De James Webb-ruimtetelescoop – de opvolger van de Hubble-ruimtetelescoop – is de allerkrachtigste ruimtetelescoop ooit. Op eerste kerstdag 2021 ging hij met een Europese Ariane 5 raket de ruimte in. Na aankomst in zijn baan in de ruimte op 24 januari 2022 heeft de telescoop al heel veel metingen gedaan. Maar hoe ziet de JWST er nu precies uit?
In figuur 1 zie je uit welke onderdelen de telescoop bestaat. Je ziet hierin dat de JWST een speciaal zonneschild heeft dat is gemaakt om het instrument te beschermen tegen het felle zonlicht en ervoor te zorgen dat de telescoop afkoelt naar hele lage temperaturen. Aan de zongerichte zijde zie je ook een ster volgsysteem het besturings- en controlesysteem, een groot zonnepaneel en een antenne die de communicatie met de aarde mogelijk maakt. Aan de observatie kant van de JWST zie je de primaire en secundaire spiegel en de wetenschappelijke instrumenten.
De JWST vangt het licht uit het heelal dat we willen bestuderen op met spiegels. In figuur 2 zie je hoe de JWST het licht opvangt via de primaire spiegel die bestaat uit 18 hexagonale gouden spiegels. Dat licht wordt gereflecteerd richting een tweede – secundaire – spiegel. Dat licht weerkaatst vervolgens naar het midden van de telescoop, waar het binnenkomt in de ISIM module (Integrated Science Instrument Module) en naar vier speciale waarnemingsinstrumenten geleid wordt.
Verschillende meetinstrumenten
Het licht dat de JWST opvangt, gaat naar de vier meetinstrumenten die in de meetinstrument module van de JWST zitten. Dat zijn FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager Slitless Spectograph), NIRCam (Near InfraRed Camera), NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph en de MIRI (Mid InfraRed Instrument). In figuur 3 zie je wat elk instrument kan waarnemen.
| Instrument | Waarnemingsfunctie | Technische functie |
| FGS/NIRISS |
|
|
| NIRCam |
|
|
| NIRSpec |
|
|
| MIRI |
|
Figuur 3: Tabel met hierin de vier instrumenten van de James Webb-ruimtetelescoop en hun functie.
In figuur 4 zie je een video waarin uitgelegd wordt welke instrumenten er in de JWST zitten.
Figuur 4: Video waarin je ziet welke instrumenten er in de JWST zitten. Bron: YouTube.
Ook technische functies
Zoals je ziet hebben veel instrumenten meerdere functies. Ze hebben bijvoorbeeld een infraroodcamera én een spectrometer – ook wel spectrograaf genoemd. Maar er zijn ook twee meetinstrumenten die naast metingen doen ook een technisch ondersteunende functie hebben. Dat zijn de FGS/NIRISS en de NIRCam.
“De FGS (Fine Guidance Sensor) zorgt dat de telescoop precies naar de juiste plek in het heelal kijkt en dit beeld vasthoudt”, vertelt Maurice te Plate. Hij is systeem ingenieur bij ESA in Noordwijk en werkte twintig jaar aan de James Webb-ruimtetelescoop. “Het vasthouden van het beeld waar JWST naar kijkt is heel belangrijk, want als de telescoop met een brandpuntsafstand van 131,4 m een beetje trilt, dan gaat het brandpunt ook bewegen op de diverse detectoren. Dat trillen zou het beeld wazig maken, en dat willen we natuurlijk niet.” Voor het fixeren van het beeld gebruikt de FGS daarom gidssterren. “Hij kijkt op welk pixel deze sterren vallen en stuurt de oriëntatie van een spiegel in de telescoop zo bij dat de sterren ook op deze pixels blijven. Je kunt het vergelijken met de beeldstabilisatiefunctie op een fotocamera. De NIRCam heeft ook een extra technische functie”, vult Te Plate aan. “Hierin zit de techniek verwerkt om alle 18 spiegels precies goed uit te lijnen. Zowel de oriëntatie van iedere individuele spiegel als de kromming kan bijgestuurd worden wanneer dat nodig is.”
Coronagraaf
Zowel NIRCam als MIRI hebben ook nog een speciale stand voor het maken van camerabeelden: de coronagraaf stand. Hiermee kunnen onderzoekers een meting doen terwijl het licht van een felle ster geblokkeerd wordt. Hierdoor kunnen ze lichtzwakke hemellichamen in de buurt van de ster toch waarnemen. “Stel je voor dat je ’s nachts van een afstand van enkele honderden kilometers naar een kaars wilt kijken die naast een vuurtoren staat, en je wilt die kaars kunnen zien. Het licht van de vuurtoren is dan zo fel, dat je de kaars niet meer kunt onderscheiden. Als je iets maakt dat je precies voor het felle lichtpunt van de vuurtorenlamp houdt om dat licht te blokkeren, dan kun je de zwakkere kaars toch zien.” In figuur 5 zie je een voorbeeld van de meting van een exoplaneet waarbij de NIRCam en de MIRI in de coronagraaf stand gebruikt zijn.
Piepkleine deurtjes
Het ontwikkelen van de JWST kostte veel tijd. Maar dat is ook niet verwonderlijk als je kijkt naar alle geavanceerde technieken die erin zitten. “In het hele observatorium zitten wel tien nieuwe technologieën, die speciaal voor deze telescoop zijn ontwikkeld zoals de diverse uitklapmechanismen, de speciale spiegels en de speciale infrarood detectoren”, vertelt Te Plate enthousiast. “Eén van deze nieuw ontwikkelde technieken is bijvoorbeeld het Micro Shutter Array (MSA) in de NIRSpec. Op een oppervlak ter grootte van slechts vier postzegels zitten maar liefst 248.000 minuscule deurtjes – ieder deurtje is slechts zo groot als de dikte van een menselijke haar. Deze deurtjes kunnen met magneetjes individueel open en dicht gezet worden om licht door te laten of te blokkeren. Achter elk deurtje kan dan het spectrum gemeten worden van het licht dat door zo’n deurtje valt. Zo kan de James Webb-ruimtetelescoop de spectra van wel 100 hemellichamen tegelijkertijd meten! Op deze manier kun je veel meer wetenschappelijke waarnemingen doen in dezelfde tijd.”
Integraal veld spectroscopie
Een andere bijzondere techniek zit in het MIRI en NIRSpec meetinstrument. De ontwerpers van JWST wilden graag in één keer het spectrum van wat grotere astronomische objecten kunnen meten, zoals bijvoorbeeld andere sterrenstelsels die ver weg staan. Daarvoor hebben ze een integraal veld spectroscopie module ontworpen. “Het beeld dat MIRI of NIRSpec waarneemt, valt in deze gevallen op een heel bijzonder soort spiegel”, legt Te Plate uit. “Deze spiegel bestaat uit meerdere boven elkaar gelegen delen. Ieder deel reflecteert het licht dat hierop valt naar een andere plek, waardoor de delen die eerst boven elkaar lagen, nu in een lijn naast elkaar komen te liggen. Deze naast elkaar gelegen delen gaan door een smalle, lange spleet, waarna het licht zich opsplitst in de verschillende golflengten. Zo kan tegelijkertijd van alle plakjes waar het beeld uit bestaat het lichtspectrum gemeten worden.”
Figuur 8: In deze video zie je hoe het licht wordt opgesplitst in de integraal veld spectroscoop. Bron: ESA.
Gezichtsveld James Webb-ruimtetelescoop
Met al deze bijzondere technieken aan boord kan de JWST heel veel interessante metingen doen. Maar hoe bepaal je nu waar de telescoop naar gaat kijken? “De telescoop heeft maar een heel beperkt gezichtsveld. Stel je voor dat je je arm uitstrekt en tussen je duim en wijsvinger een zandkorrel vasthoudt waar je naar kijkt. De JWST kijkt naar een stukje van de hemel zo klein als de doorsnede van die zandkorrel. Het is alsof je kijkt door een heel dun rietje”, legt Te Plate uit. “Dat is zo’n minuscuul deel van de hele hemelkoepel, dat je je wel kunt voorstellen dat je nooit het hele heelal kunt afspeuren. Gelukkig zijn in het GAIA project van ESA met andere telescopen tussen 2014 en 2025 de ruim één miljard felste sterren en stelsels in kaart gebracht. Daarmee hebben we een soort driedimensionale catalogus van de helderste sterren. Deze catalogus wordt bijvoorbeeld gebruikt voor de oriëntatie en het plannen van observaties.”
Slim plannen metingen
De JWST doet zijn metingen in meetreeksen. Wetenschappers, maar ook andere geïnteresseerden, kunnen een voorstel doen wat ze willen bestuderen. “Een speciale commissie bepaalt of een meetvoorstel gehonoreerd wordt”, vertelt Te Plate. “Als de commissie akkoord gaat met het meetvoorstel, dan komt die in een rijtje met andere toegezegde meetvoorstellen. Zijn er voldoende voorstellen om een meetreeks uit te voeren? Dan wordt berekend wat een logische volgorde is van alle metingen, zodat de telescoop zo min mogelijk bewegingen hoeft te maken. Als die volgorde is bepaald, schrijven onderzoekers een lange reeks commando’s voor de JWST en sturen die dan wekelijks naar de telescoop. Die voert de verschillende metingen dan als een soort robot achter elkaar uit en stuurt de meetgegevens op zijn beurt automatisch naar de aarde.”
Naar verwachting zullen er nog veel meetreeksen volgen. De JWST heeft bij de lancering en het uitklappen veel minder brandstof verbruikt dan verwacht. Dat betekent dat we - als alles goed blijft gaan - nog vele jaren plezier zullen hebben van deze bijzondere telescoop!
