Op 24 december wordt de James Webb Space Telescope gelanceerd. Sterrenkundigen kijken reikhalzend uit naar de resultaten van deze nieuwe ruimtetelescoop. Wat maakt de nieuwe ruimtetelescoop zo bijzonder?
1. Wat is de James Webb Space Telescope?
De James Webb Space Telescope – vaak kortweg Webb of JWST genoemd – is de grootste ruimtetelescoop die ooit is gebouwd. De uitklapbare hoofdspiegel, die het zwakke licht van verre sterren en sterrenstelsels opvangt en bundelt, heeft een diameter van 6,5 meter. Zelfs voor een telescoop op het aardoppervlak is dat behoorlijk groot. Om de gevoelige camera’s en meetinstrumenten tegen de felle zonnestraling te beschermen, is de telescoop uitgerust met een gigantisch zonnescherm dat in de ruimte moet worden uitgevouwen.
De James Webb Space Telescope is een gezamenlijk project van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, de Europese ESA en het Canadese ruimtevaartagentschap CSA. De lancering vindt plaats met een Europese Ariane 5-ECA-raket, vanaf de lanceerbasis in Kourou, Frans-Guyana. De telescoop kan straks gebruikt worden door astronomen van over de hele wereld. Een speciale commissie selecteert uit alle binnengekomen waarnemingsvoorstellen de beste kandidaten.
2. Hoe verhoudt JWST zich tot de Hubble-ruimtetelescoop?
De Hubble Space Telescope, die in april 1990 werd gelanceerd en nog steeds functioneert, is een van de meest succesvolle instrumenten uit de geschiedenis van de sterrenkunde. Hubble heeft op elk deelgebied van de astronomie revolutionaire resultaten geboekt. ‘Ik ben ervan overtuigd dat JWST net zo revolutionair zal zijn als Hubble’, aldus de Britse kosmoloog Richard Ellis (University College London).
Webb is veel gevoeliger dan Hubble: zijn hoofdspiegel is ruim zes keer zo groot, waardoor veel zwakkere objecten zichtbaar zullen zijn. Dat betekent dat sterrenkundigen nog verder het heelal in kunnen kijken, en bovendien kleinere details kunnen onderscheiden.
Een groot verschil is wel dat de camera’s en spectrografen van JWST ontworpen zijn voor waarnemingen op infrarode golflengtes (infrarode straling is ‘warmtestraling’ die niet zichtbaar is voor het menselijk oog). Hubble deed voornamelijk waarnemingen in zichtbaar licht. Een nog belangrijker verschil is dat er geen onderhoud gepleegd kan worden aan de James Webb Space Telescope. Dat gebeurde bij Hubble wel een aantal keren – het laatst in 2009. Daardoor kon hij uitgerust worden met nieuwe camera’s, zonnepanelen, gyroscopen en boordcomputers.
3. Hoe lang is er aan JWST gewerkt?
De eerste ideeën voor een opvolger van de Hubble-telescoop dateren uit 1996. Het doel was toen om een ruimtetelescoop te bouwen met een spiegeldiameter van 8 meter. Die zou ‘slechts’ 500 miljoen dollar kosten, en in 2007 gelanceerd worden. Al snel bleek dat dat wel héél optimistisch was, zowel qua planning als qua budget.
In 2005 koos NASA voor een sterk aangepast ontwerp; de totale projectkosten waren toen al opgelopen tot een paar miljard dollar. Door tal van technische tegenslagen en vertragingen werd de bouw van de telescoop, onder leiding van ruimtevaartbedrijf Northrop-Grumman, pas in 2016 voltooid. Pas daarna kon het uitgebreide testprogramma van start gaan. Ook daarbij kwamen nieuwe problemen om de hoek kijken, waarna de covid 19-pandemie begin 2020 nog eens voor vertraging zorgde. De lancering staat nu gepland voor 18 december; de huidige kosten bedragen een kleine 10 miljard dollar.
NASA-astronoom en Nobelprijswinnaar John Mather, de wetenschappelijke projectleider van JWST, is echter nooit bezorgd geweest dat het project zou worden gecanceld. ‘Er bestaat gewoon geen andere manier om te zien wat JWST straks gaat waarnemen’, zegt hij.
4. Wat gaat JWST ons leren over het heelal?
De nieuwe ruimtetelescoop heeft vier belangrijke wetenschappelijke doelstellingen, die met opzet heel breed zijn geformuleerd. Om te beginnen gaat Webb jacht maken op de ‘kosmische dageraad’: het licht van de allereerste sterren en sterrenstelsels die relatief kort na de geboorte van het heelal zijn ontstaan. ‘Dat ‘eerste licht’ werd vermoedelijk zo’n 250 tot 350 miljoen jaar na de oerknal uitgezonden’, aldus Ellis.
Een tweede doel is de evolutie van sterrenstelsels bestuderen: hoe zijn de eerste kleine, onregelmatige verzamelingen van sterren in de loop van de tijd uitgegroeid tot de grote, statige stelsels zoals onze eigen Melkweg? Daarnaast bestudeert de James Webb-telescoop het ontstaan van sterren en planetenstelsels in ons eigen Melkwegstelsel. Volgens astrochemicus Ewine van Dishoeck (Leidse Sterrewacht) kan de ruimtetelescoop de samenstelling achterhalen van het materiaal – gas, ijs en silicaten – waaruit planeten zijn samengeklonterd. Dat levert ook meer informatie op over de ontstaansgeschiedenis van de aarde.
Tot slot zal JWST in staat zijn om bestaande planeten bij andere sterren (zogeheten exoplaneten) in detail te bestuderen en te karakteriseren. Onderzoek aan de samenstelling van de atmosferen van exoplaneten biedt hopelijk ook nieuw inzicht in het ontstaan van leven in het heelal.
5. Hoe ziet het instrumentarium van JWST eruit?
De James Webb Space Telescope is uitgerust met vier wetenschappelijke instrumenten. NIRCam (Near-InfraRed Camera), gebouwd onder leiding van de University of Arizona, maakt foto’s in het golflengtegebied van 600 nanometer (oranje licht) tot 5 micrometer (nabij infrarood). Het is de belangrijkste camera van JWST, die vermoedelijk de mooiste plaatjes gaat opleveren.
NIRSpec (Near-InfraRed Spectrograph) verricht spectroscopische metingen in hetzelfde golflengtegebied. Door de ‘samenstelling’ van het opgevangen licht in detail op te meten, komen sterrenkundigen veel te weten over allerlei natuurkundige processen in sterrenstelsels en stervormingsgebieden, en over de aanwezigheid van molecules in de interstellaire ruimte en in verre planeetatmosferen. NIRSPec is een van de Europese bijdragen aan JWST.
MIRI (Mid-InfraRed Instrument) is een Amerikaans/Europese combinatie van een camera en een spectrometer voor langere infraroodgolflengtes, van 5 tot 27 micrometer, met een belangrijke bijdrage uit Nederland. ‘Wij hebben het Nederlandse deel van MIRI al in 2008 afgeleverd’, zegt Van Dishoeck. ‘Alle tests sindsdien, inclusief dit jaar, laten zien dat MIRI nog steeds goed functioneert.’
Het vierde en laatste instrument is FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph) – de bijdrage uit Canada. Het gaat om een combinatie van een standregel- en stabilisatiesysteem en een nabij-infrarode camera/spectrograaf.
6. Waarom kijkt JWST vooral in het infrarood?
Sterren en planeten ontstaan in kosmische wolken van gas en stof. De stofdeeltjes (in afmetingen eerder vergelijkbaar met rookdeeltjes) absorberen zichtbaar licht. Met een ‘gewone’ telescoop is het inwendige van de wolken dus niet goed te bestuderen. Op infrarode golflengtes lukt dat wel. Bovendien is de spectroscopische ‘vingerafdruk’ van verreweg de meeste molecules in het heelal ook alleen zichtbaar op die golflengtes. ‘MIRI kan een volledige inventarisatie maken van molecules’, aldus Van Dishoeck. Dat lukt ook alleen maar vanuit de ruimte: de aardse dampkring absorbeert de meeste infrarode straling uit het heelal, waardoor veel molecules, zoals bijvoorbeeld kooldioxide (CO2), helemaal niet zichtbaar zijn met een infraroodinstrument op een aardse telescoop.
Ook voor het bestuderen van het pasgeboren heelal moet je waarnemingen verrichten op infrarode golflengtes. De straling van de allereerste sterren en sterrenstelsels, voornamelijk uitgezonden op ultraviolette golflengtes en in de vorm van zichtbaar licht, heeft miljarden jaren door het uitdijende heelal gereisd, en komt daardoor met een veel langere golflengte op aarde aan – een effect dat ‘roodverschuiving’ wordt genoemd. ‘Door in het infrarood te kijken, kan JWST ons het laatste ontbrekende puzzelstukje van de kosmische evolutie opleveren’, zegt Ellis.
7. Welke baan in de ruimte gaat JWST beschrijven?
De Hubble Space Telescope draait op circa 500 kilometer hoogte in een baan om de aarde. De James Webb Space Telescope wordt echter in een baan om de zon gebracht, waarbij de ruimtetelescoop zich – gezien vanaf de zon – gemiddeld altijd zo’n 1,5 miljoen kilometer achter de aarde bevindt, in het tweede zogeheten Lagrange-punt van de aardbaan.
Overigens hangt de ruimtetelescoop niet echt stil in dat L2-punt, zoals vaak wordt gedacht, maar beschrijft hij er een wijde, enigszins zwalkende ‘halo-baan’ omheen, met een straal van circa 800.000 kilometer en een omlooptijd van zes maanden. Het grote voordeel van zo’n halo-baan is dat de zonnepanelen van JWST continu door de zon worden beschenen, en dat de telescoop geen grote temperatuurschommelingen ondervindt.
Nadelen zijn er ook: er bestaat geen eenvoudige mogelijkheid om een onderhouds- of reparatievlucht naar de ruimtetelescoop uit te voeren, en om in de beoogde halo-baan te blijven, moet Webb regelmatig een beetje worden bijgestuurd, wat brandstof kost.
8. Wat is het spannendste deel van de missie van JWST?
Wetenschappelijk projectleider John Mather hoeft er niet lang over na te denken: ‘De lancering, het uitvouwen van het zonnescherm en het uitklappen van de hoofdspiegel zijn de meest kritische fases. Als dat niet lukt, werkt de rest ook niet.’
Het zonnescherm meet in uitgevouwen toestand 20 bij 14 meter. Het bestaat uit vijf extreem dunne laagjes kunststof, voorzien van coatings van aluminium en silicium. Het scherm moet ervoor zorgen dat de ruimtetelescoop nooit warmer wordt dan 223 graden onder nul – slechts 50 graden boven het absolute nulpunt. Dat is nodig omdat de waarnemingen anders verstoord worden door de eigen warmtestraling van het instrument. De 6,5 meter grote hoofdspiegel is samengesteld uit achttien zeshoekige segmenten, en kan ook pas in de ruimte volledig worden opengeklapt. De spiegelsegmenten bestaan uit het lichte materiaal beryllium en zijn voorzien van een reflecterende goudlaag.
Tot slot moet ook de secundaire spiegel van JWST op zijn plaats worden gebracht, op het uiteinde van een uitklapbare arm. Pas als dat allemaal gelukt is, in de dagen en weken na de lancering, kan Mather weer opgelucht ademhalen.
9. Hoe lang blijft JWST in bedrijf?
De nieuwe ruimtetelescoop is ontworpen voor (en begroot op) een operationele levensduur van minimaal vijf jaar. Als er zich geen grote tegenslagen voordoen, zal dat in 2027 ongetwijfeld met nog eens vijf jaar worden verlengd, is de algemene verwachting.
Na ongeveer tien jaar in de ruimte zal de brandstofvoorraad van de stuurraketjes van JWST echter zijn opgebruikt, dus het is uitgesloten dat Webb even lang ‘in bedrijf’ zal zijn als Hubble, die inmiddels al meer dan dertig jaar meegaat.
Tegen de tijd dat het einde van JWST nadert, zullen zowel ESA als NASA nieuwe (kleinere) ruimtetelescopen gelanceerd hebben: respectievelijk Euclid en de Nancy Grace Roman Space Telescope. Ondertussen liggen er ook uitgewerkte plannen op de tekentafel voor veel grotere ruimtetelescopen, zoals de Origins Space Telescope, HabEx (Habitable Exoplanet Observatory) en LUVOIR (Large UV/Optical/IR Surveyor). ‘Wat mij betreft zijn ze allemaal het bouwen waard’, zegt Mather. ‘Het is vooral een kwestie van hoe en wanneer.’
10. Naar wie is JWST eigenlijk vernoemd?
James Webb (1906-1992) was de tweede topman van de Amerikaanse NASA. Hij gaf van februari 1961 tot oktober 1968 leiding aan het ruimtevaartagentschap, en speelde een belangrijke rol bij het realiseren van het Apollo-programma. In 2002 maakte de toenmalige NASA-baas Daniel Goldin bekend dat de Next Generation Space Telescope naar Webb genoemd zou worden. Een enigszins opmerkelijk besluit, omdat ruimtetelescopen meestal saaie acroniemen als naam krijgen, of naar een wetenschapper worden vernoemd.
De laatste tijd is er veel druk op NASA uitgeoefend om de nieuwe ruimtetelescoop een andere naam te geven. Verschillende astronomen hebben erop gewezen dat Webb – voornamelijk vóórdat hij leiding gaf aan NASA – een dubieuze rol heeft gespeeld in pogingen van de Amerikaanse regering om homoseksuelen zo veel mogelijk uit te sluiten van bepaalde overheidsfuncties. In de zomer van 2021 heeft NASA een onafhankelijk onderzoek naar deze kwestie uitgevoerd, en even leek het erop dat de James Webb Space Telescope uiteindelijk onder een andere naam furore zou kunnen gaan maken in het ontraadselen van de geheimen van het heelal. Eind september werd echter duidelijk dat er toch voor is gekozen om de huidige naam te behouden.
