Op 25 december 2021 was het eindelijk zover: de James Webb-ruimtetelescoop – in het Engels de James Webb Space Telescope of JWST - werd gelanceerd. Altijd een spannend moment, omdat er niets moet misgaan. Maar ook bij de aankomst op de eindbestemming zaten wetenschappers op het puntje van hun stoel. De telescoop zat namelijk opgevouwen in de raket waarmee hij de ruimte in gestuurd werd. Zou het uitklappen ook goed gaan? De opluchting was dan ook groot toen de telescoop na aankomst op 24 januari 2022 precies volgens plan uitklapte!
Figuur 1: Animatie waarin je ziet hoe de James Webb-ruimtetelescoop zich ontvouwt. Bron: YouTube.
Hubble en James Webb-ruimtetelescoop
De James Webb-ruimtetelescoop is een nieuwe, veel krachtigere telescoop dan zijn voorganger, de Hubble-ruimtetelescoop die in 1990 gelanceerd werd en die nog steeds in bedrijf is. “Er zijn een aantal opvallende verschillen tussen beide telescopen”, vertelt natuurkundige Maurice te Plate die twintig jaar in Amerika werkte aan de ontwikkeling van de James Webb-ruimtetelescoop. Nu werkt hij als systeem engineer bij de Europese ruimtevaartorganisatie ESA (European Space Agency) in Noordwijk aan de ontwikkeling van een andere ruimtetelescoop: LISA (Laser Interferometer Space Antenna).
“Allereerst is de Hubble een telescoop met een dichte buis waar de onderdelen van de telescoop in zitten. De JWST heeft een open structuur waarin je de verschillende onderdelen van de telescoop ziet zitten.”
“Je ziet ook dat het oppervlak van de spiegel waarmee JWST licht uit het heelal opvangt – 18 gouden hexagonale spiegels – veel groter is dan de opening waardoor de Hubble licht opvangt. Hubble heeft een diameter van 2,4 meter, terwijl dit bij de JWST 6,4 meter is”, vertelt Te Plate. “Je kunt het vergelijken met het opvangen van regendruppels in een emmer of in een zwembad. Het zwembad vangt met zijn grote diameter veel meer regendruppels op dan de emmer. Zo vangt de JWST door zijn grotere oppervlakte ruim zes keer meer lichtdeeltjes – fotonen – op dan de kleinere Hubble”, legt Te Plate uit.
Dat de JWST meer fotonen opvangt, betekent ook dat de telescoop minder tijd nodig heeft om te meten. Tijdens één van de eerste metingen bleek dat een meting waar Hubble 10 dagen voor nodig had, bij James Webb maar een halve dag kostte. De afbeelding van JWST was bovendien veel scherper. Met de James Webb-ruimtelescoop kunnen sterrenkundigen dus meer metingen doen in een kortere tijd.
Baan in de ruimte
Ook de positie van de twee ruimtetelescopen in de ruimte verschilt. Hubble cirkelt rond in een baan op 515 kilometer van de aarde - ruim honderd kilometer hoger dan het ISS ruimtestation. De JWST draait zijn baantjes op wel 1,5 miljoen kilometer van de aarde in Lagrange punt 2. Dat is wel vier keer de afstand van de aarde tot de maan. Dit heeft ook een praktische consequentie. Vanwege de enorme afstand kunnen astronauten achteraf geen aanpassingen meer doen, of onderhoud uitvoeren aan de telescoop, zoals dat wel gebeurde bij Hubble.
“Bij JWST moest het ontwerp in één keer goed zijn”, benadrukt Te Plate. “Daarom is de telescoop ook heel uitvoerig getest voordat hij de ruimte in ging. Ook zijn in de JWST veel systemen tenminste dubbel uitgevoerd. Wanneer er dan wat kapotgaat, kan dat back-upsysteem de taak overnemen. Er zitten ook allemaal handige hulpmiddelen in om de telescoop af te stellen, bijvoorbeeld speciale kalibratielampjes. Als die aangezet worden, meet de telescoop dit licht. Omdat de technici precies weten welk licht de lampjes uitzenden, kun ze hiermee kijken of het meetresultaat klopt met wat ze verwachten. Als het niet overeenkomt, kunnen ze het meetinstrument weer goed instellen. Zo kunnen ze de telescoop dus op afstand kalibreren.”
Zichtbaar licht versus infrarood
Maar misschien is het meest belangrijk verschil tussen beide telescopen wel dat de Hubble kijkt naar zichtbaar licht, terwijl de JWST kijkt naar infrarood straling. Door infrarood waar te nemen kan de JWST verder de ruimte in kijken en dus ook verder terug in de tijd. De Hubble kan terugkijken tot 13,4 miljard jaar geleden, de JWST tot wel 13,7 miljard jaar. Het licht dat afkomstig is van verre sterren – dat er dus langer over doet – is door de uitdijing van het heelal verschoven naar langere (en dus rodere) golflengten. Dat noem je redshift of roodverschuiving. Omdat de JWST deze golflengten kan meten, kan hij dus ook het licht van deze verre sterren waarnemen.
Er is nog een voordeel aan het waarnemen van infrarood. Kijk je naar beelden met een nabij-infrarood camera, zoals de JWST dat doet, dan heb je geen last van stof in de ruimte. Je kijkt dwars door deze stofwolken heen, terwijl deze bij de Hubble – die kijkt naar zichtbaar licht – het zicht belemmeren.
Foto's van sterren
De vier de meetinstrumenten die op de JWST zitten zijn de FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor/Near-InfraRed Imager and Slitless Spectograph, de NIRCam (Near-InfraRed Camera), de NIRSpec (Near-InfraRed Spectrograph) en de MIRI (Mid-InfraRed Instrument). Deze instrumenten leveren veel interessante informatie op. Allemaal gebruiken ze één of meer meettechnieken. Op sommige instrumenten (FGS/NIRISS, NIRCam en MIRI) zit een camera om beelden – infraroodfoto’s – mee te maken. Dit zijn camera’s die gevoelig zijn voor verschillende specifieke golflengte gebieden. Met deze camera’s kunnen prachtige beelden gemaakt worden. In figuur 9 zie je bijvoorbeeld een beeld gemaakt met de NIRCam-camera. Het beeld is niet in één keer gemaakt, maar is een combinatie van negen afzonderlijk gemaakte beelden. Het beeld is in mei 2025 gepresenteerd en is het beeld dat het diepst het heelal in kijkt tot dan toe.
Een ander mooi beeld gemaakt met JWST is dat van vijf sterrenstelsels in figuur 10. Elk sterrenstelsel heeft een felle witte kern, maar zoals je ziet verschillen de grootte, vorm, structuur en kleur van de sterrenstelsels onderling.
Nabij-infrarood en mid-infrarood
De camera’s in de meetinstrumenten zijn gevoelig voor verschillende delen van het infraroodspectrum. NIRCam heeft twee camera’s die nabij-infrarood waarnemen. De ene camera is gevoelig voor golflengtes van 0,6 tot 2,3 micrometer en de andere voor golflengtes van 2,4 tot 5 micrometer. MIRI is gevoelig is voor golflengtes van 5 tot 27 micrometer in het mid-infrarood. Daardoor zien beide instrumenten andere dingen. Waar je met een nabij-infrarood camera door stof heen kijkt, is dat met een mid-infrarood camera niet het geval. Daarmee zie je juist ook de stofdeeltjes, die zelf warmte uitstralen in het mid-infrarood golflengtegebied. Een mooi voorbeeld waarin je het beeld van beide instrumenten naast elkaar ziet, zie je in figuur 11. De verschillen tussen beide beelden van deze stervende ster, geven sterrenkundigen interessante informatie over wat er met deze ster gebeurt.
Met de JWST kunnen sterrenkundigen zelfs plekken bekijken waar sterren ‘geboren’ worden. In figuur 12 zie je de geboorte van sterren in de Carinanevel.
Op de website van de JWST vind je nog veel meer prachtige beelden die de JWST heeft gemaakt. Bij de beelden kun je (in het Engels) lezen wat erop te zien is. In figuur 13 zie je ook een video waarin je ziet welke ontdekkingen er gedaan zijn in de eerste drie jaar van de JWST.
Figuur 13: Ontdekkingen van de JWST in de eerste drie jaar. Bron: YouTube.
Lichtspectra meten
In de JWST zitten ook meetinstrumenten met een spectrometer of spectrograaf (FGS/NIRISS, NIRSpec en MIRI). Dat is een meetinstrument dat licht kan splitsen in de afzonderlijk golflengten. Hiermee kunnen onderzoekers kijken naar specifieke lichtkleuren die worden uitgezonden door hete gaswolken in het heelal (emissiespectra). Maar ze kunnen ook kijken welke lichtkleuren er niet meer in het spectrum zitten en zijn geabsorbeerd (absorptiespectrum).
Het absorberen van lichtkleuren gebeurt bijvoorbeeld als een exoplaneet voor een ster langs beweegt. Het licht van de ster zal dan voor een deel door de atmosfeer van de exoplaneet reizen. De stoffen die hierin zitten, bijvoorbeeld kooldioxide, zullen dan specifieke golflengtes absorberen. Zo kun je erachter komen welke stoffen er in de atmosfeer van de exoplaneet zitten. Een voorbeeld van zo’n meting zie je in figuur 15. Hierin zie de hoeveelheid geblokkeerd licht als functie van de golflengte gemeten met NIRSpec. Je ziet een duidelijke piek die aangeeft dat deze golflengte minder aanwezig is in het spectrum. Dit geeft aan dat er CO2 in de atmosfeer van de exoplaneet aanwezig moet zijn geweest.
“De meetinstrumenten van de JWST staan niet los van elkaar, maar werken samen als een team”, vertelt Te Plate. “Er wordt bijvoorbeeld eerst een camerabeeld gemaakt met NIRCam van een stukje heelal. Vervolgens wordt daar dan een interessant gebied uit gepikt, waar NIRSpec dan het spectrum van meet.” Een voorbeeld hiervan zie je in figuur 16.
Nieuwe ontdekkingen
Na de eerste resultaten van metingen met de JWST bleek al dat de telescoop boven verwachting goed werkt. Daardoor levert JWST veel interessante beelden en lichtspectra op, waar sterrenkundigen heel veel van kunnen leren. Het is zelfs zo dat de metingen van Webb kosmologen – wetenschappers die het ontstaan en de ontwikkeling van het heelal bestuderen – regelmatig de wenkbrauwen doen fronsen, als blijkt dat de telescoop dingen heeft waargenomen die niet stroken met hun modellen. “De objecten die waargenomen zijn in het vroege heelal waren bijvoorbeeld veel groter en helderder dan wetenschappers verwachtten op basis van hun modellen.” vertelt Te Plate. “Ik denk dan ook dat de James Webb-ruimtetelescoop in de toekomst nog heel veel nieuwe, verrassende ontdekkingen gaat doen!”
