James Webb Space Telescope: technologisch huzarenstukje speurt naar oorsprong van ons bestaan
ROEL VERRYCKEN
22 december 2021 20:59
De duurste en meest ambitieuze telescoop ooit gaat zaterdag, op kerstdag, de ruimte in. De James Webb Space Telescope zal als een kosmisch oog het heelal afspeuren naar licht van de allereerste sterren, afgelegen melkwegstelsels en, wie weet, signalen van leven op verre planeten. ‘We kunnen het antwoord op de vraag wie we zijn in dit universum hertekenen.’
In het begin was er niets. Kort na de big bang, 13,8 miljard jaar geleden, bracht alleen de warmtestraling als gevolg van de knal waarmee het allemaal begon licht in de duisternis van het nog jonge heelal. Het waren de ‘dark ages’ van het universum, een periode die enkele honderden miljoenen jaren aanhield en waarin alleen de chemische elementen waterstof, helium en (in heel beperkte mate) lithium bestonden. Tot de zwaartekracht elementaire deeltjes samenbracht en sterren en later melkwegstelsels geboren werden. Zo begonnen de eerste sterren als lichtbakens in het heelal te flikkeren. Maar hoe zagen die eruit? En wat leren ze ons over onze prilste oorsprong?
Het zijn enkele van de vragen die de James Webb Space Telescope (JWST, of gewoon Webb) binnenkort moet beantwoorden. Dat toestel, de krachtigste telescoop buiten de aarde ooit, moet astronomen de kans geven dieper en zuiverder in het heelal te kijken dan tot dusver mogelijk was, en dus ook verder terug in de tijd. Dat betekent onder andere: licht opvangen van die allereerste sterren die al lang niet meer bestaan, licht dat al 13,5 miljard jaar onderweg is. Dat moet tot spectaculaire nieuwe inzichten in de astronomie leiden en ons begrip van het heelal voorgoed veranderen.
De essentie
Wat gaat Webb doen?
De telescoop gaat zoeken naar licht van de allereerste sterren die ontstonden na de big bang. Hij gaat ook de vorming en evolutie van sterrenstelsels bestuderen, de levenscyclus van sterren, en de atmosfeer van exoplaneten.
Waar gaat de telescoop naartoe?
Naar een positie in een baan om de zon, in een lijn met de aarde, op een afstand van 1,5 miljoen kilometer. Dat betekent dat hij niet hersteld kan worden als iets misgaat.
Hoe werkt hij?
Webb zal weg van de zon gericht zijn, omdat de instrumenten heel koud moeten blijven en zodat metingen niet worden verstoord. Een spiegel met een spanwijdte van 6,5 meter vangt licht op, dat wordt verwerkt door vier instrumenten.
Die hypergeavanceerde Webb zit nu nog klaar in het vrachtruim van een Ariane 5-raket op de lanceerbasis van Kourou in Frans Guyana. Zaterdag, op kerstdag iets na 13 uur onze tijd, wordt de telescoop na tientallen jaren van voorbereiding, veelvuldig uitstel en escalerende kosten eindelijk gelanceerd - al blijft zo’n planning altijd onder voorbehoud. Astronoom Bart Vandenbussche van de KU Leuven, al 17 jaar bij de voorbereiding betrokken, gaat met enige spanning naar de livestream kijken, want bij een lancering en de extreme trillingen waaraan de fragiele cargo wordt blootgesteld is het altijd nagelbijten. ‘Maar de Ariane heeft een goed trackrecord.’
Vandenbussche maakte al van dichtbij kennis met de telescoop tijdens tests in het Texaanse Houston, waarbij de werking van het toestel in de ijle ruimte werd gesimuleerd. ‘Heel groot en indrukwekkend.’ De telescoop bestaat uit 18 zeshoekige goudkleurige spiegels uit beryllium, die samen een spanwijdte van 6,5 meter hebben. Het geheel wordt tegen de hitte van de zon beschermd met een zonnescherm, zo groot als een tennisveld, van vijf flinterdunne lagen kaptonfolie met een laagje aluminium en silicium waardoor de spiegels en de vier meetinstrumenten die eraan verbonden zijn, kunnen functioneren aan de vereiste temperatuur van minder dan 223 graden onder nul.
Na de lancering volgt een reis van een maand tot aan de bestemming: een baan rond een punt op 1,5 miljoen kilometer van de aarde (voor wie het wil opzoeken: L2, of het tweede Lagrange-punt), zodat Webb in een stabiele baan om de zon terechtkomt, in een lijn met onze planeet.
Op de weg daarnaartoe moet de telescoop zichzelf zorgvuldig uitvouwen, want hij zit ‘als een Kinder Surprise’ ingeklapt bij het vertrek. Vervolgens moet hij opnieuw tot op een fractie van een micrometer gekalibreerd worden. Dat wordt een delicaat proces, dat duizenden astronomen wereldwijd zenuwachtig zullen opvolgen. De NASA identificeerde 344 punten waarop het mis kan gaan, vooral bij het uitvouwen van het systeem. ‘Het wordt heel bang afwachten tot de eerste signalen binnenkomen’, zegt de sterrenkundige Leen Decin, ook van de KU Leuven. Na zes maanden, tegen het begin van de zomer, moet de telescoop klaar zijn voor astronomisch onderzoek.
Geen marge voor fouten
Er is geen marge voor fouten, zoals die er bij zijn voorganger, de legendarische Hubble, wel nog was. Die bleek eenmaal in de ruimte niet helemaal in focus, met een afwijking van 0,0001 millimeter, wat troebele foto’s opleverde. Maar de Hubble zweeft, al 31 jaar intussen, veel dichter bij de aarde, op ongeveer 550 kilometer, waardoor astronauten in 1993 met een spaceshuttle langs konden vliegen om herstellingen uit te voeren. Door de veel grotere afstand is de JWST op zichzelf aangewezen.
344
De NASA ziet 344 kritieke punten bij het openvouwen van de telescoop in de ruimte waarop het fout kan gaan.
Wetenschappers gaan ervan uit dat Webb het record zal breken en een ouder sterrenstelsel vindt dan het oudste - van 13,4 miljard jaar geleden - dat Hubble wist te spotten. Maar Webb gaat niet alleen speuren naar de geboorte van de allereerste sterren, maar ook naar sterrenstelsels en zwarte gaten om beter te begrijpen hoe ze gevormd worden, naar de levenscyclus van sterren en naar de atmosfeer van exoplaneten. Dat zijn planeten die draaien rond andere sterren dan onze zon, zoals het TRAPPIST-1-systeem met zeven aardeachtige planeten dat de Luikse astronomen Michaël Gillon en Emmanuel Jehin in 2017 ontdekten. Al minstens zeven internationale onderzoeksteams hebben observatietijd bemachtigd om met de telescoop onderzoek te doen naar TRAPPIST-1, dat op ‘amper’ 40 lichtjaren van ons ligt.