 

Deze kleine variaties in dichtheid werden inderdaad in het begin van de jaren negentig gemeten in de CMB – de prestatie die John Mather, de topwetenschapper van de Webb-telescoop, zijn Nobel opleverde. Maar zelfs voordat ze werden gemeten, werkten mensen als Faber de dichte plekken in het perceel. In 1984 publiceerden zij en drie co-auteurs een artikel in Nature waarin alles op een rijtje werd gezet. “Het is de eerste beschrijving van hoe inflatie fluctuaties kan veroorzaken en wat de fluctuaties later zouden doen om sterrenstelsels te maken,” zei ze.

Maar het verhaal was van begin tot eind speculatief. En zelfs als het in grote lijnen waar was, waren de belangrijkste data en details onbekend. 

Een van de meest indrukwekkende ontdekkingen van de Hubble-telescoop en een belangrijke stimulans voor de bouw van zijn opvolger, de Webb, vond plaats in 1995, twee jaar nadat de corrigerende lens was geïnstalleerd. Bob Williams, destijds de directeur van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, het operatiecentrum voor Hubble zoals het voor Webb zal zijn, besloot op voorstel van enkele postdocs om alle 100 uur van zijn ‘vrije tijd van de directeur’ te besteden, waarmee hij kon Hubble richten waar hij maar wilde, naar niets wijzend – een donker, karakterloos klein stukje lucht smaller dan een miniatuurmaan. Het idee was om te zoeken naar ongelooflijk zwakke, verre objecten die zich mogelijk buiten het bereik van minder gevoelige telescopen hadden verstopt. 

Collega’s vonden dit zonde. Wijlen John Bahcall probeerde Williams uit zijn hoofd te praten. Bahcall en zijn vrouw, Neta Bahcall, bekende astrofysici, waren typerend in het denken dat structuren zoals sterren en sterrenstelsels relatief laat in de kosmische geschiedenis zijn ontstaan. Als dat zo is, zou het niet werken om vage, verre objecten van lang geleden op te lossen, omdat er geen zouden bestaan. De Bahcalls en vele andere theoretici dachten dat de foto van Williams er donker uit zou komen te zien.

Maar tijdens de 100 uur durende belichting ging het deksel van een schatkist open: de kleine rechthoek van de ruimte schitterde met duizenden sterrenstelsels in alle vormen, maten en tinten. Astronomen waren stomverbaasd.

Robert Williams en het Hubble Deep Field Team ( STScI ) en  NASA / ESA)

De Hubble Deep Field-foto, die in december 1995 in 10 dagen werd genomen, onthulde ongeveer 3.000 sterrenstelsels binnen een stukje hemel ongeveer een twaalfde van de breedte van de maan.

Verder weg gelegen sterrenstelsels op de Hubble Deep Field-foto lijken roder, omdat hun licht langer door de uitdijende ruimte heeft gereisd om hier te komen en daarom is uitgerekt of “roodverschoven” naar langere golflengten. Door deze kleurcodering biedt het Deep Field-beeld een 3D-weergave van de kosmos en een tijdlijn van de evolutie van sterrenstelsels. Sterrenstelsels verschijnen in alle leeftijden en ontwikkelingsstadia – een bewijs dat het universum in de loop van de tijd radicaal is veranderd. “Uit het raam verdwenen, om nooit meer iets van te horen, was de steady-state-theorie”, zei Faber. “Dat was een grote intellectuele doorbraak, dat je één foto kon maken met een telescoop, je kon terugkijken in de tijd en je kon zien dat het universum toen een ander beest was.” 

De foto toonde aan dat heldere objecten zich veel sneller in het universum vormden dan de meeste experts hadden verwacht. Dit versterkte de theorie dat ze niet alleen op de kracht van hun zwaartekracht zijn ontstaan, maar op de ruggen van samensmeltende halo’s van donkere materie werden gedragen. 

Sterrenstelsels in vroegere tijden zagen er vreemd uit – klein en slordig, als lelijke eendjes die er miljarden jaren over zouden doen om uit te groeien tot zwanen. “Het prachtige universum met de prachtige [spiraalvormige en elliptische sterrenstelsels] van vandaag is eigenlijk een beetje een late ontwikkeling,” zei Faber, “en ook dat was zichtbaar op de foto.” Sommige melkwegstelsels van eendjes botsten en versmelten, wat de hiërarchische theorie van clustering van kosmische structuurgroei ondersteunt. En groepjes sterren in de sterrenstelsels van lang geleden waren verrassend helder, wat aangeeft dat de sterren veel massiever en helderder waren dan moderne, zonachtige sterren. 

Astronomen merkten op dat de meeste sterrenstelsels de maximale helderheid bereikten en sterren het snelst vormden, rond “roodverschuiving 2” – de afstand waarvan het licht is uitgerekt tot tweemaal de uitgezonden golflengte tegen de tijd dat het hier aankomt, wat overeenkomt met ongeveer 2 miljard jaar na de oerknal. Daarna werden veel sterrenstelsels gedimd, om redenen waarvan nu wordt aangenomen dat ze verband houden met de mysterieuze superzware zwarte gaten die in de centra van sterrenstelsels groeien. 

Het meest opvallende aan de tijdlijn van de evolutie van sterrenstelsels die zichtbaar is op de Deep Field-foto, was echter dat er geen begin in zicht is. Voor zover Hubble’s glazen oog kon zien, waren er sterrenstelsels. Op nog diepere foto’s die zijn gemaakt met verbeterde camera’s die astronauten later op de telescoop installeerden, zijn lichtvlekken voorlopig waargenomen tot ver van roodverschuiving 10, wat overeenkomt met ongeveer 500 miljoen jaar na de oerknal. Het wordt nu waarschijnlijk geacht dat structuren honderden miljoenen jaren daarvoor begonnen te vormen.

Maar sterrenstelsels die zich aan het vormen zijn, waarbij hun materie op de een of andere manier voor het eerst in sterren uiteenvalt, zijn zowel te ver als te zwak voor Hubble om te detecteren, en te roodverschoven: het licht van deze sterrenstelsels is recht uit het zichtbare deel van de elektromagnetisch spectrum en in het infrarood. Om ze te zien, hebben we een grotere, infrarood-gevoelige telescoop nodig.

“Wat Hubble is gelukt met het Hubble Deep Field, is ontdekken dat er sterrenstelsels waren met een veel grotere roodverschuiving dan we dachten”, vertelde Neta Bahcall me. “Een vraag voor James Webb is wanneer het begon en hoe het zo vroeg begon.”

Planeten uit de Wazoo

In oktober 1995, twee maanden voordat Hubble naar niets staarde en een glimp opvangde van de geschiedenis van de tijd, kondigde de Zwitserse astronoom Michel Mayor nog een belangrijke ontdekking aan op een conferentie in Florence, Italië: hij en zijn afgestudeerde student, Didier Queloz, hadden een planeet gezien die in een baan om een ​​andere ster.

Achter in de aula tijdens de toespraak van de burgemeester, verzuimde Natalie Batalha, toen een afgestudeerde studente uit Californië, het belang van wat ze zojuist had gehoord te onderkennen. “Het is grappig hoe deze dingen gebeuren, want achteraf gezien was het een cruciaal moment”, zei Batalha onlangs, omlijst door drie planeten die op haar virtuele achtergrond rond een ster draaien. “Het was het begin van dit nieuwe tijdperk van verkenning van exoplaneten, maar het was ook een transformerend moment in mijn leven, en ik wist het nog niet.”

In die tijd was het zoeken naar exoplaneten een wetenschappelijke opstuwing, en de methode van burgemeester en Queloz leek een schot in de roos. Met behulp van een spectrograaf, die sterlicht splitst in zijn kleurcomponenten, volgden ze meer dan 100 zonachtige sterren in de hoop een Dopplerverschuiving te detecteren, waarbij een object er blauwer of roder uitziet wanneer het respectievelijk nadert of terugwijkt. Dit zou erop kunnen wijzen dat de ster wiebelt omdat hij wordt verstoord door de zwaartekracht van een in een baan om de aarde draaiende planeet. De techniek leek vergezocht omdat een planeet belachelijk zwaar en dicht bij zijn moederster zou moeten zijn om de ster voldoende te laten wiebelen om met de best beschikbare spectrografen te kunnen worden gezien. Maar toen Mayor en Queloz naar 51 Pegasi keken, een zonachtige ster op 50 lichtjaar afstand, was de wiebeling enorm: andere mogelijkheden eliminerend, stelden ze vast dat een planeet ter grootte van Jupiter eens in de 4,2 dagen rond de ster zwaait, acht keer dichterbij dan De afstand van Mercurius tot onze zon.

Burgemeester en Queloz hadden niet alleen een exoplaneet ingepakt (en uiteindelijk de andere helft van de Nobelprijs voor natuurkunde 2019, gedeeld met Peebles), de planeet zelf, 51 Pegasi b, had in zijn eentje het begrip van het leerboek van wat zonnestelsels zijn op zijn kop gezet Leuk vinden. Zoals de planetaire wetenschapper Heidi Hammel het uitdrukte: “We hadden een prachtig sprookje geleerd over hoe ons zonnestelsel is gevormd”, een sprookje dat bedoeld was om te verklaren waarom rotsachtige planeten dicht bij een ster liggen terwijl gigantische gas- en ijsplaneten zich ver weg vormen. Dus wat was 51 Pegasi b, een ‘hete Jupiter’, bezig zijn zon praktisch te laten grazen? 

Batalha herinnert zich de reactie van het publiek in Florence op de presentatie van de burgemeester: stilte. Maar al snel maakte scepsis plaats voor meer ontdekkingen van hete Jupiter. En naarmate telescopen en technieken verbeterden, kwamen ook andere exoplaneten tevoorschijn. Zestien jaar na die dag in Florence zou Batalha het NASA-team leiden dat de eerste bevestigde rotsachtige exoplaneet Kepler 10b ontdekte.

Natalie Batalha, een astronoom aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, leidde het team dat de eerste rotsachtige exoplaneet ontdekte. 
Ze zal toezicht houden op enkele van JWST’s eerste exoplaneetwaarnemingen.
* Een foto van Quantamagazine.org gemaakt door Marcos Rocha

Batalha (toen Natalie Stout), die opgroeide in de East Bay in Californië, dacht nauwelijks aan wetenschap, hoewel ze op 17-jarige leeftijd heel blij was met Sally Ride’s reis naar de ruimte in 1983. Hoewel geen van haar ouders naar de universiteit ging, werd ze aangenomen op de University of California, Berkeley, betreedt een bedrijfskundige. Maar toen ze een weekend in het tweede jaar de was aan het doen was, herinnert ze zich dat ze plotseling tegen zichzelf zei: ‘Vergeet talent, middelen. Als ik iets ter wereld zou kunnen doen, wat zou dat dan zijn?’ En verrassend genoeg kwam het antwoord meteen bij mij, en het was om te werken voor het ruimteprogramma.

Ze schreef zich in voor een natuurkundeles. Ze worstelde, maar vond het geweldig. Dat alledaagse gebeurtenissen konden worden verklaard met wiskundige vergelijkingen “gaven betekenis aan mijn leven”, zei Batalha. “Het deed me mijn plaats in het universum anders zien. Ik dacht dat als je een vergelijking zou kunnen schrijven om de interferentie van dunne films te verklaren” – de reden waarom olieachtige plassen regenboogglans veroorzaken – “welke grens er is aan wat we kunnen weten over de natuurlijke wereld?” 

Batalha dacht dat ze wetenschap op de een of andere manier met zaken zou combineren. Ze bleef lessen volgen en liep toen een zomerstage bij de Wyoming Infrared Observatory, een van de weinige infraroodtelescopen op de grond. Toen ze daar aankwam, vertelde ze haar adviseur en cohort dat ze niet was zoals zij, dat ze niet van plan was wetenschapper te worden. Maar toen haar adviseur haar een probleem gaf om aan te werken en ze het oploste, wat later leidde tot een publicatie, zei hij tegen haar “om mezelf niet te kort te doen,” zei ze, en om op Gibor Basri’s deur te kloppen als ze terug was in Berkeley .

Basri, een sterrenastronoom, zette haar aan het werk om sterspectra te analyseren. Het ervaren van de wetenschappelijke methode uit de eerste hand hakte haar. Ze werd ook verliefd op haar kantoorgenoot, Basri’s postdoc, Celso Batalha. Ze trouwde met hem, studeerde astronomie aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, en kreeg snel achter elkaar een zoon, Nolan, en een dochter, Natasha. Er zouden nog twee kinderen volgen. In die jaren verhuisden zij en Celso Batalha, die Braziliaans is, het gezin heen en weer tussen Californië en Rio de Janeiro. Het leven in Rio was mooi maar ingewikkeld; ze herinnert zich dat ze langs een aantal sloppenwijken reed en een verkoold lijk aan de kant van de weg zag. Ze vestigden zich uiteindelijk in de Bay Area. 

Omdat ze zichzelf in de eerste plaats als een moeder beschouwde die astronomie deed, ging Batalha nooit naar conferenties. Maar toen ze werd uitgenodigd om nieuwe gegevens over stervlekken te presenteren tijdens een stellaire spectroscopiebijeenkomst in Wenen in de herfst van 1995, maakte ze een uitzondering en nam ze haar ouders mee naar Europa om op haar jongste kind te passen. Ze besloot te blijven voor een andere conferentie over planeten die de volgende week in Florence zou plaatsvinden. Op de laatste dag van de tweede conferentie zag Batalha een tv-camera staan ​​opgesteld voor een lezing die op het laatste moment aan het programma was toegevoegd. “Dan staat Michel Mayor op en praat zo nonchalant over deze ontdekking van de planeet,” zei ze. 

Aanvankelijk dacht Batalha weinig aan de pas ontdekte hete Jupiter en bleef hij stervlekken in Santa Cruz bestuderen. Ongeveer een jaar later hoorde ze over Bill Borucki, een wetenschapper bij NASA’s Ames Research Center in Silicon Valley, die vastbesloten was een ruimtetelescoop te bouwen die rotsachtige exoplaneten ter grootte van de aarde kon detecteren, niet alleen gasreuzen. Borucki was van plan de transitmethode te gebruiken: in plaats van veranderingen in de kleur van het sterlicht te volgen, zoals burgemeester en Queloz hadden gedaan, zou hij zoeken naar periodieke dalingen in de intensiteit van het sterlicht, veroorzaakt door een in een baan om de ster draaiende planeet die een klein beetje blokkeert. van zijn licht.

Batalha dacht niet dat dit zou werken. Stervlekken zijn, zoals ze toevallig wist, ongeveer even groot als de aarde. Dus dacht ze dat een kleine transiterende planeet niet te onderscheiden zou zijn van een stervlek die ronddraait op een roterende ster. Ze schreef Borucki over het probleem. Hij schreef terug en zei dat NASA zijn voorstel gedeeltelijk om die reden had afgewezen, en zou ze met hem komen werken in Ames om erachter te komen hoe sterrenvlekken kunnen worden onderscheiden van rotsachtige werelden? 

Dat zou ze doen, en dat deden ze. De volgende keer verlichtte NASA Borucki’s voorstel en werd Batalha een projectwetenschapper. De Kepler Space Telescope – ontworpen door Borucki en zijn team om continu de helderheid van ongeveer 150.000 sterren te bewaken op zoek naar de dips van transiterende planeten – werd in maart 2009 gelanceerd. De Batalhas namen alle vier de kinderen mee naar Cape Canaveral, Florida, voor de lancering .

Samuel Velasco / Quanta Magazine; Bron: NASA

Kepler afgeleverd op planeten ter grootte van de aarde. “Kepler 10b werd geïdentificeerd in de eerste 10 dagen aan gegevens die we van het ruimtevaartuig kregen”, zei Batalha. Toen ze de helderheid van de gastster in de loop van de tijd in een grafiek uitzetten, was de dip zichtbaar voor het oog. Vervolgobservaties vanaf de grond bevestigden dat het een echte planeet was die, op basis van zijn massa en straal, rotsachtig moest zijn. Batalha presenteerde de ondubbelzinnige detectie in januari 2011, na een meer voorzichtige claim van een rotsachtige exoplaneet genaamd CoRoT-7b door astronomen in Europa. Noch Kepler 10b noch CoRoT-7b verdienden de felbegeerde aanduiding “aardachtig”, omdat ze in de buurt van hun moederster cirkelden in plaats van in de “bewoonbare zone”, waar water vloeibaar is. (De eerste rotsachtige, waterige en potentieel aardachtige planeet, Kepler 186f, haalde de krantenkoppen in 2014. Batalha was formeel niet betrokken bij de analyse.)

De Kepler-telescoop ontdekte, voordat hij voortijdig werd gehinderd door het uitvallen van twee van zijn motoren, meer dan 2.600 exoplaneten. In totaal zijn er meer dan 4.500 geteld, voldoende voor astronomen om hun statistische eigenschappen te bestuderen. Zoals 51 Pegasi b had gesuggereerd, is ons zonnestelsel atypisch. Het meest voorkomende type planeet in de melkweg is bijvoorbeeld een grootte die we niet hebben, tussen rotsachtige planeten en reuzen. Planetaire astronomen begrijpen nog niet het overschot van deze zogenaamde superaarde of sub-Neptunus, of hoe deze middelgrote planeten eruit zien, of hoe ze ontstaan. Nieuwe principes van planeetvorming en evolutie zijn nodig.

Door de gegevens tot nu toe te extrapoleren, denken onderzoekers dat onze melkweg miljarden rotsachtige, waterige planeten bevat, wat suggereert dat ook leven heel gewoon kan zijn. Totdat we bewijs vinden van leven dat daadwerkelijk een andere planeet bewoont, blijft het echter mogelijk dat de opkomst op aarde een toevalstreffer was en dat we alleen zijn. 

Gelukkig zal de Webb-telescoop krachtig genoeg zijn om de atmosferen en klimaten van andere aardes te onderzoeken – of zelfs, als we veel geluk hebben, bewijs vinden van een echte buitenaardse biosfeer.

“Infrarood is fantastisch voor exoplaneten,” zei Batalha.

Eén slag en je bent eruit 

Op een ochtend in 1987 vroeg de astrofysicus Riccardo Giacconi, die toen directeur was van het Space Telescope Science Institute (STScI) en van de nog te lanceren Hubble, plaatsvervangend directeur Garth Illingworth om na te denken over de opvolger van Hubble. “Mijn onmiddellijke reactie is: ‘Argh, we hebben Hubble nog niet eens gelanceerd, en we hebben daar een miljoen dingen te doen – het heeft grote problemen – dus hoe kunnen we dit ook doen?'” Illingworth herinnerde zich kort geleden. “Hij zei: ‘Geloof me, je moet vroeg beginnen, want ik weet dat het eeuwen duurt om dit te doen.'” Hubble was in ontwikkeling sinds ongeveer 1970, in de beginjaren aangevoerd door de NASA-astronoom Nancy Roman na tientallen jaren van campagne voeren door Lyman Spitzer van Princeton; ze staan ​​bekend als de moeder en vader van Hubble.

Illingworth, die uit Australië komt, kwam samen met zijn STScI-collega’s Pierre Bely uit Frankrijk en Peter Stockman uit de VS om te brainstormen over de volgende generatie ruimtetelescoop. Ze hadden eigenlijk niets te doen. “We begonnen na te denken over wat goed zou zijn om verder te gaan dan Hubble en om wat het ook deed aan te vullen en nieuwe gebieden te verkennen,” zei Illingworth, “en de IR was een duidelijk gebied.” Infrarood licht is onbetaalbaar vanaf de grond waar te nemen. Het trio dacht dat er in de ruimte, waar de infrarode achtergrond meer dan 1 miljoen keer lager is, genoeg te zien zou zijn. “Als je een krachtige nieuwe mogelijkheid op de markt brengt, open je een immens aantal wetenschappelijke horizonten.” 

Om een ​​IR-telescoop zo gevoelig te maken als Hubble, die een 2,4 meter brede primaire spiegel heeft, realiseerden Illingworth, Bely en Stockman zich dat hij aanzienlijk groter zou moeten zijn, omdat hij grotere golflengten detecteert. Ze waren van mening dat de spiegel misschien zou moeten opvouwen om in een raket te passen. Ze wisten ook dat het koud moest zijn, anders zou de hitte zijn eigen sensoren verzadigen. In plaats van de telescoop actief te koelen, dachten ze de extreme ijskou van de ruimte te benutten door de hitte van de aarde, de maan en de zon te blokkeren. Hun vage concept van een grote, passief gekoelde infraroodtelescoop, uitgebreid uitgewerkt, zou de lading worden die nu wacht op lancering in Kourou.

Toonaangevende astronomen kwamen in 1989 bij STScI bijeen om de wetenschap te bespreken waar een infrarood-ruimtetelescoop goed voor zou kunnen zijn. De discussies vertraagden tijdens Hubble’s rampzalige start en redding, en kwamen halverwege de jaren ’90 weer op gang. In 1995 kreeg John Mather, een hoffelijke, vriendelijke astrofysicus bij het Goddard Space Flight Center een telefoontje van het NASA-hoofdkwartier met de vraag of hij mee wilde doen aan het project. Hij realiseerde zich dat een infraroodtelescoop “zoveel zou doen voor zoveel mensen”, liet hij alles vallen en meldde zich aan. Sindsdien is hij JWST’s topwetenschapper. 

Mather noemt zichzelf een ’theoretische instrumentenbouwer’. Hij begon als kind telescopen te bouwen in het pastorale New Jersey en verzamelde onderdelen uit catalogi in de hoop het oppervlak van Mars van dichterbij te kunnen bekijken. Als jonge man in de jaren zeventig werkte Mather aan een door een ballon gedragen instrument dat faalde; hij en zijn collega’s concludeerden dat ze het niet genoeg hadden getest voor de lancering. ‘De wet van Murphy was nog een keer bewezen’, schreef hij in een autobiografisch verslag. Maar de geleerde lessen leidden tot de triomf van COBE, het NASA-satellietexperiment waarvoor hij en George Smoot de Nobelprijs zouden delen. In het begin van de jaren ’90 mat COBE de subtiele variaties in de kosmische microgolfachtergrond waarvan wordt gedacht dat ze alle latere kosmologische structuren hebben gezaaid. Volgens Mather is theoretiseren over de kosmos prima, maar je hebt ingenieuze instrumenten nodig om iets zeker te weten. “Dus laten we de apparatuur bouwen”, vertelde hij me dit najaar. “Voor mij is dat heroïsch om te doen.”

Mather had wilde ontwerpen overwogen, waaronder telescopen die vouwen. In het moeilijke budgettaire klimaat van 1996 stelde een commissie van topastronomen die het concept van de infraroodtelescoop bestudeerden echter een spiegel van 4 meter voor, die zou passen in een raketstroomlijnkap, waardoor de kosten en complexiteit drastisch zouden worden verminderd. Illingworth vond dit “dom. Het zou niet zo goed worden als Hubble.” De toenmalige leider van NASA, Dan Goldin, voelde blijkbaar hetzelfde. Op de bijeenkomst van de American Astronomical Society dat jaar zei Goldin in een toespraak: “Waarom vraag je om zoiets bescheidens? Waarom niet na 6 of 7 meter gaan?” Zoals commissielid Wendy Freedman het zich herinnert: “Goldin zei in wezen: ‘Jullie zijn echt een stelletje bangeriken.’” Hij kreeg een staande ovatie. ‘In mijn gedachten heeft hij de telescoop gered’, zei Illingworth. Het zou groter zijn.

Na wat onstuimig gepraat over 8 meter, besloot NASA in 2001 uiteindelijk tot 6,5 meter voor de diameter van de gesegmenteerde spiegel, waardoor de volgende generatie telescoop meer dan zes keer het lichtverzamelende gebied van Hubble kreeg. De vraag was: hoe kun je een 6,5 meter brede spiegel in een 5,4 meter brede raketkuip passen? 

“Een groot deel van het ontwerp is hoe je het opvouwt,” zei Mather. Externe aannemers ontwikkelden concurrerende spiegelontwerpen. De spiegel van Lockheed Martin gevouwen als zes bloembladen van een bloem, Ball Aerospace is als een blad met blad. TRW stelde voor om spiegelsegmenten te plaatsen zoals een oude jukebox platen neerzet. Na een jaar lang over de voorstellen te hebben nagedacht, namen Mather en zijn team stukjes en beetjes van elk over. Het hoofdcontract ging naar TRW vanwege de uitgebreide ervaring van het bedrijf met het bouwen van complexe satellieten voor het Amerikaanse leger en de succesvolle bouw van het Chandra-röntgenobservatorium. (TRW werd al snel gekocht door Northrop Grumman.) Het spiegelontwerp zou dichter bij dat van Ball Aerospace liggen: een reeks van 18 zeshoekige segmenten die een grotere zeshoek vormen die aan twee kanten zou kunnen vouwen. Mike Menzel, die het voorstel van Lockheed Martin leidde,

De spiegels zouden gemaakt zijn van beryllium – licht, sterk, stijf spul dat giftig is in poedervorm (“Beryllium is een pijn in de nek, maar het is het enige dat zou werken”, aldus Mather). Berylliumpoeder werd in Ohio tot blokken geperst en vervolgens in Alabama in vorm gesneden. De 18 spiegelsegmenten werden vervolgens bedekt met een laag goud, die het infraroodlicht uitstekend weerkaatst, en gepolijst in een fabriek in Californië die speciaal voor dit doel is gebouwd. “Het vormen en polijsten van telescoopspiegels is een duistere kunst die honderden jaren teruggaat”, zegt Sarah Kendrew, een Belgisch-Britse astronoom die werkt aan MIRI, een van Webbs instrumenten.

Er zouden motoren met een ongekende finesse nodig zijn om de zeshoekige spiegelsegmenten in de ruimte collectief in beeld te brengen. ‘Dat moesten we meteen uitvinden,’ zei Mather. “Als je dat niet kunt, kun je het hele observatorium niet laten werken.” Ball Aerospace leverde actuatoren die in staat zijn om elk van de gouden zeshoeken te duwen in stappen van 10 nanometer, een tienduizendste van de breedte van een haar. Mather zei dat de motoren werken door te “buigen” of “een grote beweging om te zetten in een kleine beweging”, hoewel het ontwerp van Ball, ondanks dat het door de belastingbetaler wordt gefinancierd, eigendom is. “Als we een foto van de telescoop maken, moeten we ervoor zorgen dat niemand de motoren kan zien”, zei hij.

Samuel Velasco/Quanta Magazine; Matt Twombly voor Quanta Magazine. 
Bron: NASA

In 2002 kreeg de telescoop een naam. NASA-beheerder Sean O’Keefe brak een traditie van het benoemen van telescopen voor wetenschappers – de Hubble-telescoop verwijst bijvoorbeeld naar de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble – en eerde in plaats daarvan een eerdere beheerder, James Webb, die hoofd was van het ruimteagentschap tijdens de Apollo tijdperk. De keuze was meteen niet populair bij astronomen en is dat steeds meer geworden. Vorig jaar ondertekenden 1.200 astronomen een petitie om de telescoop een andere naam te geven na beweringen dat Webb het ontslag van homoseksuele regeringsmedewerkers tijdens de Lavender Scare heeft geholpen of ervoor heeft gekozen deze te negeren. Na een onderzoek kondigde NASA in oktober aan dat historici geen bewijs hebben gevonden dat een naamswijziging rechtvaardigt. 

Verschillende instellingen, van de Universiteit van Arizona tot de European Space Agency, hebben zich aangemeld om de camera’s, spectrografen en coronagrafen te bouwen die op hun plaats zullen draaien in het brandpunt van de optica, waarbij verschillende brokken van het samengevoegde infraroodlicht worden gesneden en in blokjes gesneden. In ruil daarvoor krijgen deze institutionele partners uitgebreide telescooptijd. 

Wat betreft de zonnekap, het dunne materiaal waarop het lot van de infraroodtelescoop rust, koos het team al snel voor Kapton, een glibberig zilveren plastic dat eruitziet als de binnenkant van een zak chips, maar de dikte heeft van een mensenhaar. Omdat het zou kunnen scheuren, zou het zonnescherm veel lagen nodig hebben voor redundantie – het team koos er vijf – en de lagen zouden moeten worden uitgerold, gescheiden en strak gehouden door een systeem van gieken, kabels en snaren. Voortstuwingssystemen en zonnepanelen zouden aan de zonzijde gaan, en de optica en instrumenten, die onder min 223 graden Celsius moeten werken, zouden aan de donkere kant ineen kruipen. “JWST heeft veel primeurs, ontzettend veel belangrijke primeurs”, vertelde Menzel, de hoofdingenieur, me, “maar dat zonnescherm is er een van.”

Michael Menzel van NASA’s Goddard Space Flight Center is de hoofdingenieur voor missiesystemen voor de Webb-telescoop – de hoofdingenieur voor het project. Foto: Umit Gulsen for Quanta Magazine

Menzel, die dik is met een keurig geknipte grijze baard, houdt toezicht op het werk van duizenden mensen aan een van de meest gecompliceerde technische projecten in de geschiedenis; hij is ook het type persoon dat je meteen vertelt waar ze vandaan komen. Dat zou Elizabeth, New Jersey zijn – afrit 13 van de tolweg – waar zijn vader een taxi bestuurde. Tijdens een recent Zoomgesprek boog Menzel zijn arm heen en weer bij de elleboog om de uitdaging van de zonnekap uit te leggen. “Als je iets stijfs neemt, zoals een deur, en je bouwt een mooi scharnier, dan kun je de manier waarop dat beweegt voorspellen”, zei hij. “Dat is een fluitje van een cent.” Hij stopte met het buigen van zijn arm. ‘Nu heb je dekens. Ze zijn slap. Probeer een deken op je bed te duwen en voorspel de vorm waarin het zal gaan. Het is verschrikkelijk. Hetzelfde met een snaar – de snaren die [het zonnescherm] spannen. Er zijn een miljoen verschillende manieren waarop een snaar kan bewegen.” Het wordt nog erger: “Zet al deze ervaring nu in nul-G, waar dat spul kan gaan op plaatsen waar je gewoon niet wilt dat het gaat.” Het soepel uitvouwen van de zonnekap “wordt een heel moeilijk probleem.” 

Rond 2004 kwamen de NASA-ingenieurs Chuck Perrygo en Keith Parrish het kantoor van Menzel in Goddard binnen en zeiden dat ze een manier hadden om het te doen. Perrygo pakte een stuk papier van Menzels bureau en vouwde het in de vorm van een Z. Het zonnescherm zou in veel meer van dergelijke zigzaglijnen kunnen worden gevouwen, in wat soms een accordeonvouw wordt genoemd. “Ik ben best goed in het herkennen van een slecht antwoord, en ik ben best goed in het herkennen van een goed antwoord,” vertelde Menzel me, terwijl hij een stuk papier omhoog hield dat hij in een Z-vorm had gevouwen. “Dus we zagen dat allemaal en dachten, dat is een manier om het na te streven.” Northrop Grumman kwam afzonderlijk tot dezelfde conclusie. 

De volgende vraag was hoe de accordeonplooi op zijn plaats moest worden gehouden totdat de zonnekap klaar was om te ontvouwen. Een ingenieur van Northrop Grumman, Andy Tao, vond de oplossing: 107 pinnen die intrekken als de klauwen van een kat. 

De pin-benadering leidde tot een ander lastig probleem: pins maken pinholes. Als, na het ontvouwen, de gaatjes in alle vijf Kapton-lagen op één lijn zouden komen te staan, zou dit een zonnestraal doorlaten, waardoor de optiek zou opwarmen. “Het was een van die mysterieuze kleine details die je nooit zou raden totdat je erin begint en je begint te ontdekken, ah, jezus, vijf van de gaatjes staan ​​precies in een rij en dat zal het zonlicht direct binnenlaten,” Menzel zei. ‘Het klinkt niet als veel, maar het dreef Andy aan de drank. En God zegene hem, hij heeft het door.” Tao zocht ijverig naar een geschikte configuratie van pinnen, zodat de gaten in de vijf Kapton-lagen van enigszins verschillende grootte nooit vanuit elke hoek op één lijn zouden komen. 

Tijdens zijn reis van een maand naar Lagrange punt 2, ontvouwt de telescoop zich in honderden stappen. NASA

De mollen werden zo langzaam geslagen dat astronomen naar de situatie begonnen te verwijzen als ‘het JWST-probleem’. In 1996 schatten Mather en zijn team dat de telescoop $ 564 miljoen zou kosten – een ietwat oneerlijke gok om het Congres aan boord te krijgen – en dat hij in 2007 zou worden gelanceerd. Naarmate het prijskaartje steeg en de lanceringsdatum steeds verder in de toekomst werd het Congres ongeduldig. In 2011 werd JWST bijna geannuleerd, maar basisschoolleerlingen schreven brieven naar Washington en senator Mikulski kwam NASA opnieuw te hulp. 

Glas, metaal en plastic werden geleidelijk aan elkaar vastgeschroefd in cleanrooms bij Goddard, Northrop Grumman, Ball Aerospace en elders. Maar de geassembleerde hardware kon niet zomaar naar de hemel worden gestuurd, omdat de telescoop een miljoen mijl verderop gaat, waar astronauten met moersleutels niet kunnen komen. Zoals Jon Arenberg, de ingenieur van Northrop Grumman, het ooit zei: “Dit is een kwestie van één slag en je bent eruit.” Webb moet bij de eerste en enige poging vlekkeloos worden geïmplementeerd. Dat betekent dat het uitgebreid en nauwgezet op de grond moest worden getest. En in 2017 en 2018 leverden deze tests het ene probleem na het andere op. 

Na een “shake-test” werd op de vloer een stel schroeven en ringen gevonden die de zonnekap op zijn plaats hadden gehouden; ze waren niet goed aangedraaid. Een andere keer bleef de zonnekap hangen en scheurde. Eens ontvouwde het zich, maar niet zonder een touwtje dat zich om iets wikkelde dat het niet zou moeten hebben. 

De telescoop raakte opnieuw beschadigd toen hij werd verscheept naar het Johnson Space Center in Houston, in de kamer werd geplaatst waar Apollo-astronauten ooit hun maanwandelingen oefenden, en cryogeen werd gekoeld om de omstandigheden in de ruimte te simuleren. Terwijl instrumentenbouwers als Sarah Kendrew de koude hardware aan het testen waren, sloeg orkaan Harvey toe. De hele stad overstroomde catastrofaal, maar de grootste zorg voor het Webb-team was de toevoer van vloeibare stikstof. Als die opraakte, zou de temperatuur van de telescoop te snel stijgen en de instrumenten beschadigen. De leveranciers van vloeibare stikstof moesten worden aangespoord om vrachtwagens door het water te sturen als een zaak van nationaal belang. 

De Webb-telescoop kwam op 1 december 2017 uit een vacuümkamer in het Johnson Space Center van NASA in Houston, na ongeveer 100 dagen cryogeen testen. 
Orkaan Harvey raasde naar buiten terwijl de telescoop een koude, luchtloze omgeving ervoer die leek op die van de ruimte.

Problemen gingen door. Eerder dit jaar bleken de transponders die gegevens naar de aarde terugsturen defect te zijn en moesten ze worden gerepareerd. “Een vertraging veroorzaakt zijn eigen cascade van problemen”, zei Tremblay – en meer kosten: “Het kost $ 10 miljoen per maand om James Webb op de cleanroom-vloer te houden.” Naarmate de investering steeg, nam ook de noodzaak toe om de missie te laten slagen. “Als NASA bereid was meer risico te nemen, zou JWST de helft van de kosten hebben gekost”, legt Tremblay uit. 

Eindelijk namen de problemen af. De ingenieurs van Northrop Grumman hebben de zonnekap meerdere keren met succes opengevouwen in de fabriek in Redondo Beach, Californië. Maar volgens Menzel zijn we, zelfs nadat de glinsterende lagen soepel zijn opengespreid, ‘niet zo opgetogen als je zou denken. Omdat we allemaal weten dat zonnescherm alleen zo goed zal zijn als de laatste keer dat het is opgevouwen.” 

De uiteindelijke kosten van Webb naderen de $ 10 miljard. Dat is bijna 20 keer de stickerprijs, maar toch een paar miljard minder dan een vliegdekschip. Na enkele laatste pandemiegerelateerde vertragingen, werd eind 2021 de beoogde lanceringsdatum. In september doorstond de telescoop een laatste test in Redondo Beach: gouden oren naar achteren gespeld en deken weggestopt, het hele observatorium werd op zijn kant gedraaid, vervolgens rechtop gezet en vervolgens gecontroleerd om te zien of er iets was veranderd. Daarna werd het weer op zijn kant in een zeecontainer gezet en afgevoerd. Garth Illingworth, die vanaf het begin in verschillende hoedanigheden bij de telescoop betrokken is geweest, ging naar Redondo Beach om hem te bekijken. Daar had het gestaan, “lang en majestueus”, schreef hij in een e-mail. “De volgende dag was de cleanroom zelfs leeg van alle JWST-gerelateerde ondersteunende hardware. 

Een ingenieur onderzoekt testspiegelsegmenten in de cleanroom van NASA’s Goddard Space Flight Center in Maryland; een monteur helpt in februari 2021 voor de laatste keer het zonnescherm in te pakken. Foto: Northrop Grumman

Het Webb-team is druk bezig met het repeteren van de routines die ze 24/7 vanuit Baltimore zullen uitvoeren tijdens Webbs reis van een maand naar Lagrange Point 2, gevolgd door de inbedrijfstellingsperiode van vijf maanden. “Voel ik me zelfverzekerd?” zei Menzel. “Ja. Ik heb er vertrouwen in dat we alles hebben gedaan wat we konden. Het risico is acceptabel laag. Het is zo goed als het gaat worden. En ik ben er vrij zeker van dat we het goed gaan doen. 

“Kan er iets mis gaan? Verdorie, ja.”

Redelijke gissingen

Toen de Hubble eenmaal aan het werk was, nam de mensheid de aanblik van de kosmos in zich op als bijziende kinderen die voor het eerst een bril droegen. We kwamen er ook achter dat er dingen waren die we niet konden zien. 

In 1998 gebruikten twee rivaliserende teams van astronomen de Hubble samen met andere telescopen om supernova’s in verre sterrenstelsels te observeren en vast te stellen dat de uitdijing van het heelal versnelt. Dit onthulde het bestaan ​​van een versnellend middel dat de hele ruimte doordringt, bekend als donkere energie. Er is zoveel ruimte dat donkere energie 70% van alles uitmaakt. (Nog eens 26% is donkere materie en 4% is lichtgevende atomen en straling.) 

Al snel doken er andere puzzels op. De astronoom Wendy Freedman gebruikte Hubble om pulserende sterren, cepheïden genaamd, te observeren. Hieruit hebben zij en haar team in 2001 gemeten hoe snel het universum momenteel uitdijt, met een nauwkeurigheid van 10%, een enorme verbetering ten opzichte van eerdere metingen. In de jaren sinds de meting van Freedman is de kosmische expansiesnelheid het middelpunt van de grootste controverse in de kosmologie geworden. Het probleem is dat, op basis van de bekende ingrediënten van het universum en de geldende vergelijkingen, theoretici concluderen dat de ruimte momenteel langzamer zou moeten uitdijen dan de metingen suggereren. De snelle expansie ervan kan wijzen op nog onbekende ingrediënten in de kosmos naast donkere materie en donkere energie. Maar Freedman, die kalm en gezaghebbend is, is er nog niet van overtuigd dat de metingen kloppen. Ze zal een team leiden dat de Webb-telescoop zal gebruiken om cepheïden en andere sterren nauwkeuriger te onderzoeken; ze hopen de expansiesnelheid precies genoeg te meten om zeker te weten of er een exotisch fundamenteel ingrediënt op komst is.

Ondertussen vertelde de Hubble Deep Field-foto een onstuimig verhaal over de evolutie van melkwegstelsels die de menselijke kennis van de kosmische geschiedenis dramatisch uitbreidde. Maar het blijft aan Webb om de cruciale eerste paar hoofdstukken van het verhaal te lezen.

Marcia Rieke, een oude professor aan de Universiteit van Arizona die wordt beschouwd als een van de pioniers van de infraroodastronomie, heeft de afgelopen 20 jaar toezicht gehouden op het ontwerp en de constructie van NIRCam (zoals in “nabij-infraroodcamera”), een van Webb’s vier belangrijkste instrumenten. Zij en haar team in Arizona zijn van plan meer dan de helft van hun maar liefst 900 uur gegarandeerde telescooptijd te gebruiken voor een nieuw diepveldonderzoek, een onderzoek dat dieper dan ooit tevoren in het verleden zal kijken. Terwijl Hubble de vage vlekken van sterrenstelsels kon zien op roodverschuiving 10, wat overeenkomt met 500 miljoen jaar na de oerknal, zou Webb in staat moeten zijn om die vlekken heel duidelijk te zien en gloednieuwe sterrenstelsels te zien die verder weg ontkiemen, misschien zo ver terug als 50 of 100 miljoen jaar na de oerknal.

Rieke en haar team zullen er een beter doen dan het diepe veld van Hubble. Nadat ze NIRCam hebben gebruikt om een ​​beeld te krijgen van hun donkere stukje lucht, identificeren ze de sterrenstelsels in het stukje dat het verst verwijderd zijn en gebruiken ze NIRSpec, de nabij-infraroodspectrograaf van Webb, om de spectra van de sterrenstelsels te nemen, waaruit Rieke en haar collega’s kunnen hun chemische samenstelling afleiden. Hubble had geen spectrograaf. 

Het spectrum zal laten zien welke elementen van het periodiek systeem in elk proto-sterrenstelsel bestonden en hoe hun elementen in de loop van de tijd zijn geëvolueerd. Het standaardverhaal is dat vroege gaswolken, sterren en sterrenstelsels voornamelijk uit waterstof bestonden, en supernova’s en andere explosieve gebeurtenissen smeedden geleidelijk zwaardere elementen. “Maar er zijn merkwaardige dingen”, zei Rieke. “Dicht bij de limiet die Hubble kan bereiken, zijn er quasars” – superheldere centra van sterrenstelsels aangedreven door superzware zwarte gaten – “en het lijkt erop dat ze bijna dezelfde elementen hebben als de zon. Wat moeilijk te geloven is. Dus er is iets dat vroeg gebeurt waar we geen goede greep op hebben.”

De Hubble-ruimtetelescoop bevindt zich in een lage baan om de aarde, dichtbij genoeg voor een bezoek aan de Space Shuttle. 
Deze foto is genomen na Hubble’s vierde onderhoudsmissie in 2002. De vijfde en laatste missie vond plaats in 2009.

Er zijn net zoveel redenen om de eerste sterren en sterrenstelsels te willen zien als er astronomen, astrofysici en kosmologen zijn. Voor Risa Wechsler, een kosmoloog aan de Stanford University, is het een manier om het handwerk van donkere materie te bekijken. Zij en haar collega’s zullen de proto-sterrenstelsels gebruiken om de verdeling af te leiden van de grootte van halo’s van donkere materie die in het vroege heelal moeten hebben bestaan, en wanneer ze gevormd zijn. Dit kan onthullen of donkere materie ‘koud’ is, dat wil zeggen gemaakt van langzaam bewegende deeltjes, of ‘warm’, aangezien deeltjes die rondsuizen, er langer over zouden hebben gedaan om in halo’s te kruipen. Deze temperatuurcontrole zou een belangrijke aanwijzing zijn voor de aard van donkere materie.

Andere onderzoekers willen de eerste sterren begrijpen. Sommigen denken dat Webb zogenaamde “Populatie III-sterren” zal zien, oerbeesten waarvan wordt aangenomen dat ze ongeveer 10.000 keer zwaarder zijn geweest dan onze zon. Zulke sterren zouden helpen bij het oplossen van een ander groot mysterie van de vorming van sterrenstelsels: hoe de centra van sterrenstelsels eindigden met superzware zwarte gaten – fysiek kleine maar ongelooflijk krachtige zwaartekracht-zinkgaten die miljarden keren de massa van onze zon kunnen wegen. Niemand weet hoe superzware zwarte gaten zo zwaar zijn geworden, of wanneer, of waarom hun eigenschappen gecorreleerd zijn met eigenschappen van hun gastheerstelsels. Eén theorie is dat Populatie III-sterren de gaten hebben gezaaid, maar er zijn een miljoen andere theorieën. Webb zoekt naar handtekeningen van de verschillende scenario’s.

Theoretici hebben veel mogelijkheden gesimuleerd over hoe structuren in het jonge universum zouden kunnen zijn ontstaan. Maar ze kunnen niet gewoon beginnen met de kosmische microgolfachtergrond en dat beeld op de computer verder ontwikkelen om te zien wat er is gebeurd. “Veel van de beginvoorwaarden zijn niet goed begrepen – dingen zoals het magnetische veld en hoeveel turbulentie er in het gas is”, zegt Peter Behroozi, een theoreticus-collega van Rieke in Arizona, die de vorming van sterren en sterrenstelsels simuleert. Het is “heel veel werk”, zei hij, om van een grote, altijd zo licht dichte plek in de kosmische microgolfachtergrond te komen tot een kleine gaswolk die door de zwaartekracht samentrekt en een ster vormt.

‘Vaak zullen mensen dat gewoon overslaan,’ zei Behroozi, en ‘beginnen met een bolvormige gaswolk. Ze weten niet wat de verdeling van [donkere materie] klompgroottes zal zijn, dus ze raden. Ze weten niets van het magnetische veld; ze weten niets over de draaiing of turbulentie van het gas, dus vullen ze dat allemaal in met gissingen.’ 

Het giswerk is de laatste tijd in een stroomversnelling geraakt nu onderzoekers zich haasten om hun voorspellingen vast te leggen voordat Webb laat zien hoe de vorming van sterren en melkwegstelsels werkelijk ten onder ging. Zelfs conservatieve gissingen kunnen simulaties opleveren met enorm verschillende uitkomsten. “De belangrijkste conclusie van mijn onderzoek,” zei Behroozi, “is dat zelfs als je een redelijke schatting probeert te maken, we nog steeds geen idee hebben wat James Webb zal zien.”

Brugplaneten

Natasha Batalha, het tweede kind van Natalie Batalha, was 18 toen ze naar Florida ging voor de lancering van Kepler. Ze herinnert zich dat ze met haar jongere zus meeging in de kijkkamer waar het NASA-wetenschappelijk team zich had verzameld. “Tijdens de lancering was de angst in die ruimte huiveringwekkend”, zei ze tijdens een recent videogesprek. Na de lancering werd het tafereel juichend. Ze vond het inspirerend om te zien hoe een team zoiets groots tot stand bracht, maar het was de mogelijkheid dat ontdekkingen zo dichtbij waren “dat was echt wat in mijn hoofd schoot om over exoplaneten als concept te gaan denken”, zei Natasha Batalha, die is serieus en precies, net als haar moeder. 

Ruimte was geen constant onderwerp van gesprek in het huishouden van Batalha. “Ik wilde hun leven niet verzadigen met wetenschap,” zei Natalie Batalha. “Ik wilde altijd dat ze het gevoel hadden dat ze nummer één waren.” Maar zij en Celso hadden wel “een geheime hoop” over Natasha. Op een avond in 1996, terwijl Celso een avondles gaf, laadde Natalie de half slapende kinderen op om ze naar een weiland te rijden, waar ze op zoek gingen naar de passerende komeet Hyakutake. Voordat ze de oprit afreden, zei de vijfjarige Natasha vanaf de achterbank: ‘Wat is dat?’ Ze wees naar de komeet.

Toen Natasha acht was en in Brazilië woonde, vroeg haar moeder haar en haar broers en zussen om een ​​astronoom te tekenen. Natasha tekende een blanke man en Natalie vroeg haar waarom. “Dit was te gek voor mij, de dochter van een Latinx-wetenschapper en een vrouwelijke wetenschapper; Ik had deze stereotypen nog steeds in mijn gedachten’, zei Natasha. Ze voelde zich ineens gesterkt door de gedachte dat ze in de wetenschap zou kunnen thuishoren.

Een paar jaar later las ze de autobiografie van Sally Ride. Net zoals haar moeder was geïnspireerd door Ride, besloot Natasha om astronoom of astronaut te worden. Ze droomde ervan de eerste persoon op Mars te zijn. Na de lancering van Kepler, toen er steeds meer exoplaneten werden ontdekt, raakte ze geïnteresseerd in de mogelijkheid van buitenaards leven en hoe we de aanwezigheid ervan op die planeten zouden kunnen afleiden door telescoopwaarnemingen van hun hemel. Ze kreeg een dubbele Ph.D. in astronomie en astrobiologie. Kort nadat Kepler was geëindigd en haar moeder NASA Ames had verlaten om professor te worden in Santa Cruz, nam Natasha een baan aan bij Ames om de atmosfeer van exoplaneten te bestuderen. 

Natasha Batalha maakt deel uit van een groeiende onderzoeksgemeenschap waarvan het uiteindelijke doel het detecteren van ” biosignature-gassen ” is – gassen in de atmosfeer van een planeet die er alleen zouden kunnen zijn vanwege het leven. Elk soort molecuul heeft karakteristieke golflengten die het absorbeert. Dus door licht van een ster te verzamelen wanneer een planeet er wel en niet voor beweegt, en te controleren welke golflengten van het sterlicht zwakker worden als de planeet er is, kun je zien welke moleculen aanwezig zijn aan de hemel van de planeet. 

Zuurstof is een voor de hand liggende kandidaat voor een biosignatuurgas: het is zo reactief dat het waarschijnlijk niet wordt gevonden tenzij de zuurstofvoorraad van de planeet voortdurend wordt aangevuld door bijvoorbeeld een biosfeer die aan fotosynthese doet. Fotosynthese is zo’n eenvoudige en efficiënte procedure voor het vastleggen van energie dat astrobiologen denken dat het op elke levende planeet zal evolueren, dus zuurstof is slim om naar te zoeken. 

Samuel Velasco / Quanta Magazine; 
Bron: NASA

Maar het zien van zuurstof alleen zou niet per se overtuigend zijn. Computersimulaties tonen aan dat zuurstof onder bepaalde omstandigheden de lucht van levenloze planeten kan vullen. “De uitdaging is dat er niet één gas is dat een biosignatuurgas wordt”, zegt Hammel, de planetaire wetenschapper. “Methaan op aarde wordt meestal geproduceerd door koeien … maar als je naar Neptunus kijkt, kun je daar tonnen methaan zien, en dat wordt niet geproduceerd door koeien.” 

Een betere biosignatuur is een eigenaardige mix van gassen. “Het zal geen enkel gas zijn, het zal een combinatie van gassen moeten zijn in een configuratie die ons vertelt dat ze in een onevenwichtige toestand zijn”, zei Hammel. “Ze kunnen niet op die manier van nature gevormd zijn.”

Bestaande telescopen hebben al moleculaire vingerafdrukken opgemerkt in de lucht van hete Jupiters, maar dit zijn levenloze planeten. Voor het detecteren van de zwakkere signalen van rotsachtige, mogelijk bewoonbare planetenhemels is JWST vereist. De telescoop zal niet alleen bijna 100 keer de resolutie van Hubble hebben, maar hij zal exoplaneten veel duidelijker zien tegen de achtergrond van hun gastheersterren, aangezien planeten meer infrarood uitzenden dan optisch licht, terwijl sterren minder uitstralen. Belangrijk is dat Webbs zicht op exoplaneten niet wordt verduisterd door wolken, wat vaak voorkomt dat optische telescopen de dichtste, laaggelegen lagen van de atmosfeer kunnen zien. “Stel je voor dat je in een vliegtuig zit en neerkijkt op een waanzinnig wolkendek, en je kunt het oppervlak helemaal niet zien,” zei Natasha Batalha. “Als je naar infrarood licht kijkt, kun je ineens door het wolkendek heen kijken.”

Exoplaneten zullen een van de doelen zijn in JWST’s “Cycle 1” observatieronde, die het zal aanpakken zodra de inzet en inbedrijfstelling zijn voltooid – ongeveer zes maanden na de lancering. De exoplaneetgemeenschap heeft Natalie Batalha gekozen om doorvoerspectroscopiestudies van drie gasreuzen te leiden als onderdeel van deze vroege waarnemingen. Haar team zal ook datapijplijnen en verwerkingstechnieken ontwikkelen die de gemeenschap kan kopiëren.

Cyclus 1 omvat ook waarnemingen voor specifieke groepen astronomen. Vorig jaar dienden meer dan 2.000 groepen voorstellen in om JWST in de eerste cyclus te gebruiken; een tijdtoewijzingscommissie selecteerde 266. Tientallen van deze programma’s zullen naar planeten kijken. Toen ik met Hammel aan het videochatten was, deelde ze op het scherm PowerPoint-dia’s die verschillende interessante exo-werelden belichtten waar Webb namens verschillende waarnemers naar zal kijken: Kepler 16b, die om twee sterren draait; de vermoedelijke “lavawereld” 55 Cancri e; en de zeven rotsachtige planeten van het nabijgelegen Trappist-1-sterrenstelsel. (Hammel, die 100 uur gegarandeerde waarnemerstijd krijgt als oud lid van het Webb-wetenschappelijke team, zal door ons eigen zonnestelsel bladeren, inclusief de rode vlek van Jupiter, de mysterieuze, verafgelegen objecten van de Kuipergordel en Hammels vaak over het hoofd gezien favorieten, Uranus en Neptunus, 

Van alle exoplaneten die JWST in cyclus 1 zal bekijken, denkt Natasha Batalha dat de drie trappistenplaneten die in de bewoonbare zone van hun ster draaien, waarschijnlijk de beste kans hebben op detecteerbare biosignatuurgassen. “Het trappistensysteem is uniek omdat de ster erg klein is, en daarom hoeft de relatieve grootte van de atmosferen niet groot te zijn om hem te kunnen zien,” zei ze. Of Webb een realistische kans heeft om biosignatuurgassen te spotten, is echter discutabel. “Vaak komt de controverse over de detectie van zuurstof”, zei ze. Zuurstof absorbeert één infrarode golflengte in het gevoeligheidsbereik van Webb, en dus theoretisch zou een zuurstofrijke transiterende planeet een merkbare dip in het spectrum van zijn ster kunnen veroorzaken bij die golflengte. ‘Maar’, zei ze, de golflengte “is net aan de rand waar de detector gevoeligheid verliest.” Andere soorten en combinaties van gassen zullen gemakkelijker te detecteren zijn, maar kunnen moeilijker definitief aan leven worden toegeschreven. 

Webb zou mogelijk levende planeten kunnen identificeren, die vervolgens nauwkeuriger zouden worden onderzocht met toekomstige ruimtetelescopen. Astronomen zijn daar nu druk mee bezig. NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope, gepland om later dit decennium te lanceren, is voornamelijk ontworpen om donkere energie te bestuderen; Aardachtige exoplaneten zijn het domein van een toekomstig telescoopconcept dat voorlopig bekend staat als LuvEx, een ultraviolette, optische en IR-telescoop die (indien gefinancierd door het Congres) halverwege de jaren 2040 zal worden gelanceerd.

Waar we dan naar kijken, hangt af van wat we de komende jaren leren.

Op een ochtend dit voorjaar werd Natasha Batalha wakker met een sms van mede-exoplaneet-astronoom Johanna Teske: “We hebben het!” De 266 geselecteerde programma’s van cyclus 1 waren zojuist aangekondigd en een voorstel onder leiding van Batalha, met Teske als haar plaatsvervanger, maakte de lijst. 

Ze zullen de meest uitgebreide zijn van alle waarnemingscampagnes voor exoplaneten in de eerste cyclus: een 142 uur durend onderzoek van superaarde en sub-Neptunus, de alomtegenwoordige middelgrote “brug” -planeten die ons zonnestelsel niet heeft, en waarvan de samenstelling, bewoonbaarheid en ontstaansgeschiedenis zijn onbekend. Ervan uitgaande dat de komende maanden alles zich ontvouwt zoals het zou moeten en de James Webb Space Telescope zijn focus vindt, zal hij namens Natasha Batalha en haar team naar 11 van deze planeten wijzen. Toen ze wakker werd met het goede nieuws, belde ze eerst Teske. Toen belde ze haar moeder.

VERWANT:


  1. Kosmologen debatteren over hoe snel het heelal uitdijt
  2. De verborgen structuur van het heelal
  3. Wetenschappers debatteren over handtekeningen van buitenaards leven
  • Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd door Quanta Magazine. (Engels).

Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: