James Webb-ruimtetelescoop: De oorsprong van het universum onthuld

Met de lancering van de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) zal de mensheid's begrip van het universum — en zijn oorsprong — exponentieel toenemen.

Oorspronkelijk Next Generation Space Telescope (NGST) genoemd en in september 2002 hernoemd om de voormalige NASA-administrateur James Webb te eren, vertegenwoordigt de JWST een internationale samenwerking van partners waaronder NASA, de Canadese Ruimtevaartorganisatie (CSA), de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA), luchtvaartfabrikant Northrop Grumman, en het Space Telescope Space Institute, dat de telescoop na de lancering zal exploiteren.

Infraroodtechnologie

Wat maakt de JWST anders dan de ruimtetelescopen die ervoor gingen, als de geschiedenismakende Hubble-ruimtetelescoop? Voor één ding is Hubble, gelanceerd in 1990, een optische telescoop; de JWST is een infraroodtelescoop. Terwijl lichtgolven door het steeds expanderende universum reizen, worden ze "gerekt", wat betekent dat ze verschuiven naar langere, roodere energiegolflengtes. Op een gegeven moment verschuift eenmaal zichtbaar licht van de meest afleggen sterren in het universum naar infraroodgolflengtes die niet meer gedetecteerd kunnen worden door optische telescopesen zoals Hubble. De JWST is specifiek ontworpen om beelden van die infraroodlichtgolven vast te leggen en ze te analyseren met state-of-the-art spectroscopie.

De JWST zal niet de eerste keer zijn dat wetenschappers infraroodtechnologie gebruiken om het universum te verkennen. In 1983 lanceerde NASA zijn breekbare Infrared Astronomical Satellite (IRAS) in een baan, wat het de eerste ruimte-gebaseerde infraroodtelescoop ter wereld maakte. Een gezamenlijk project ontworpen door de VS, Nederland en het Verenigd Koninkrijk, baande het 559 mijl boven de aarde in een missie van 10 maanden en observeerde meer dan 250.000 infraroodbronnen in de 12, 25, 60 en 100 micrometer golflengtes. Het succes van die missie leidde tot de installatie van een helium-gekoelde infraroodtelescoop aan boord van de Space Shuttle Challenger in 1985 (STS-51) en resulteerde uiteindelijk in de ontwikkeling van de Spitzer-ruimtetelescoop, gelanceerd in 2003.

Tussen die mijlpalnen door, lanceerde de Europese Ruimtevaartorganisatie, in samenwerking met NASA en Japan's Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), de Infrared Space Observatory (ISO) in november 1995 op een driejaarlijks missie ontworpen om ongeveer 30.000 infraroodbronnen te observeren, imaging uit te voeren in het 2.5 tot 240 micrometer bereik, en spectroscopie in het 2.5 tot 196.8 micrometer bereik, en de data in real-time naar de aarde te transmitteren. En in 1997 gaf NASA de Hubble-optische telescoop infraroodcapaciteit door het uit te rusten met de Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) tijdens Servicing Mission 2 (STS-82).

NICMOS, een gecombineerd beeldvormingsapparaat en spectrometer ontworpen en gebouwd door Ball Aerospace & Technologies Corp., had drie kwikzilvercadmium-telluride nabij-infrarooddetectoren die aan safier substraten gebonden waren en ontworpen om te opereren in de 0.8 tot 2.5 micrometer golflengte. De NICMOS, die van 1997 tot 1999 opereerde voordat de koelmiddel op was, en daarna weer van 2002 tot 2008 na de installatie van een nieuw cryogenisch koelsysteem tijdens Servicing Mission 3B (STS-109), werd uiteindelijk in 2009 vervangen door de Wide Field Camera 3 (WFC3) tijdens Servicing Mission 4 (STS-125). Hoewel niet strikt een infraroodinstrument — het had ook een UV- en optisch kanaal capabel van het opnemen van beelden in het 200 tot 1000 nm golflengtebereik — had de WFC3 een nabij-infrarooddetector ontworpen om beelden vast te leggen in het 800 - 1700 nm golflengtebereik. Hoewel beperkt in infraroodcapaciteit vergeleken met NICMOS (1700 nm vs. 2500 nm), kon de WFC3 thermo-elektrisch gekoeld worden, wat de noodzaak voor cryogenische koeling elimineerde.

De Spiegel

Discussieerbaar het meest technologisch geavanceerde wetenschappelijke instrument ooit in de ruimte gelanceerd, zal de JWST niet alleen de beste aspecten van de Hubble- en Spitzer-ruimtetelescopen combineren, maar ze verovertreffen, beginnend met de grootte van de primaire spiegel. Webb's spiegel zal 6,5 meter in diameter zijn vergeleken met Hubble's 2,4-meter spiegel en Spitzer's compacte 0,8-meter spiegel.

Omdat een spiegel van die grootte te groot is om in enig huidig lanceringstvoertuig te passen, zal het bestaan uit 18 individuele zeshoekige segmenten gemaakt van lichtgewicht beryllium die zullen ontvouwen en automatisch aanpassen aan vorm zodra in de baan. Elk segment zal vacuum-dampdepositie gecoat worden met een dunne laag goud van slechts 1000 angstrom (100 nanometer) dik. Om dat in perspectief te plaatsen, gegeven de dichtheid van goud bij kamertemperatuur (19,3 g/cm³), werkt dat uit op 48,25g goud — ruwweg dezelfde massa als een golfbal — om een oppervlakte van 25m² te bedekken. Waarom goud? Superieure reflectiviteit. Goud weerspiegelt 98-procent van het verzamelde infraroodlicht, terwijl een materiaal als aluminium typisch slechts ongeveer 85-procent van zichtbaar licht weerspiegelt.

De JWST is ontworpen om de L2-punt te banen, 1,5 miljoen kilometer boven de aarden. Hoe verder weg van de aardse atmosfeer een telescoop is, hoe minder elementen er zijn die de kwaliteit van de verzamelde data negatief beïnvloeden. Het zal ook ver genoeg weg zijn van het beschermende magnetische veld van de aarde waar hoog-energetische kosmische stralen de signalen kunnen storen of elektrische ladingen kunnen creëren die de gevoelige instrumenten van de telescoop potentieel kunnen beschadigen. Als extra verzekering is de JWST ontworpen met speciale afscherming en geleidende materialen om spanningsophoping te voorkomen en de zonwering en subsystemen van het schip te beschadigen. De telescoop maakt één volledige baan om L2 elke 198 dagen... voor het geval je ernaar wilt uitkijken.

De Zonwering

De telescoop's zonwering, die ongeveer de grootte van een tenniscourt is (21,197m × 14,162m), is verreweg het grootste element van de JWST. Bestaande uit vijf lagen siliconen-gecoate Du-Pont™ Kapton®, elke laag minder dan 1mm dik, is de primaire doel van de zonwering om de koude kant van de telescoop, waar de instrumentatie gehuisvest is, te scheiden van de kant die de zon aankeek. De maximum temperatuur die laag 1 kan weerstaan is 383K (~231°F), terwijl laag 5 een maximum temperatuur van 221K (~ -80°F) en een minimum temperatuur van 36K (~ -394°F) kan weerstaan. Omdat infrarooddetectoren koele temperaturen prefereren en elke warmte gegenereerd door de JWST's boordsystemen de infraroodsignalen die verzameld worden zou kunnen vervuilen, is de telescoop's gewenste Betriebstemperatuur onder 50K (~ -370°F).

Gegeven de grootte van de zonwering en hoe dun de materialen zijn, was een van de ingenieursuitdagingen waar de ontwerpers mee geconfronteerd waren het maken ervan sterke genoeg om de strapatzen van ruimtereizen weer te staan. Ze bereikten dat door een geniaal systeem van ondersteunende ribben te creëren die de benodigde structurele stabiliteit zullen bieden zonder broos te worden. Het systeem zal ook kleine scheuren en rissen veroorzaakt door ruimtevuil tolereren zonder te faillen.

In termen van technologie kan de JWST in drie secties worden opgedeeld: de Integrated Science Instrument Module (ISIM), de Optical Telescope Element, en de Spacecraft Element.

De Wetenschappelijke Instrumenten

De ISIM bevat de JWST's vier belangrijkste wetenschappelijke instrumenten: de Near-Infrared Camera (NIRCam), de Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), de Mid-Infrared Instrument (MIRI), en de Fine Guidance Sensor/Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS).

De Near-Infrared Camera, gebouwd door de Universiteit van Arizona en Lockheed Martin, zal twee belangrijke functies vervullen. De eerste is het vastleggen van beelden in het 600nm tot 5000nm golflengtebereik met een 10.000-seconde belichting (ongeveer 2,8 uur). Ontworpen om te opereren bij 37K (~ -393°F), zal het observeren en vastleggen van licht geproduceerd door enkele van de eerste sterren en sterrenstelsels gevormd in het universum na de Big Bang. Zijn andere belangrijke functie is het constant monitoren van de prestaties van de primaire spiegel's 18 segmenten, waarborgend dat de telescoop in focus blijft.

De Near-Infrared Spectrograph, bijgedragen door de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA), is uniek in dat het gelijktijdig zo veel als 100 objecten kan analyseren in een 3 arcminuut × 3 arcminuut veld in het 600nm tot 5000nm golflengtebereik. Het kan dit dankzij een innovatief systeem van vier arrays van programmeerbare spleetmaskers die ruwweg 250.000 microsluisjes bevatten, elk met een afmeting van slechts 100 × 200 micron. De NIRSpec heeft vier operationele modi: Multi-Object Spectroscopy (MOS), Integral Field Unit (IFU) Mode, High-Contrast Slit Spectroscopy (SLIT), en Imaging Mode (IMA). Net als de Near Infrared Camera, zal het gebruikt worden om licht geanalyseerd te laten worden van de oorsprong van het universum.

De Mid-Infrared Instrument is ontworpen om zowel als camera als spectrograf te werken en pakt op waar de nabij-infraroodinstrumenten stoppen, het vastleggen en analyseren van licht in het 5000nm tot 28000nm golflengtebereik. De sleutel tot zijn prestaties in dit gebied is zijn arseen-gedopte siliciumdetectoren, ook bekend als Focal Plane Modules (FPMs), die een resolutie van 1024 × 1024 pixels hebben. De MIRI, die cryogenisch gekoeld wordt tot 7K (~ -447°F), bevat ook een Low-Resolution Spectrometer uitgerust met germaaniummetaal en zinksulfideprismen die licht in het 5000nm tot 12000nm golflengtebereik kunnen analyseren. Het is ook uitgerust met coronagrafen, wat het de capaciteit geeft om exoplaneten te bestuderen.

Ten slotte is de Fine Guidance Sensor/ Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, gebouwd door de Canadese Ruimtevaartorganisatie, ontworpen om licht in het 800nm tot 5000nm golflengtebereik te observeren en voert twee functies uit. De Fine Guidance Sensor voorziet de JWST's zin voor richting, het richten op aangewezen doelen. De Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, uitgerust met een 2048 × 2048 pixel kwikzilvercadmium array en een 2.2 ft × 2.2 ft veld, is ontworpen om exoplaneten te detecteren en analyseren.

De Optical Telescope Element (OTE) is, zoals de naam impliceert, de ogen van de JWST. Volgens NASA bestaat het uit de 18 zeshoekige segmenten die de 6,5-meter primaire spiegel vormen; de 0,74-meter cirkelvormige secundaire spiegel; de tertiaire en fijn stuurspiegels; de primaire spiegel's backplane assembly en hoofdbrugsteun, die ook de instrumentmodule huist; het thermisch beheersubsysteem; aft deployable ISIM radiator (ADIR); en het ruimtevaartuig's wavefront sensing en controle systeem.

De Subsystemen

Het laatste stuk van de puzzel is de Spacecraft Element, die bestaat uit de zonwering en de Spacecraft Bus. Naast het ondersteunen van de hele 6500 kg massa van de telescoop, huist de Spacecraft Bus, gemaakt van grafietcomposietmateriaal, de JWST's zes hoofsubsystemen, namelijk het elektrische energiesubsysteem, het houdingscontrolesubsysteem, het communicatiesubsysteem, het commando- en dataafhandelingssubsysteem, het voortstuwings subsysteem, en het thermisch controlesubsysteem.

De primaire functie van het elektrische energiesubsysteem is om de energie verzameld door de zonnepanelen om te zetten in de elektrische energie die vereist is door de andere subsystemen. Het houdingscontrolesubsysteem beheert de orientatie en stabiliteit van de telescoop in de baan. Het communicatiesubsysteem zal de transmissie van data en commando signalen afhandelen via NASA's Deep Space Communication Network. Het commando- en dataafhandelingssubsysteem bevat de JWST's hoofcomputer en Command Telemetry Processor (CTP), evenals het Solid State Recorder (SSR) dataopslagapparaat. Het voortstuwings subsysteem bestaat uit de raketten en brandstoftanks nodig om de telescoop te richten en in zijn juiste baan te houden. En het thermisch controlesubsysteem is ontworpen om de vier Deployable Radiator Shade Assemblies te controleren en kritieke Betriebstemperaturen aan boord van het ruimtevaartuig te handhaven.

Gebaseerd op de buitengewone hoeveelheid en kwaliteit van data verzameld door de Hubble- en Spitzer-ruimtetelescopen, is de verwachting en opwinding over wat we van de JWST kunnen leren begrijpelijk hoog. De verwachte missieduur is 5 - 10 jaar en binnen die tijd hopen wetenschappers niet alleen meer te leren over de oorsprong en vorming van ons universum, maar ook waardevolle informatie te verzamelen over andere mysteries zoals zwarte gaten, supernova's, baby-sterrenstelsels, en verafgelegen planeten die potentieel het leven kunnen ondersteunen.

Ongeacht wat het ontdekt, zoals de fictieve Starship Enterprise in de populaire Star Trek-televisieserie, zal de JWST ons de zeer reële capaciteit geven om wetenschappelijk "waar nog nooit een mens geweest is" te gaan.

Dit artikel is geschreven door Bruce A. Bennett, Editor, Photonics & Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY).

Bronnen

• Ivanova, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide. Baltimore: Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/