Een jaar na de lancering onthullen astronomen de geheimen van het universum, als de eerste wetenschappelijke resultaten van waarnemingen van de James Webb Space Telescope (JWST) worden vrijgegeven. Deze maand, Natuurkunde wereld publiceert een reeks blogposts over de ontdekkingen. Dit is het vierde bericht in de serie - je kunt het vorige lezen hier.
Het is een jaar geleden dat de James Webb Space Telescope (JWST) werd gelanceerd, en na zijn gevaarlijke inzet en zorgvuldige collimatie zendt hij eindelijk ongelooflijke beelden en gegevens terug. Het was echter geen gemakkelijke taak om van het lanceerplatform naar volledige operaties te gaan. Hier is een herinnering aan hoe het allemaal gebeurde.
Kerstdag 2021: Na bijna 25 jaar ontwikkeling steeg de JWST de ruimte in bovenop een Ariane 5-raket. De lancering was een triomf over technologische problemen, overschrijdingen van budget en planning, en zelfs een (tijdelijke) annulering door het Amerikaanse Congres. Bijgevolg waren de emoties hoog toen het aftellen van het launchpad bijna nul naderde.
"Het was spannend", geeft toe Susan Mullally, de adjunct-projectwetenschapper van de JWST aan het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore. "Ik kon niet geloven dat het echt was", voegt hij eraan toe Naomi Rowe-Gurney, een JWST GTO (Guaranteed Time Observations) postdoc bij NASA's Goddard Space Flight Center, waar ze het Planetary Systems Team ondersteunt. “Ik verwachtte nog een soort vertraging. Ik dacht dat het nooit zou lanceren.”
Een gevaarlijke reis
Het stop-start-karakter van de ontwikkeling van het project kwam gedeeltelijk tot stand door de toenemende complexiteit van de telescoop, die een gesegmenteerde primaire spiegel van 6.5 meter heeft, evenals een fragiele, vijflaagse isolerende zonnekap ter grootte van een tennisbaan. Beide elementen moesten zich ontvouwen als origami nadat ze waren samengeraapt om in de raketvleugel te passen - een proces van 30 dagen dat samenviel met de reis van de telescoop naar het L2 Lagrange-punt aan de andere kant van de zon, 1.6 miljoen kilometer van de aarde.
Dit punt is veel te ver weg voor het soort door astronauten ondersteund onderhoud dat de Hubble-ruimtetelescoop in 1993 kreeg vanwege zijn defecte optiek. Als er iets mis was gegaan met de spiegel van de JWST tijdens de inzet, zouden astronomen zijn achtergebleven met een wit geld van $ 10 miljard. olifant zwevend in de diepe ruimte.
"Die eerste 30 dagen waren behoorlijk zenuwslopend, omdat elk probleem een eenpuntsstoring was en zou betekenen dat we geen telescoop zouden hebben", zegt Rowe-Gurney.
Alles bij elkaar waren er 344 van dergelijke mogelijke faalpunten: 344 punten waar de ingewikkelde bewegende delen van de telescoop perfect moesten werken in het koude vacuüm van de ruimte. Toch deden ze werk – “fenomenaal zo” volgens Jane Rigby van NASA Goddard, die sprak op de Eerste wetenschappelijke resultaten van JWST conferentie gehouden op STScI eerder deze maand.
"De dag dat ik wist dat dit echt zou werken, was toen die hoofdgiek uitzwaaide en de secundaire spiegel uitklapte, en we hadden eigenlijk een telescoop", zegt Rowe-Gurney. "Zelfs als de daaropvolgende implementaties niet werkten, konden we licht opvangen en in de instrumenten stoppen."
Scherpstellen van de telescoop
Met beide spiegels ingezet, was de volgende stap het scherpstellen van de 18 zeshoekige berylliumsegmenten van de primaire spiegel. Dit is in zeven fasen gerealiseerd. Aanvankelijk produceerde elk segment een ander onscherp beeld, dus de eerste fase was om te herkennen welk beeld bij welk spiegelsegment hoorde. De volgende stap was om de spiegels ongeveer zo uit te lijnen dat de 18 afbeeldingen allemaal scherp waren. Daarna werden de segmenten verder aangepast zodat ze op hetzelfde punt begonnen te focussen.
Dit werd gevolgd door verschillende graden van fijnafstemming en ervoor zorgen dat de focus binnen de gezichtsvelden van de verschillende instrumenten viel, en vervolgens door een reeks correcties om ervoor te zorgen dat de segmenten werden uitgelijnd tot op minder dan 50 nm van elkaar. Eindelijk, na een proces van drie maanden, was de telescoop scherpgesteld.
Het overtreden van de snelheidslimiet
Nu de telescoop in goede staat was, was de volgende stap het kalibreren van de afzonderlijke instrumenten: de Nabij-infraroodcamera (NIRCam) Nabij-infraroodspectrometer (NIRSpec), en MIRI, de reeks detectoren die deel uitmaken van de Midden-infraroodinstrument.
Verre objecten in de verre ruimte lijken gefixeerd aan de hemel, maar objecten in het zonnestelsel bewegen tegen die achtergrond van sterren, nevels en sterrenstelsels. Daarom moet de JWST, om planeten, manen, kometen en asteroïden in beeld te brengen, ze volgen door het ruimtevaartuig fysiek te draaien. Voorafgaand aan de lancering werd een volgsnelheidslimiet ingevoerd: 30 milliboogseconden per seconde, waarbij één boogseconde 1/3600ste van een graad is).
Eenmaal in de ruimte realiseerde het team zich echter dat deze limiet een beetje pessimistisch was. "We waren aan het testen hoe snel we konden volgen, en we realiseerden ons dat we het eigenlijk veel sneller konden doen", zegt Rowe-Gurney, die betrokken was bij de inbedrijfstelling van instrumenten voor het verzamelen van gegevens over bewegende doelen en verstrooid licht.
De verhoogde volgsnelheid kwam een paar maanden later goed van pas, toen de JWST de nasleep van de DART-inslag (Double Asteroid Redirection Test) op de kleine asteroïde Dimorphos waarnam. De DART-missie was Natuurkunde wereldis wetenschappelijk doorbraak van het jaar voor 2022, en de JWST was in staat om puin in beeld te brengen dat door de inslag werd uitgestoten door drie keer sneller te volgen dan de aanvankelijke limiet, waardoor de asteroïde in het gezichtsveld bleef zonder vervaging. Sindsdien heeft de telescoop volgsnelheden tot 120 milliboogseconden per seconde bereikt. Hoe sneller het volgt, hoe lager de tracking-efficiëntie, wat leidt tot een middenwegcompromis. "In het komende jaar zal de veilige volgsnelheid worden verhoogd tot 75 milliboogseconden per seconde, meer dan een verdubbeling van de snelheidslimiet, zodat we nog meer objecten in het zonnestelsel kunnen volgen zonder de telescoop kapot te maken," Rowe-Gurney zegt.
Verstrooid licht verwijderen
Wanneer de JWST naar een helder object staart - een planeet, een ster, zelfs een verre quasar - vormt een deel van het overtollige licht een diffractiepatroon. Dit patroon is de oorzaak van de "spikes" rond de sterren op de voorgrond in veel van de afbeeldingen van de JWST, en hoewel mooi, kan het wetenschappelijke details verdoezelen. Gelukkig kan het unieke diffractiepatroon van elke telescoop worden beschreven als een puntspreidingsfunctie, en door de vorm van deze puntspreidingsfunctie voor de JWST en zijn instrumenten te karakteriseren, kunnen astronomen indien nodig het vreemde licht uit afbeeldingen verwijderen.
Een goed voorbeeld was het JWST-beeld van de Wolf-Rayet-ster WR 140, die zich op een afstand van 5000 lichtjaar bevindt. Toen de JWST voor het eerst in beeld werd gebracht, waren astronomen stomverbaasd toen ze 17 concentrische ringen of schelpen rond de ster zagen. Aanvankelijk werd gedacht dat deze ringen beeldartefacten van de telescoop waren, maar na het verwijderen van de puntspreidingsfunctie waren de ringen er nog steeds. Nader onderzoek op basis van simulaties toonde aan dat stellaire winden van dubbelsterren stofringen kunnen produceren waar ze botsen en condenseren. Bovendien kwam het patroon van de gesimuleerde ringen precies overeen met het patroon van ringen rond WR 140, zelfs tot aan een lineair kenmerk dat door de ringen sneed als gevolg van verbeterde infraroodemissie in onze gezichtslijn.
De waarnemingen van WR 140 vertegenwoordigen de eerste keer dat een botsende windstructuur rond een dubbelster in 3D in kaart is gebracht. Maar als astronomen niet eerst het patroon van verstrooid licht dat in de telescoop lekt hadden gemodelleerd, zodat ze het konden verwijderen, zou het onmogelijk zijn geweest om te onderscheiden wat de waarnemingen ons vertelden.
Het nieuwe speelgoed van astronomen
Het Wolf-Rayet-stervoorbeeld laat zien hoe belangrijk het is om de telescoop te leren kennen tijdens het waarnemen. "Het is iets waar je veel over na moet denken", zegt Mullally. "Bij elke stap hoop je een expert in je team te hebben die zoveel mogelijk weet over het instrument of over hoe dat soort observaties worden gedaan."
Dienovereenkomstig een van de motivaties achter de JWST's Wetenschap voor vroege vrijgave (ERS) was om enkele astronomen te helpen vertrouwd te raken met de telescoop en zijn instrumenten, zodat ze anderen op de hoogte kunnen brengen voor latere waarnemingscycli. "Het is als nieuw speelgoed", zegt Rowe-Gurney. "Er gaat veel werk zitten in het verwerken en kalibreren van de gegevens om er zeker van te zijn dat ze betrouwbaar zijn."
Gelukkig speelt de JWST mee. "Instrumentwetenschappers zouden kunnen zeggen dat ze hun instrumenten nog aan het leren kennen en hoe ze kleine systematiek en artefacten en dergelijke in je gegevens moeten verwijderen", zegt Mullally, "maar over het algemeen krijg ik van iedereen de indruk dat de telescoop presteert fantastisch.”
Impactrisico
Tot nu toe is er slechts één voorbehoud bij de prestaties van de JWST: de schade veroorzaakt door micrometeoroïde-inslagen. Gemiddeld wordt de spiegel van de telescoop een keer per maand geraakt door iets dat groot genoeg is om te beïnvloeden golffrontwaarneming, wat het vermogen van de telescoop is om fouten in de uitlijning van de optica te detecteren die zich kunnen manifesteren als lichtgolven die uit fase raken. Deze vermindering van golffrontwaarneming kan beelden minder scherp maken.
Dergelijke inslagen werden verwacht vóór de lancering en er werd niet verwacht dat ze groot genoeg zouden zijn om de levensduur van de telescoop in gevaar te brengen. In mei 2022 kreeg een van de spiegelsegmenten echter een grotere impact dan normaal. In haar toespraak op de First Science Results from JWST-conferentie meldde Rigby dat deze impact een wond van dertig centimeter achterliet, waardoor de totale golffrontfout van de telescoop met 9 nm toenam. Dit is belangrijk omdat als de golffrontfout 150 nm bereikt, de telescoop niet langer gevoelig genoeg zal zijn om zijn wetenschappelijke doelen te bereiken - wat betekent dat slechts 10 inslagen van een vergelijkbare schaal "game over" zouden zijn voor de JWST.
Enigszins gealarmeerd door dit vooruitzicht, heeft NASA een micrometeoroïde werkgroep bijeengeroepen om het risico te onderzoeken. De populatie micrometeoroïden op L2 is bekend; wat niet duidelijk is, is de relatie tussen de kinetische energie van inslagen en de verslechtering van golffrontwaarneming. Zijn zulke grote inslagen uiterst zeldzaam en had de JWST in mei gewoon pech? Of zal de telescoop zwaardere inslagen ervaren met een grotere frequentie dan voorspeld?
Quasars, exoplaneten en de atmosfeer van verre werelden: meer over de eerste resultaten van de JWST
Totdat de werkgroep met antwoorden komt, beperken de managers van de telescoop het risico door astronomen aan te moedigen hun waarnemingen te timen (waar mogelijk - tijdgevoelige waarnemingen zijn uitgezonderd) zodat de telescoop niet in de "regen" van micrometeoroïden wijst.
Als dit systeem slaagt, of als de werkgroep met een geruststellend antwoord komt over impact odds, zou de JWST een lang leven voor zich moeten hebben. Dankzij de vlekkeloze lancering en een reis naar L2 die minimale koerscorrecties vereiste, heeft de scoop genoeg drijfgas aan boord om zijn missie nog minstens 27 jaar voort te zetten. Als de eerste 12 maanden van de missie een indicatie zijn, zouden deze 27 jaar veel sensationele nieuwe inzichten en gegevens moeten opleveren van een fantastisch instrument, met een grote kans op transformatie van astrofysica, exoplaneetstudies, kosmologie en meer. De achtbaanrit van de lancering van de JWST is misschien voorbij, maar de echte reis is nog maar net begonnen.
