Végre útjára indulhat minden idők legfejlettebb és legdrágább űrtávcsöve, a James Webb

Támogasd a tudomány népszerűsítését, segítsd a munkánkat!

Több mint egy évtizednyi csúszás után, december 22-én végre elindulhat a James Webb űrteleszkóp, amely a csillagászok reményei szerint a Hubble-höz hasonlóan forradalmasíthatja a kozmoszról alkotott képünket. Az amerikai, európai és kanadai űrügynökségek által kifejlesztett űrtávcsővet a Francia Guyanában található Guyanai űrközpontból lövik majd fel, egy Ariane 5 rakéta fedélzetén.

A James Webb elsősorban a bolygónk légköre által nagyrészt elnyelt, ezért földi teleszkópokkal nehezen vizsgálható közeli infravörös tartomány – és nem az ember által látható fény – összegyűjtésével fogja feltárni a kozmosz rejtelmeit. Ez lehetővé teszi majd a csillagászoknak az univerzum legkorábbi galaxisainak vizsgálatát, melyek néhány száz millió évvel az ősrobbanás után kezdhettek kialakulni. A James Webb ezáltal fényt deríthet a titokzatos sötét anyag rejtelmeire és arra is, hogyan alakulhattak ki a ma legtöbb galaxis középpontjában megtalálható szupermasszív fekete lyukak.

A közel 10 milliárd dolláros összköltségű és a tervek szerint 5–10 évig működő űrtávcső nemcsak a legtávolabbi és legősibb objektumokat, hanem más csillagok körül keringő bolygókat is vizsgálni fog. A kutatók reményei szerint képes lesz a Földhöz hasonló méretű és a folyékony víz felszíni jelenlétét lehetővé tevő, úgynevezett lakhatósági zónában keringő exobolygók légkörét is felderíteni, és megállapítani, hogy milyen gázokat tartalmaznak, vagyis alkalmas környezetet biztosíthatnak-e az élethez.

A Hubble űrtávcső "ultramély ég" felvételének részlete 10 ezernél is több galaxist tartalmaz, köztük olyanokat, melyek 13 milliárd éve, az univerzum hajnalán jöttek létreFotó: NASA/ESA/Hubble

Az elmúlt évtizedek egyik legfontosabb tudományos műszerének munkájához magyar kutatók is hozzájárulnak. A Szegedi Tudományegyetem Optikai és Kvatumelektronikai Tanszékének tudományos munkatársa, Szalai Tamás kollégáival együtt szupernóva-robbanások csillagközi por formálódásához vezető utóhatásait derítheti fel a teleszkóppal. Ábrahám Péter, a CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Kutatóintézetből pedig munkatársaival az Ex Lupi csillag körüli porból és gázokból álló akkréciós korong jellemzőit fogja vizsgálni a James Webbbel.

A NASA 1996-ban álmodta meg az űrtávcső terveit, akkoriban rendkívül optimistán 2007-es fellövéssel és 560 milliós összköltséggel számolva. Ebből 14 év csúszás és 20-szoros költségnövekedés lett, köszönhetően a James Webb elképesztő komplexitásának, a tesztelése közben fellépő hibáknak és a covidjárványnak, amelyek többször veszélybe sodorták a program folytatását. A teleszkópot a NASA 1960-as évekbeli vezetőjéről nevezték el, és emiatt parázs viták robbantak ki az utóbbi években, James E. Webb ugyanis minimum nem avatkozott közbe, amikor a NASA-tól – és korábban az Egyesült Államok külügyminisztériumából, ahol az 1950-es években jelentős tisztviselő volt – szexuális orientációjuk miatt távolítottak el dolgozókat. Több mint 1200 ember, köztük csillagászok tiltakozása ellenére az űrügynökség szeptember végén úgy döntött, nem nevezi át a teleszkópot.

Az indítást követő első hónapban mindennek jól kell mennie, egyébként elveszik az űrtávcső

A nagyrészt az amerikai Northrop Grumman vállalat által épített, 2016-ban befejezett James Webb messze az eddigi legnagyobb tükörátmérővel rendelkező űrtávcső lesz, melyet az emberiség valaha pályára állított. A 6,5 méter átmérőjű, a Hubble-énál több mint 2,5-szer nagyobb tükör 18 egyéni elemből áll. Ezek a hatszögletű, berilliumból készült, arany borítású panelek egy hatalmas, 25 négyzetméteres területű főtükörként gyűjtik be a fényt, amit aztán egy segédtükörre fókuszálva a méréseket elvégző detektorokba juttatják.

A James Webb berendezéseiIllusztráció: Tóth András/Qubit.hu/Northrop Grumman

Az űrtávcsövön négy tudományos műszer kapott helyet:

  • az Arizonai Egyetemen épített, látható fény és közeli infravörös tartományban (0,6–5 mikrométer) mérő NIRCam képalkotó;
  • a holland fejlesztésű NIRSpec, amely spektroszkópiai méréseket végez majd a NIRCam hullámhosszain, közeli infravörös tartományban;
  • a NASA mellett több európai ország részvételével kifejlesztett MIRI, amely közép- és távoli infravörös tartományban mér (5-től 27 mikrométerig);
  • és egy képalkotó, valamint objektumok összetételének megállapításra képes spektrométer, az FGS/NIRISS.
A James Webb az elektromágneses spektrum főként közeli infravörös és közép-infravörös tartományában mér majdGrafika: NASA

A NIRCam és MIRI detektorokat ezen kívül felszerelték távoli csillagok fényét kitakarni képes koronográffal, amely lehetővé teszi körülöttük lévő halvány objektumok, mind például exobolygók megfigyelését. Végül a kanadai FGS-NIRISS az önálló, közeli infravörös tartományú mérések mellett segíti a többi detektor munkáját is, és lényegében egy szenzorként funkcionál a teleszkóp stabilan, megfelelő irányban tartásához.

A NASA technikusai a James Webb 18 elemből álló főtükrét vizsgálják 2016-banFotó: NASA

Mivel a James Webb egy infravörös teleszkóp, a tükreinek és detektorainak fagyos hőmérsékleten, –223 fokon kell működnie, hogy a méréseket ne zavarják a célponttól eltérő, külső hőforrások. A tükrök és a detektorok a teleszkóp árnyékolt oldalán, míg az áramellátáshoz szükséges napelemei, kommunikációs antennája és számítógépe a napos oldalon helyezkedik el.

A teleszkóp nem Föld körüli pályán fog dolgozni, mint a Hubble, hanem a Naptól Föld irányába húzódó képzeletbeli tengely Naptól nézve átellenes pontján, a gravitációsan bolygónkhoz képest stabil L2 Lagrange-pontból végzi majd megfigyeléseit. Ez 1,5 millió kilométerre van a Földtől, amely távolság garantálja a Föld és a Hold zavaró hővisszaverő hatásának kiszűrését. A Napsugárzástól a James Webbet 5 rétegből álló, kapton polimer film védi, amelynek kihajtogatása a küldetés talán legkockázatosabb fázisa lesz, és mindenképpen sikerülnie kell. Rizikós pont lesz még a főtükör kibontása is, mert az egyes elemeknek rendkívüli precizitással kell összeállniuk, hogy a teleszkóp éles képet adjon. Ha ebbe a két fázisba bármilyen komoly hiba csúszik, a James Webb lényegében használhatatlan lesz.

A James Webb az L2 Lagrange-pontból fogja vizsgálni az univerzumot, a Földtől 1,5 millió kilométerreGrafika: NASA

A valaha épült egyik legdrágább tudományos műszer 10 milliárd dolláros ára éppen kissé elmarad az Egyesült Államok új generációs, nukleáris meghajtású USS Gerald Ford repülőgéphordozójának költségétől. A teleszkóp tervezésének, megépítésének és üzemeltetésének túlnyomó részét (9,7 milliárdot) a NASA állja, az európai űrügynökség (ESA) 0,8 milliárdot biztosít, amiben benne van az indítás költsége is, a kanadai űrügynökség (CSA) pedig 160 millió dollárral járult a projekthez. Ennek a befektetésnek hála európai, köztük magyar kutatók a megfigyelési idő 15 százalékából, kanadai kutatók pedig az 5 százalékából részesednek.

Feltárhatja a legkorábbi galaxisok titkait

Ahogy Grant Tremblay, harvardi asztrofizikus a Quanta magazinnak nyilatkozva fogalmazott: „Ez lesz a mi »merj hatalmas dolgokat csinálni« pillanatunk” – utalva ezzel a NASA JPL kutatóintézetének „dare mighty things” mottójára. A kutató szerint „a James Webb űrteleszkóp lenyűgöző dolgokat fog véghez vinni, és eredményeinek hála a New York Timesban fogunk a legkorábbi csillagok, galaxisok és Földhöz hasonló exobolygók megpillantásáról beszámolni. Remélem működni fog.”

A főként közeli infravörös és közép-infravörös tartományban mérő James Webb hatalmas előrelépést jelent a Hubble űrtávcsőhöz képest, annál sokkal távolabbra lát majd el, és az univerzum jóval korábbi eseményeit lesz képes feltárni. Azonban nem ez az első jelentős infravörös űrtávcső: az amerikai Spitzernek és az európai, 3,5 méteres tükörátmérővel rendelkező Herschelnek legalább annyira utódának tekinthető a James Webb, mint a Hubble-nek.

A 13,4 milliárd éves GN-z11 galaxis a Hubble űrtávcső felvételénFotó: NASA/ESA/Hubble

A James Webbel lehetőség nyílik olyan ősi, ezért erős vöröseltolódással rendelkező galaxisok vizsgálatára, melyek a 13,78 milliárd évvel ezelőtti ősrobbanás után mindössze néhány tíz millió évvel alakultak ki. A kozmológiai vöröseltolódás a fény (elektromágneses sugárzás) hullámhosszának a világegyetem tágulásával zajló, a Földtől nagyon távoli objektumok esetén észlelhető növekedése. A GN-z11 jelenleg a legnagyobb, 11-es redshift értékkel rendelkező, egyben a legősibb és a legtávolabbi ismert galaxis, amely az ősrobbanás után 400 millió évvel keletkezhetett, és tőlünk 32 milliárd fényév távolságra található – a világegyetem fénysebességnél gyorsabb tágulásának köszönhetően a megfigyelhető univerzum közel 46 milliárd fényév minden irányba.

Az M87 galaxis középpontjában lévő szupermasszív fekete lyuk az Event Horizon rádióteleszkóp-rendszer felvételénFotó: Event Horizon Teleszkóp kollaboráció

A James Webb mérései a legősibb galaxisok keletkezésébe adhatnak betekintést, és feltárhatják, hogy mi a sötét anyag szerepe a galaxisok formálódásának folyamatában, és ez mit árulhat el annak természetéről. Választ kaphatunk arra is, hogyan jöhettek létre a legtöbb galaxis középpontjában előforduló, általában több millió naptömegű szupermasszív fekete lyukak, amelyek valószínűleg kisebb fekete lyukakból formálódnak. A James Webb a legkorábbi galaxisok detektálása mellett azok elemi összetételét is meg tudja majd határozni spektrográfjai segítségével.

A teleszkóp a világegyetem tágulási sebességének értékét szintén pontosíthatja, a kozmikus távolságmérésre használt Cefeida változócsillagoknak a korábbiaknál precízebb megfigyelésével, potenciálisan feloldva egy, a kozmológusok körében évek óta tartó vitát a világegyetem tágulásának sebességéről. Az ilyen kozmikus kérdések mellett saját galaxisunk különböző régióiba is új betekintést engedhet, például a csillagformálódási régiókban megtalálható gáz és por jellemzőit tanulmányozva.

Kiderül, milyen molekulákat tartalmaznak a Földhöz hasonló exobolygók légkörei

Ugyan már korábban is sikerült más csillagok körül keringő hatalmas gázóriások légkörének vizsgálata, a James Webb végre elég érzékeny lesz ahhoz, hogy a Földhöz hasonló bolygók légkörét is feltárja a kutatók előtt. Érzékeny infravörös spektrográfjaival képes megállapítani a csillagból érkező és a Földhöz hasonló méretű exobolygók légkörén átszűrődő fény színképét, amiből kiderülhet, hogy milyen gázok és molekulák alkotják az adott bolygó légkörét.

A Nature információi szerint az első évben végzett megfigyelések egyik célpontja a Trappist-1 bolygórendszer lehet, ahol hét Földhöz hasonló kőzetbolygó található, amelyből három vagy négy a csillag körüli lakhatósági zónában helyezkedik el. Emellett az elsők között megfigyelt exobolygó lehet a K2-141b-nek nevezett, a Földnél nem sokkal nagyobb kőzetbolygó, melynek felszíne a kutatók szerint részben megolvadt lávából áll.

A tőlünk 39 fényévre lévő Trappist-1 bolygórendszer a saját naprendszerünkkel összehasonlítva. A Trappist-1 parányi vörös törpe csillaga körül keringő hét, Földhöz hasonló méretű kőzetbolygó közül három a csillaga lakhatósági zónájában lehetIllusztráció: NASA/JPL-Caltech

A James Webb nemcsak távoli naprendszereket, hanem a sajátunkat is tanulmányozza majd. Egyrészt annak külső régióit, például a jeges törmelék, a Plútóhoz hasonló törpebolygók és (ideiglenesen) a New Horizons szonda által lakott Kuiper-övezetben található égitesteket, remélhetőleg válaszokkal szolgálva a saját naprendszerünk eredetével és a bolygók formálódásával összefüggő kérdésekre. Másfelől a két külső gázóriás, az Uránusz és a Neptunusz felsőlégkörének kémiai összetételét is vizsgálni fogja, ami hozzásegíthet más csillagok körül keringő, hasonló bolygók tulajdonságainak megértéséhez.

Ha minden rendben alakul a december 22-ei indítás és a kezdeti, néhány hónapos beüzemelés során, a James Webb jövő nyártól kezdheti meg a tudományos adatok gyűjtését, és több ezer csillagász álmát valóra váltva új ablakot nyithat a világegyetemre.

A Qubit szerkesztősége azért dolgozik, hogy a magyar nyilvánosság hiteles, alapos és közérthető tudományos ismeretekhez jusson. Tesszük ezt politikamentesen, közszolgálati hevülettel, száznál több kutató és tudós bevonásával. Égető kérdések, dermesztő válságok és zavaros álhírek sűrűjében igyekszünk tartani a fáklyát immár havi bő hétszázezer olvasónknak. Cikkeink ingyen olvashatók, de nem ingyen készülnek. Segítsd a munkánkat!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: