Op kerstochtend 2021 staat de Ariane 5-raket klaar op de Europese lanceerbasis Kourou in Frans Guyana om gelanceerd te worden. Aan boord bevindt zich de James Webb-ruimtetelescoop die als een origamifiguur in elkaar gevouwen is om zo net in de raket te passen. Kourou is een ideale locatie voor een lanceringsplaats omdat het dicht bij de evenaar ligt. Hierdoor kan de rotatie van de aarde de raket gedurende de lancering nog eens een extra duwtje in de rug geven. En dan is het zover: na maar liefst 25 jaar kan het aftellen beginnen. 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1… motorstart… en lift-off! Na één volle minuut waarin alle sterrenkundigen op de wereld hun adem inhouden, verdwijnt de Ariane 5 tussen het wolkendek: een succesvolle lancering die ervoor zorgt dat Webb met maar liefst 10 kilometer per seconde zijn reis naar het tweede Lagrangepunt begint.
Waar ligt het tweede Lagrangepunt?
Om te begrijpen waar het tweede Lagrangepunt licht, gaan we even op een denkbeeldige ruimtereis. De aarde draait in een mooie cirkel om de zon heen. Als we met een raket verder reizen dan dat mensen ooit zijn geweest, kunnen we deze cirkel van bovenaf bekijken. De zon bevindt zich dan dus in het midden van de cirkel. We trekken dan een lijn door de zon en de aarde heen. Als we deze lijn vanaf de zon naar de aarde volgen en de aarde passeren, bevindt het L2-punt zich nog zo’n 1,5 miljoen kilometer verder. 1,5 miljoen kilometer is bijna 4 keer de afstand van de aarde tot de Maan.
Terwijl Webb in slechts 3 dagen de afstand van de aarde tot de Maan aflegt, duurt het in totaal 30 dagen voordat hij het L2-punt bereikt. Het L2-punt is een stabiele, koude positie. Hiermee bedoelen we dat Webb dezelfde positie behoudt ten opzichte van de zon en de aarde. Dit is een van de vereisten om de infraroodstraling van de oude en verre sterren en sterrenstelsels te kunnen meten met een buitengewone gevoeligheid.
Er worden natuurlijk wel vaker raketten met instrumenten gelanceerd. Inmiddels zijn er zo’n 6500 satellieten die in een baan rondom de aarde blijven bewegen. Daarnaast zijn er ook al meer dan 100 ruimtetelescopen naar de ruimte gestuurd. Dan zou je bijna denken dat een lancering van een nieuwe ruimtetelescoop niet zo bijzonder is. Webb kreeg echter wel heel veel media-aandacht. Zo wordt Webb vaak vergeleken met ruimtetelescoop Hubble. Wat maakt Webb nou zo bijzonder en complex, hoe gaat Webb het universum waarnemen en welke nieuwe astronomische ontdekkingen kunnen we verwachten van Webb?
Gigantisch krachtig
Tot nu toe staat het record van het waarnemen van het oudste en verste object op naam van de ruimtetelescoop Hubble. Deze stond op een afstand van maar liefst 13,4 miljard jaar. Webb is ontworpen om nog verder te kunnen kijken dan Hubble. Webb is maar liefst 100 keer krachtiger dan de Hubble-ruimtetelescoop. Hubble kon objecten waarnemen door te kijken naar het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum. Webb gaat echter naar infraroodstraling kijken waardoor hij licht kan opvangen van objecten die ontstaan zijn vlak na de big bang, 13,7 miljard jaar geleden. Met deze waarnemingen hopen astronomen te onthullen hoe de oorspronkelijke sterren eruitzagen.
Waarom kunnen infrarode ogen verder het heelal inkijken?
Webb bestudeert infrarood licht dat net buiten het zichtbare deel van het spectrum valt. Door de uitdijing van het heelal wordt het licht van verre sterren en sterrenstelsels verschoven naar langere (en dus rodere) golflengten. Dit is wat sterrenkundigen ook wel roodverschuiving of redshift noemen. Bovendien helpt het bekijken van infrarood licht ons ook met het kijken naar pasgeboren sterren en planeten. Deze verschuilen zich nog achter stof dat al het zichtbaar licht absorbeert. Webbs infrarode blik kan door het stof heen kijken en daardoor onthullen wat erachter zit. Handig hè?
Naast dat Webb de krachtigste ruimtetelescoop ooit is, is het ook de grootste. De eerste spiegel is opgebouwd uit 18 gouden individuele hexagonale spiegels die stuk voor stuk bijna 1,5 meter lang zijn. Samen vormen de spiegels één grote spiegel van maar liefst 6,4 meter hoog en breed. De hele telescoop is zo hoog als een flat met drie verdiepingen en de zonnepanelen hebben een oppervlakte die zo groot is als een tennisbaan. Dit is dan ook de reden waarom de telescoop in origamistijl opgevouwen is om in de 4,5 meter brede raketkuip van de Ariane-raket te passen. Eenmaal in de ruimte werd Webb in 50 cruciale uitrolfasen opengevouwen.
Hoe helpen het zonneschild en de zonnepanelen met het afkoelen van Webb?
Sinds het zonneschild van Webb is uitgeklapt koelt de rest van de instrumenten van de telescoop af. Een zonneschild moet de telescoop tegen de infrarode straling van de Zon, de aarde en de Maan beschermen. Het schild vormt zo een scheiding tussen de zonnekant, met een temperatuur van ongeveer 110°C, en de schaduwkant, ongeveer -230°C. Alsof je zonnebrand met zonnefactor 1 miljoen zou gebruiken. Om dit te kunnen doen heeft het zonneschild 5 lagen. Elke laag is gemaakt van Kapton en is zo dun als één mensenhaar.
Het hele koelingsproces duurt ongeveer 5 maanden. Webb doet er zo lang over om af te koelen, omdat lucht in de ruimte niet hetzelfde is als lucht in onze atmosfeer. De energieoverdracht in de atmosfeer verloopt via convectie, geleiding en straling. De ruimte is een vacuüm waardoor objecten in de ruimte alleen warmte kunnen verliezen door straling. Doordat er geen convectie en geleiding mogelijk is wordt het afkoelingsproces dan ook vertraagd. Sommige onderdelen van Webb zullen vrij snel afkoelen. Alleen voordat de hele structuur stabiel is en een thermisch evenwicht heeft bereikt, zijn we zo een paar maanden verder. Het MIRI-instrument moet nog 30 graden kouder zijn dan de rest van de ruimtetelescoop. Daarom is er voor MIRI een speciale koelkast ontworpen die zijn stroom van de zonnepanelen haalt.
De kracht van Webb is niet alleen te danken aan de grootte van zijn hoofdspiegel. De extreme gevoeligheid en nauwkeurigheid van de vier wetenschappelijke instrumenten zorgt ervoor dat we de juiste informatie uit het ontvangen licht kunnen halen. Deze instrumenten bevinden zich direct achter de hoofdspiegel in de Integrated Science Instrument Module. Stuk voor stuk vormen ze een cruciale bijdrage aan de observaties van het licht van verre sterren en sterrenstelsels, en planeten die om andere sterren draaien. Figuur 4 geeft een overzicht van de vier instrumenten en hun hoofddoelen.
Near-InfraRed Spectrograph (NIRSpec)
Het NIRSpec-instrument is een spectrograaf. Het instrument maakt geen foto’s, maar kijkt naar de nabij-infraroodspectra van verschillende objecten. Zo kan NIRSpec in één meting 200 sterren of verre sterrenstelsels waarnemen. Hierbij wordt de waarneemtijd van Webb zeer efficiënt gebruikt. Voor alle objecten is er een keuze om ze te bestuderen met een lage, gemiddelde of hoge spectrale resolutie. Met lage tot medium resolutie kan Webb kijken naar de oorsprong en eigenschappen van de allereerste sterren en sterrenstelsels. Een medium tot hoge resolutie staat ons toe om onderzoek te doen naar planeetschijven en de oorsprong van levensvormen. Tot slot hebben we nog de geboorte van sterren en planetenstelsels en de vorming van sterrenstelsels. Hiervoor combineert Webb verschillende resolutieniveaus om een optimale spectrale kwaliteit over een groot blikveld te kunnen waarnemen.
Near-InfraRed Camera (NIRCam)
De NIRCam is een nabij-infraroodcamera die tegelijkertijd met twee zogenoemde modules (A & B) beelden van de kosmos zal maken. De modules kijken samen naar twee unieke aangrenzende stukjes van de hemel. De korte golflengteband van module A observeert licht van 0,6 tot 2,3 micron en de lange golflengteband van module B observeert licht van 2,4 tot 5 micron. Deze golflengtes zijn cruciaal voor het detecteren en observeren van het licht van de eerste sterren en sterrenstelsels. Door gebruik te maken van een coronagraaf kan de camera daarnaast ook gebruikt worden om exoplaneten te karakteriseren. De NIRCam wordt ook wel gezien als de belangrijkste camera van Webb. Dit komt omdat hij naast de wetenschappelijke observaties ook wordt gebruikt voor het uitlijnen van de 18 segmenten van de hoofdspiegel.
Near-InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS)
NIRISS heeft drie waarnemingsstanden: een nabij-infraroodcamera die kan samenwerken met de NIRCam, een spleetloze spectrograaf die al het licht dat op de camera valt verstrooit en een spectroscopische modus die speciaal ontworpen is om exoplaneten te karakteriseren met behulp van transit-spectroscopie. Transit-spectroscopie is een techniek waarbij het licht afkomstig van een ster vergeleken wordt met het sterlicht dat door de atmosfeer van een voorbijkomende planeet schijnt. Specifieke moleculen en aerosolen zullen specifieke delen van het licht absorberen. Door te kijken naar onder andere deze absorptielijnen kunnen we de samenstelling van de atmosfeer van een exoplaneet bestuderen.
Mid-InfraRed Instrument (MIRI)
MIRI is het enige instrument van Webb dat naar mid-infrarode golflengten gaat kijken. Mid-infrarode straling staat het toe om naar planeten, kometen en astroïden te kijken. Stof is bij deze golflengtes niet meer transparant, maar wordt door sterlicht opgewarmd. Dit maakt het mogelijk om protoplanetaire schijven, de geboorteplaats van planeten, te observeren en onderzoeken. Het instrument bestaat uit een camera en een integralfield-spectrometer. Tijdens een spectrometrische waarneming maakt het instrument een opname van een gezichtsveld waarbij iedere pixel een individueel spectrum opslaat. Hiermee kunnen astronomen onderzoeken hoe sterren in een druk sterrenveld of bijvoorbeeld een sterrenstelsel en een nevel van elkaar verschillen in samenstelling, temperatuur en beweging. Om te kunnen waarnemen op deze golflengtes moet MIRI maar liefst 30 graden koeler zijn dan de andere instrumenten. Het instrument heeft daarom een aparte ‘koelkast’ die ook wel een cryokoeler genoemd wordt. MIRI zal gebruikt worden om ons eigen zonnestelsel, andere planetenstelsels en het vroege heelal te bestuderen.
Voor vele sterrenkundigen worden de waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop erg belangrijk. Zelf ben ik voornamelijk geïntereseerd in de zoektocht naar bouwstenen van leven elders in het heelal. Webb zal ons meer vertellen over de atmosferen van buitenaardse planeten die rondom andere sterren draaien. In deze atmosferen zijn we bijvoorbeeld op zoek naar ondere andere water, zuurstof, ozon, methaan, fosfine en voornamelijk combinaties van deze atmosferische gassen. Met specifieke combinaties zoeken we naar leven zoals we dat op onze aarde kennen.
