Na vele jaren van uitstel lijkt het er in 2021 dan toch eindelijk te komen. Dan moet de lang verwachte opvolger van de succesvolle Hubble Space Telescope, de James Webb Space Telescope, eindelijk in de ruimte gebracht worden. De James Webb Space Telescope is een optische infraroodtelescoop met een hoofdspiegel die een diameter heeft van 6,5 meter waarmee astronomen onder andere licht willen opvangen van sterren en sterrenstelsels die kort na de oerknal werden gevormd. Deze ambitieuze ruimtetelescoop werd ontworpen en gebouwd door NASA met belangrijke bijdragen van Europa (ESA) en Canada (CSA).
Wie was James Webb?
Net als de Hubble Space Telescope werd ook zijn opvolger genoemd naar een persoon die een belangrijke rol heeft gespeeld in de Verenigde Staten op vlak van sterrenkunde of ruimtevaart. James E. Webb overleed in 1992 en was tussen 1961 en 1968 directeur van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA. Gedurende deze periode stond bij NASA alles in het teken van het Apollo maanprogramma dat in 1969 de eerste mensen op het maanoppervlak bracht. James E. Webb zag dus tijdens zijn carrière als directeur van NASA de eerste Amerikanen de ruimte ingaan en werden de eerste Amerikaanse ruimtevaartuigen naar Venus en Mars gestuurd. Al in 1965 liet hij weten dat NASA moest inzetten op de ontwikkeling van een grote ruimtetelescoop. In 2002 werd uiteindelijk beslist om de Next Generation Space Telescope (NGST) om te dopen tot de James Webb Space Telescope.
Uitstel jaagt prijskaartje omhoog
De ontwikkeling en de bouw van de James Webb Space Telescope verliep niet bepaald volgens planning en vlekkeloos. Zo had deze ruimtetelescoop eigenlijk al in 2007 moeten gelanceerd worden maar problemen met de ontwikkeling van de wetenschappelijke instrumenten en het testen van de vele onderdelen zorgden steeds voor uitstel. Uiteindelijk ging men er lang van uit dat de ruimtetelescoop in juni 2019 zou kunnen gelanceerd worden maar ook dit lanceervenster werd niet gehaald doordat het integreren van de verschillende onderdelen meer tijd in beslag nam. In 2020 liet NASA's programmadirecteur van de James Webb Space Telescope ook weten dat er problemen waren met schroeven en sluitringen die tijdens tests waren losgekomen. Dit en extra vertragingen als gevolg van het coronavirus (COVID-19) leidde tot nieuw uitstel waardoor de lancering nu is voorzien voor oktober 2021. Al dit uitstel zorgde er ook voor dat het prijskaartje van de James Webb Space Telescope steeds opnieuw de hoogte werd ingejaagd waardoor het project steeds vaker ter discussie kwam. Terwijl men er oorspronkelijk van uitging dat deze ruimtetelescoop ongeveer een half miljard dollar zou kosten, bedraagt het prijskaartje momenteel al 8,8 miljard dollar. En dit voor alleen de ontwikkeling van de ruimtetelescoop. Wanneer we daar ook de kostprijs voor de lancering en voor het operationeel houden van de ruimtetelescoop bij rekenen, schat men dat dit project een totale kostprijs heeft van 9,6 miljard dollar.
Locatie in de ruimte
In tegenstelling tot de Hubble Space Telescope komt de James Webb Space Telescope niet in een lage baan om de aarde te hangen op een hoogte van ongeveer 540 kilometer. De James Webb Space Telescope moet in de ruimte gepositioneerd worden nabij het tweede Lagrangepunt (L2). In een Lagrangepunt kan een klein object zoals een ruimtetelescoop een vaste relatieve positie behouden ten opzichte van twee hemellichamen die rond een gezamenlijk zwaartepunt draaien. Lagrangepunt L2 ligt op de as tussen aarde en zon, maar nu verder van de zon dan de aarde. Dergelijke positie in de ruimte heeft als voordelen dat een ruimtetelescoop geen last heeft van verstoringen door de atmosfeer van de aarde en dat het er op deze locatie koel is wat essentieel is wanneer je aan infraroodastronomie wil doen. Het tweede Lagrangepunt wordt vaak gebruikt voor ruimteobservaties omdat een object in L2 dezelfde positie behoudt ten opzichte van de zon en de aarde, waardoor kalibratie eenvoudiger is. Een ruimtegerichte ruimtetelescoop op dit punt heeft altijd de zon, de aarde en de maan achter zich, zodat afscherming eenvoudiger is, en observaties rond de klok kunnen doorgaan. Het Lagrangepunt 2 bevindt zich op een afstand van 1,5 miljoen kilometer van de aarde. Helaas kent een positie in de ruimte zoals het Lagrangepunt 2 ook enkele grote nadelen. Zo geraak je er niet even snel als in een lage baan om de aarde en indien er iets mis is met de ruimtetelescoop is de kans op een herstelling dan ook bijzonder klein. Om tot bij deze positie te geraken, zal een Europese Ariane 5 raket vanuit Frans-Guyana de James Webb Space Telescope in de ruimte brengen waarna deze verschillende cruciale koerscorrecties moet uitvoeren. Tijdens de reis naar het tweede Lagrangepunt moeten verschillende onderdelen van deze ruimtetelescoop worden uitgeklapt en mogen de gevoelige instrumenten aan boord van de nieuwe ruimtetelescoop in geen geval gericht worden naar de zon. Geschat wordt dat de ruimtetelescoop zes maanden na zijn lancering klaar zal zijn voor de eerste waarnemingen.
Complexe telescoop
Ook al wordt de James Webb Space Telescope vaak de opvolger genoemd van de Hubble Space Telescope toch lijkt deze er helemaal niet op. Zo ziet de James Webb Space Telescope er helemaal anders uit aangezien deze telescoop een open ontwerp heeft terwijl het ontwerp van de Hubble Space Telescope kan vergeleken worden met dat van een klassieke telescoop. De primaire spiegel van de James Webb Space Telescope heeft in totaal een diameter van 6,5 meter en bestaat uit 18 elementen uit beryllium, gecoat met een laag goud. Beryllium is robuust en licht en kan inslagen van micrometeorieten weerstaan. De goudlaag dient dan weer om maximale reflectie voor infrarood te krijgen. Doordat een hoofdspiegel met een diameter van 6,5 meter te groot is om in één geheel te lanceren, werd er gekozen om dit bij de lancering in te klappen en dit in de ruimte op het juiste moment te laten openvouwen. De 18 segmenten die de hoofdspiegel vormen, zijn zogeheten 'hexagons' die samen een oppervlakte hebben van 25,4 vierkante meter. De hoofdspiegel bevindt zich aan de buitenkant van het ruimtevaartuig en werd bevestigd op het uit vijf lagen bestaande zonneschild. Dit zonneschild is één van de belangrijkste onderdelen van deze ruimtetelescoop aangezien bij waarnemingen in het infraroodgedeelte van het spectrum het van cruciaal belang is dat de telescoop in heel koude omstandigheden kan functioneren. Door dit zonneschild is het aan de onderkant van de ruimtetelescoop 85 graden Celsius terwijl het aan de andere kant, waar de hoofdspiegel zich bevindt, meer dan 300 graden kouder is. Door hitte passief de ruimte in te stralen via dit hitteschild, kan men een temperatuur bereiken lager dan -223 graden Celsius. Het hitteschild zelf bestaat uit vijf lagen die vervaardigd zijn uit Kapton dat heel goed bestand is tegen hoge temperaturen en stabiel is tussen -269 en 400 graden Celsius. Elke laag werd ook voorzien van een aluminium coating en de twee buitenste lagen hebben een coating van gedoteerd silicium om de hitte zo goed mogelijk te kunnen reflecteren. Het open ontwerp van deze ruimtetelescoop zorgt er ook voor dat de hitte die vrijkomt van de wetenschappelijke instrumenten en andere apparatuur snel zijn weg naar de ruimte kan vinden waardoor de telescoop zelf gekoeld blijft. De bouw van de telescoop staat onder leiding van het Amerikaanse bedrijf Northrop Grumman.
Wetenschappelijke doelen en instrumenten
Velen vragen zich ongetwijfeld af waarom een dure, complexe ruimtetelescoop als de James Webb Space Telescope er in de eerste plaats moest ontwikkeld worden aangezien er zich nog tal van andere ruimtetelescopen in de ruimte bevinden. Het antwoord is eenvoudig en logisch: infrarood. Terwijl de Hubble Space Telescope ontworpen werd om te kijken naar golflengten in het ultraviolet, zichtbare en nabij-infrarode deel van het spectrum gaat de James Webb Space Telescope waarnemingen verrichten in het infrarood gedeelte van het elektromagnetisch spectrum. Terwijl de Hubble Space Telescope slechts 0,8 tot 2,5 micrometer kon waarnemen, gaat de James Webb Space Telescope zich focussen op grotere golflengen die zich tussen de 0,6 en 28 micrometer bevonden. Voor astronomen is infraroodsterrenkunde zeer belangrijk aangezien koude hemellichamen zoals bijvoorbeeld bruine dwergen of protosterren die diep in een moleculaire wolk liggen de meeste energie uitstralen in het infrarood. Aangezien onze eigen ster, de zon, ook infraroodstraling uitzendt, zal de James Webb Space Telescope steeds van de zon en ook de aarde afgewend blijven.
Met de James Webb Space Telescope hopen astronomen uiteindelijk licht te kunnen opvangen van sterren en sterrenstelsels die kort na de oerknal zijn gevormd. Daarnaast wil men met deze nieuwe ruimtetelescoop ook de vorming van nieuwe sterrenstelsels observeren en de fysische en chemische samenstelling van verre sterrenstelsels meten. Verder moet deze nieuwe ruimtetelescoop de zoektocht naar buitenaards leven een impuls geven door in de atmosfeer van exoplaneten te zoeken naar sporen van leven. Hiervoor werd de nieuwe ruimtetelescoop ook uitgerust met vier wetenschappelijke instrumenten die zich op de Integrated Science Instrument Module (ISIS) bevinden. Deze instrumenten zijn:
- NIRCam (nabije-infrarood camera van de universiteit van Arizona)
- NIRSpec (nabije-infrarood spectrograaf van de ESA met onderdelen geleverd door NASA/GSFC)
- MIRI (midden-infrarood instrument geleverd door de ESA en de NASA/JPL)
- FGS/NIRISS (precisie-positionering en nabije infrarood spectrograaf geleverd door het Canadees ruimteagentschap)
Indien de James Webb Space Telescope probleemloos tot op het tweede Lagrangepunt kan gebracht worden en de telescoop perfect functioneert, zal deze verbluffende resultaten leveren. Zo moet één afbeelding afkomstig van deze nieuwe ruimtetelescoop de hoogste beeldkwaliteit opleveren die men ooit heeft verkregen van het galactisch centrum. Door het infraroodlicht van de eerste sterren en sterrenstelsels te bestuderen, hopen wetenschappers meer te leren over de oorsprong van het universum. Daarnaast moet het ook mogelijk zijn om met de James Webb Space Telescope vervolgwaarnemingen uit te voeren van exoplaneten die werden ontdekt met eerdere ruimtetelescopen zoals Kepler.
Kritiek en hoofdpijn
Ondanks het feit dat heel wat astronomen uitkijken naar het moment dat de James Webb Space Telescope zijn eerste waarnemingen verricht, komt er ook steeds vaker kritiek op dit project als gevolg van het extreem hoge prijskaartje. Zo heeft men in de Verenigde Staten al verschillende malen meer geld moeten voorzien voor dit project wat politiek zeer gevoelig ligt. Wanneer NASA geen extra budget krijgt voor de James Webb Space Telescope zal het wellicht geld moeten gebruiken dat voorzien was voor andere projecten. Verwacht wordt dat deze ruimtetelescoop minstens tien jaar operationeel blijft maar dit is niet zeker. Terwijl de Hubble Space Telescope verschillende malen werd bezocht door een Amerikaanse Space Shuttle om deze te voorzien van nieuwe instrumenten en onderdelen zal de James Webb Space Telescope niet kunnen bezocht worden door ruimtevaarders. Wanneer er dus een onderdeel sneller dan voorzien faalt kan dit meteen ook het einde betekenen van dit project. De kans bestaat dus dat de periode die nodig was om deze ruimtetelescoop te bouwen langer duurde dan de operationele levensduur van deze telescoop. De complexe bouw van deze telescoop, met verschillende onderdelen die moeten openvouwen of uitschuiven, zorgt er ook voor dat de schrik er goed inzit dat één van deze onderdelen niet goed zou functioneren tijdens de reis naar het tweede Lagrangepunt. Dit alles zorgt er dus voor dat zowel de bouw alsook de lancering en de missie van de James Webb Space Telescope voor heel wat hoofdpijn heeft veroorzaakt dat hopelijk snel zal verdwijnen zodra we de eerste waarnemingen zullen te zien krijgen.
